一种基于高沸点防爆液的防爆电池的制作方法

1.本发明涉及电化学储能领域，特别涉及一种基于高沸点防爆液的防爆电池。


背景技术：

2.电化学储能技术是近年来的研究热点与发展趋势，锂离子电池体积小、容量密度高、价格具有竞争力，因此锂离子电池广泛应用于储能电源系统、电动工具、电动自行车、电子产品、军事装备、航空航天等多个领域。特别是我国“863”新能源汽车重大专项的实施，更是为锂动力电池展开了广阔的市场前景。但目前储能领域，特别是以锂电池储能为首的电化学储能却面临诸多问题。首要的技术难关是储能设备的安全性。传统的锂电储能pack大多采用强迫风冷，还有部分企业采用水冷板散热，实践表明，类似风冷或水冷板的散热方式，都不能可靠的防止电池的热失控。锂电池一直潜藏着爆炸的危险，其放电状况复杂，散热条件及充放电制度控制也非常苛刻。特别是随着锂电池应用规模的增大，风险随之增加，电池及电源控制系统的质量问题、系统集成施工问题存在潜在的火灾风险，造成储能电站起火事故频现。
3.目前主流的锂电池安全应用主要从电芯电极材料，pack模组级防护，以及集装箱系统级消防灭火隔离等这几方面应对。主要采取的技术手段有以下几类：
4.1，采用新型电极材料，选用机械和热关闭性能更优的电池隔膜。
5.2，电池管理系统(bms)改进充放电控制策略，实现对电芯的均衡充放电控制；电池模组内部增加惰性气体等其他措施实现防火防爆。
6.3，储能集装箱内设置的烟感，温度监测，火焰监测等传感器；气体灭火设备、喷淋灭火设备、物理隔离措施等。
7.以上方案各有优缺点，但从目前技术手段看，电极材料以及生产工艺还不能保证锂电池自身达到很高的安全性；外部消防设备多以扑灭明火为主，由于锂电池储存能量高，内部化学反应难以阻断等原因，很难杜绝二次复燃，连锁反应等严重后果。


技术实现要素：

8.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于高沸点防爆液的防爆电池，能够有效避免电池热失控的情况的发生。
9.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.第一方面，本发明提供一种高沸点防爆液，所述防爆液包括：六氟丙烯和减水剂。
11.进一步地，在上述高沸点防爆液中，所述六氟丙烯为六氟丙烯三聚体。
12.进一步地，在上述高沸点防爆液中，还包括荧光指示剂。
13.本发明通过使用荧光指示剂可以快速定位泄漏点。
14.进一步地，在上述高沸点防爆液中，所述防爆液还包括全氟酮和/或全氟聚醚。
15.进一步地，所述全氟酮的碳原子数量为6～8；更优选为全氟己酮；优选地，所述全氟聚醚为全氟聚醚yr-1800。
16.进一步地，在上述高沸点防爆液中，所述防爆液包括：
17.80-90重量份的六氟丙烯，10-20重量份的全氟酮和/或全氟聚醚，0.1-0.5重量份的减水剂。
18.进一步地，在上述高沸点防爆液中，所述防爆液还包括：0.1-1重量份的荧光指示剂。
19.进一步地，在上述高沸点防爆液中，所述减水剂为五羟基酸钠。
20.进一步地，在上述高沸点防爆液中，所述荧光剂为油性荧光剂。
21.本发明优选实施方案中所用的减水剂五羟基酸钠可以少量的溶于有机溶剂中，可以去除防爆液制备过程中可能含有的少量水分，提高纯度，增加所述防爆液的绝缘性。
22.进一步地，在上述高沸点防爆液中，所述防爆液的沸点为100-130℃；优选地，所述防爆液的比热容为1000-1200j/kg℃；优选地，所述防爆液的表面张力为16-17mn/m；优选地，所述防爆液的击穿电压为70-80kv。
23.第二方面，本发明提供上述高沸点防爆液的制备方法，所述方法依次包括以下步骤：
24.步骤1：按照上述原料配比称取原料，将原料中的氟化物加入反应容器中并混匀；
25.步骤2：加入减水剂，混匀后静置。
26.进一步地，在上述制备方法中，还包括步骤3：加入荧光指示剂并静置。
27.进一步地，在上述制备方法中，步骤2中的静置温度为20-40℃；优选地，步骤2中的静置时间为20-40min；更优选为30min。
28.进一步地，在上述制备方法中，步骤3中的静置温度为20-40℃；优选地，步骤3中的静置时间为20-40min；更优选为30min。
29.第三方面，本发明提供上述高沸点防爆液在防爆封装结构中的应用；优选地，所述防爆封装结构为浸入式电池封装结构。
30.第四方面，本发明提供一种基于本发明第一方面所述的高沸点防爆液的防爆电池，所述防爆电池采用防爆封装结构，所述防爆封装结构封装电芯，所述防爆封装结构包括：箱体，所述电芯设于所述箱体中，所述箱体内承载有防爆液，所述防爆液的液面高度高于所述电芯；固定机构，所述固定机构设于所述箱体中，所述电芯通过所述固定机构与所述箱体的下壁连接；其中，所述电芯与所述箱体的侧壁之间具有间隙；所述防爆液包括：80-90重量份的六氟丙烯三聚体，10-20重量份的全