一种防爆锂离子电池组的制作方法

本发明属于锂电池技术领域，涉及一种防爆锂离子电池组。

背景技术：

锂离子电池具有电压高、比能量高、循环性能好和环境友好等特点，已经越来越广泛的应用到多种领域，包括电动车、风力发电、光伏发电、微电网、智能电网，高铁列车、航空器、舰船等。

近几年，随着新能源汽车、大规模储能示范工程的建设实践，锂离子电池的安全事故时有发生，有的事故已经造成十分严重的后果，事故的主要危害是起火爆炸，而引起事故起火爆炸的主要原因是锂离子电池热失控。

锂离子电池爆炸，是电池内容物剧烈膨胀，形成容器性内高压，电池外壳被胀开甚至炸裂分成多碎片，电池内各种活性物质瞬间喷射，与空气中氧发生剧烈氧化反应，引发严重火灾。

而锂离子电池形成容器性内高压，是因锂离子电池存在制造缺陷，特别是锂离子电池内短路。形成锂离子电池内短路有多种原因，例如单质金属颗粒物质污染正极或负极材料。这些颗粒物质污染的局部，锂离子电池工作时就会引起局部电子、离子传导异常，从而导致局部异常物理化学反应，该局部就可能引发高温，局部高温导致隔膜熔穿形成短路。

又如在锂离子电池的制造工艺中，工艺控制误差大，分布在正极与负极之间的隔膜存在皱褶，锂离子电池工作时的热胀冷缩效应，皱褶处可能断裂，从而在隔膜处形成内短路。而锂离子电池的制造工艺过程隔膜张力不匀，隔膜漏孔瑕疵，锂离子电池工作时的反复热胀冷缩，也都可能引起隔膜破损，造成锂离子电池内短路。

在现有技术下，一些存在缺陷的锂离子电池，内短路初期难于被发现。在锂离子电池内短路初期，局部温度升高，液相电解液汽化，汽化的电解液气体体积迅速膨胀，温度继而升高；温度升高，受热膨胀加剧，压力剧增，温度骤升，形成剧烈的化学物理反应；在定容条件下，各种反应物在压力剧增作用下，传质、传热反应速率加快，进一步增剧物理反应和化学反应。

锂离子电池的活性物质，特别是电解液在外界能量催化作用下，可能发生热分解。在超过临界工作温度时，受过热作用，压力效应，就会发生分解并放出热量，这种热分解反应，一旦温度上升达到一定值(爆炸物的爆发点)时，热分解就会转化为爆炸。

在现有的技术下，锂离子电池存在引发燃烧危险源的可能，其危险在于安全阀直接向大气泄压。当缺陷电池内高压形成时，直接向大气泄放电池内部气体，这些气体含有高浓度电解液，这些电解液瞬间接触大气中的氧，便会迅速引起氧化反应。此外，电解液泄漏时与静电作用，都可能起火。而且，起火如果发生在密闭的电池箱内，有可能由燃烧转变为爆炸。

在现有技术下，锂离子电池存在引发连锁反应机制的爆炸风险。在现有电池组中，多个单体锂离子电池集成在一个电池箱内，某个单体锂离子电池一旦发生爆炸，爆炸能在爆炸物内部以恒定地传播速度持续进行，并引发多个单体锂离子电池爆炸；而一旦在大规模电池集成系统发生此种情形，有可能引发爆轰，这是一种爆炸的稳定状态，其危害及其严重。

锂离子电池爆炸，属于锂离子电池内部放热反应同时存在压力效应，这些反应往往是单体锂离子电池的内短路引起的如下反应：

1)负极的热分解，及其电解液的参与反应；

2)电解液分解的放热反应；

3)正极的热分解反应，及其电解液的参与反应。

上述三种反应形式在一定条件下，可以相互转化。

锂离子电池爆炸机理，符合爆炸理论基本规律，引起锂离子电池爆炸的直接因素是温度异常升高，压力增大。

锂离子电池爆炸机理遵循如下热失控反应步骤；

1)内短路局部发热；

2)高温引起定容的锂离子电池内压力剧增；

3)压力增加(由于传质系数增加)促进电池内部化学反应及副反应的剧增程度；

4)继而，电池内部化学反应加剧使热量剧增；

5)压力进一步升高(化学反应传质系数进一步加剧)；

6)电芯过热，引起的恶性循环反应，最终导致电池壳定容容器压力过饱和；

7)电池壳耐压承受强度超过极限，一些焊缝或缺陷的密封结构失效，空气中氧进入，形成剧烈氧化，引发起火爆炸。

锂离子电池爆炸规律遵循以下列逻辑链：

爆炸形成是热反应加剧(热反应包括了化学反应、物理反应的传质运动)→压力增加→温度上升→热反应加剧连锁反应，热效应、压力效应、传质反应连环剧增的逻辑反应过程，最终到达临界点起火爆炸。

依据锂离子电池起火爆炸形成机理，有效的防止爆炸发生，可以从如下途径采取有效手段：阻断形成高温机制，阻断传质反应，阻断电池壳内压力持续增加。以上三种途径都是克服电池爆炸起火的有效措施。

阻断热失控内高压形成机制，应采用可靠泄压。

阻断高温形成机制，应采取有效散热。

阻断传质加剧机制，应填充惰性物质，抑制活性物质反应。

现有的技术针对高温形成机制，在电池组的外壳采集温度信号，当温度高于设定温度时，采用空气对流散热和液体传导散热。

但现有的锂离子电池电芯的有效散热存在许多技术瓶颈，而改善锂离子电池电芯的散热更存在不可逾越障碍，这是由于锂离子电池电芯的组成结构所决定的。锂离子电池的电芯，由多层正极涂层极片、负极涂层极片、高分子隔膜叠集。虽然正极极片集流体为铝材，负极集流体为铜材，它们属于良好的热导体，但是由于其正极、负极活性物质涂层属于粉体与胶体混合物，传热热阻远比铜材、铝材大；分布在正极涂层极片、负极涂层极片之间的高分子隔膜也属于导热不良物质；电芯的涂层极片层数叠集越多，传热热阻也就越大，传热热阻越大，电池内蓄热温升问题就会越突出。电芯的涂层极片层数叠集越多，发生内短路几率也越大。

在现有技术下，无论是空气对流导热还是液体传导导热都需要通过电芯壳体传热达到冷却目的，由于电芯涂层极片层叠结构形成导热不良，达到高效散热十分困难，当内短路一旦发生，现有散热技术难于使内短路的涂层极片异常产热得到抑制。

此外，在现有技术中，在电芯的外壳采集温度信号受干扰十分突出。不同的使用环境，不同充、放电状态，电芯的外壳显著温度不同，电芯内极片的内短路温度危险阈值判定十分困难。

现有的技术针对高压形成机制，大多数都采用了爆破片或安全阀措施，爆破片的选型十分困难，当选择爆破片厚度偏小时，临界爆破压力太小。爆破临界压力太小，使锂离子电池内压力还处于安全阈值之内，爆破片就爆破了；而一旦爆破片爆破了，同一集成电池箱内一组电池都可能受到爆破片爆破喷出可燃物污染，甚至直接引起起火。选择爆破片厚度偏大，爆破临界压力偏大，锂离子电池内压力已经很高了，爆破片还处于未爆破状态，一旦在很高的压力爆破，锂离子电池内的电芯物质随着高压泄放喷射出来，电芯内的可燃物质喷射而出时，直接引发次生危害。

金属爆破片用于动力锂离子电池，长时期处于振动下工作，而长时期处于振动条件下，金属爆破片容易变形，变形的爆破片内应力发生改变，应力改变之后，设定的爆破安全阈值即发生了改变，作为长寿命的动力锂离子电池，是否足于保障电池长期使用安全存在不确定性。

爆破片的另一个突出缺点是，破裂后不能复原，导致锂离子电池一次性报废。

且现有锂离子电池制造工艺，金属爆破片采用直接焊接法，将金属爆破片固定在电池金属壳顶部，焊接过程的高温有可能导致金属爆破片退火或变性，使原来的安全压力爆破阈值发生改变。

因此，现有的金属爆破片用于锂离子电池控制内高压，存在不确定性。

现有的技术针对阻断传质加剧机制，在电解液中添加阻燃剂。电解液中添加阻燃剂虽然具有一定的缓解燃烧作用，但是，随着阻燃剂的加入，电解液离子、电子导电性能趋于劣化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种防爆锂离子电池组，以针对现有技术的上述缺陷，可检测电池内压力，控制电芯内压。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种防爆锂离子电池组，其包括多组锂离子电芯、多组锂离子电芯间隙填充物质、密封锂离子电芯的外壳、正极端子、负极端子、安全阀、泄压管，

所述的安全阀穿过所述的外壳顶部的壳盖，其底端连接所述的泄压管，所述的泄压管的另一端浸没在所述的多组锂离子电芯间隙填充物质内；

所述的安全阀包括彼此相连的位于顶部的阀帽与位于底部的阀座，阀帽上开有泄压孔，

其中：

所述的安全阀还包括信号通路器，其设置在所述的阀帽中间开孔的顶部，用于在所述的外壳内压力超标时接通进行报警。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种防爆锂离子电池组，其中所述的信号通路器包括绝缘柱，包封在绝缘柱内的两根导电极柱，以及连接在一根导电极柱下方的弹性导电片。当所述的外壳内压力超标时，所述的弹性导电片接通另一根导电极柱，从而接通所述的信号通路器进行报警。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种防爆锂离子电池组，其中所述的防爆锂离子电池组还包括设置在所述的外壳顶部的壳盖上的安全阀座，用于固定所述的安全阀的阀座。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种防爆锂离子电池组，其中所述的安全阀还包括自上而下依次连接的浮塞、阀芯杆、阀芯座、密封球，它们设置在彼此连接的阀帽中间开孔与阀座中间开孔内，且所述的浮塞位于所述的信号通路器的下方。当所述的外壳内压力超标时，所述的密封球上行，并依次推动阀芯座、阀芯杆、浮塞上行，从而使所述的多组锂离子电芯间隙填充物质能够从所述的泄压孔排出，进行外壳内泄压。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种防爆锂离子电池组，其中所述的阀帽还包括柱式弹簧，其设置在彼此连接的阀帽中间开孔与阀座中间开孔内，所述的阀芯座上方，所述的阀芯杆外围，用于稳定压力。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种防爆锂离子电池组，其中所述的泄压孔设置在所述的阀帽顶部的侧面，并与所述的阀帽中间开孔连通。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种防爆锂离子电池组，其中所述的多组锂离子电芯间隙填充物质为硅油。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种防爆锂离子电池组，其中所述的锂离子电芯的组数为1-6组。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种防爆锂离子电池组，其中所述的锂离子电芯为软包锂离子电芯或硬包锂离子电芯。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种防爆锂离子电池组，其中单体软包锂离子电芯的外包围护结构材料为铝塑复合膜。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种防爆锂离子电池组，其中所述的防爆锂离子电池组还包括设置在所述的外壳顶部的壳盖上的正极端子座与负极端子座，以及分别从所述的锂离子电芯的顶部向外伸出并穿出所述的外壳顶部的壳盖的正极引电极耳与负极引电极耳，

所述的正极端子座与负极端子座分别用于固定所述的正极引电极耳与所述的负极引电极耳；

所述的正极引电极耳的上方连接所述的正极端子，所述的负极引电极耳的上方连接所述的负极端子。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种防爆锂离子电池组，其中单体锂离子电芯的正极材料为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和/或镍锰钴酸锂。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种防爆锂离子电池组，其中单体锂离子电芯的负极材料为天然石墨、人造石墨和/或钛酸锂。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种防爆锂离子电池组，其中单体锂离子电芯的正极与负极间的隔膜材料为单层聚乙烯微孔膜、单层聚丙烯微孔膜或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层复合膜。

本发明的有益效果在于，利用本发明的防爆锂离子电池组，可以检测电池内压力，控制电芯内压；与此同时，一旦电池内高压超过安全临界阈值，电芯围护结构出现破裂时，通过向锂离子电池电芯内正负极涂层注入硅油，阻断锂离子电池电芯内的传质反应。

锂离子电池的安全性能决定了其可应用的场所，航空器、高铁列车、舰船、潜艇、博物馆、档案馆、数据中心等一些十分重要场所需要高可靠的安全性能。虽然本发明的防爆锂离子电池组由于增加了安全阀、硅油，使质量比能量有所减小，但是，通过阻断热失控内高压形成机制，阻断传质加剧机制，能够抑制活性物质反应；泄压时泄压孔排出的是硅油，而不是电解液，能避免电解液喷出至大气中与空气的氧发生快速氧化反应导致起火，能避免喷出的电解液与电路中火花接触被点燃，从而使防爆锂离子电池组的安全性显著提高。

附图说明

图1为示例性的本发明的防爆锂离子电池组的正面视图。

图2为图1的俯视图。

图3为图2沿c-c的剖视图。

图4为图1沿a-a的剖视图。

图5为示例性的本发明的防爆锂离子电池组的外壳的正面视图。

图6为图5沿d-d的剖视图。

图7为示例性的本发明的防爆锂离子电池组的锂离子电芯的正面视图。

图8为图7沿e-e的剖视图。

图9为示例性的本发明的防爆锂离子电池组的安全阀的结构示意图。

图10为示例性的本发明的防爆锂离子电池组的信号通断器的结构示意图。

图11为示例性的本发明的防爆锂离子电池组的绝缘密封圈的结构示意图。

图12为图11沿f-f的剖视图。

图13为图11沿g-g的剖视图。

图14为示例性的本发明的防爆锂离子电池组的过盈套圈的结构示意图。

图15为图14沿h-h的剖视图。

图16为图11沿i-i的剖视图。

图17为示例性的本发明的防爆锂离子电池组的阀座的结构示意图。

图18为示例性的本发明的防爆锂离子电池组的阀帽的结构示意图。

图19为示例性的本发明的防爆锂离子电池组的浮塞、阀芯座连体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

示例性的本发明的防爆锂离子电池组的结构如图1-19所示，包括密封锂离子电芯组3的外壳1(又包括壳身1-1与壳盖1-2)、安全阀座1-2a、正极端子座1-2f、负极端子座1-2h、正极端子2a、负极端子2b、2组锂离子电芯3-1(为软包锂离子电芯)组成的锂离子电芯组3、2组锂离子电芯3-1间隙填充硅油、正极引电极耳3-2a、负极引电极耳3-2b、绝缘密封圈4(又包括凸沿4-1与通孔4-2)、过盈套圈5(又包括绝缘密封圈孔位5-1，端子座过盈安装孔5-2)、安全阀6(又包括阀座6-1、阀帽6-2、信号通路器6-3、浮塞6-4、柱式弹簧6-5、阀芯杆6-6g、阀芯座6-6、密封球6-7、泄压孔6-9)、泄压管6-8(位于壳身1-1内)。

安全阀6穿过外壳1顶部的壳盖1-2，其底端连接泄压管6-8，泄压管6-8的另一端浸没在2组锂离子电芯3-1间隙填充的硅油内。

位于安全阀6底部的阀座6-1固定在壳盖1-2上设置的安全阀座1-2a上。阀帽6-2位于安全阀6的顶部，阀座6-1与阀帽6-2彼此相连。

阀帽6-2中间有贯穿其的开孔，信号通路器6-3设置在该开孔的顶部，用于在外壳1内压力超标时接通进行报警。阀帽6-2顶部的侧面开有泄压孔6-9，泄压孔6-9与阀帽6-2中间开孔连通。自上而下依次连接的浮塞6-4、阀芯杆6-6g、阀芯座6-6、密封球6-7设置在彼此连接的阀帽6-2中间开孔与阀座6-1中间开孔内，且浮塞6-4位于信号通路器6-3的下方。当外壳1内压力超标时，硅油沿泄压管6-8上行，导致密封球6-7上行，并依次推动阀芯座6-6、阀芯杆6-6g、浮塞6-4上行，从而使锂离子电芯3-1间隙填充的硅油能够从泄压孔6-9排出，进行外壳1内泄压。柱式弹簧6-5设置在彼此连接的阀帽6-2中间开孔与阀座6-1中间开孔内，阀芯座6-6上方，阀芯杆6-6g外围，用于稳定外壳1泄压时的压力。

阀座6-1中间贯穿其的开孔自上而下分别为内螺纹段6-1a(用于连接阀帽6-2)、等径内孔段6-1b、锥孔6-1c(用于在不进行外壳1泄压时卡住密封球6-7)与缩节段6-1d(下部接通泄压管6-8)。

阀帽6-2中间开孔的上方为内螺纹端6-2a(用于连接固定信号通路器6-3)，下方为垂直内孔6-2c。垂直内孔6-2c与泄压孔6-9相连。阀帽6-2下端的外侧设置有外螺纹段6-2b，用于连接阀座6-1的内螺纹段6-1a。

信号通路器6-3包括绝缘柱6-3a，包封在绝缘柱6-3a内的两根导电极柱6-3b，以及连接在一根导电极柱6-3b下方的弹性导电片6-3c。当外壳1内压力超标时，弹性导电片6-3c接通另一根导电极柱6-3b，从而接通信号通路器6-3进行报警。

在外壳1的壳身1-1内，2组锂离子电芯3-1分别向上向外伸出正极引电极耳3-2a与负极引电极耳3-2b。正极引电极耳3-2a与负极引电极耳3-2b穿出壳盖1-2，上方分别连接正极端子2a与负极端子2b。正极端子座1-2f与负极端子座1-2h设置在壳盖1-2上，分别用于固定正极引电极耳3-2a与负极引电极耳3-2b。

绝缘密封圈4包括外侧的凸沿4-1与内侧的通孔4-2。正极端子2a、负极端子2b分别安装于2只绝缘密封圈4的通孔4-2内。绝缘密封圈4的凸沿4-1安装于过盈套圈5的绝缘密封圈孔位5-1内。绝缘密封圈4的通孔4-2与正极端子2a、负极端子2b胀紧密封。绝缘密封圈4的凸沿4-1与过盈套圈5的绝缘密封圈孔位5-1胀紧密封。

过盈套圈5包括外侧的绝缘密封圈孔位5-1与内侧的端子座过盈安装孔5-2。2只过盈套圈的端子座过盈安装孔5-2分别与壳盖1-2上的正极端子座1-2f、负极端子座1-2h过盈安装。2只过盈套圈5与壳盖1-2上的正极端子座1-2f、负极端子座1-2h过盈安装既是紧固结构又是密封结构。

上述示例性的本发明的防爆锂离子电池组的防爆泄压工作原理如下：

锂离子电芯组3安装于壳身1-1与壳盖1-2组成的外壳1内，外壳1内的锂离子电芯3-1之间的间隙填充硅油。当软包单体锂离子电芯3-1出现内短路，温度升高，压力增大时，软包单体锂离子电芯3-1必然出现鼓胀。出现鼓胀的软包单体锂离子电芯3-1增大了占位壳身1-1与壳盖1-2组成的外壳1的内部容积，导致硅油被挤压，从安全阀6的泄压管6-8上行。被挤压的硅油上行推动安全阀6的密封球6-7、阀芯座6-6上行，柱式弹簧6-5被压缩，被挤压的硅油通过阀座6-1的锥孔6-1c上行，与阀芯座6-6连体的浮塞6-4随之上行，浮塞6-4上行至推动信号通断器6-3的弹性导电片6-3c与信号通断器6-3的导电极柱6-3b接触导通。信号通断器6-3的弹性导电片6-3c与信号通断器6-3的导电极柱6-3b接触导通信号进行报警，属于鼓胀的软包单体锂离子电芯3-1的压力值达到或超过压力设定值。利用该压力值控制锂离子电芯组3充放电状态或采取必要紧急处理，以免出现热失控造成危害。

浮塞6-4上行至推动信号通断器6-3的弹性导电片6-3c与信号通断器6-3的导电极柱6-3b接触导通同时，被挤压的硅油通过安全阀6的阀帽6-2的泄压孔6-9排出。部分被挤压的硅油排出之后，壳身1-1与壳盖1-2组成的外壳1内压减低，鼓胀的软包单体锂离子电池3-1的内压力随之降低。

从安全阀6的阀帽6-2的泄压孔6-9排出的是硅油而不是电解液，能避免电解液喷出至大气中与空气的氧发生快速氧化反应导致起火，能避免喷出的电解液与电路中火花接触被点燃。

由于柱式弹簧6-5的恒压强作用，安全阀6的泄压孔6-9排出部分硅油时，壳身1-1与壳盖1-2组成的外壳1内压下降，被挤压的硅油上行压强下降，密封球6-7受到的压强也随之降低，密封球6-7复位至阀座6-1锥孔6-1c处于关闭状态，信号通断器6-3的导电极柱6-3b与弹性导电片6-3c复位至开路状态。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。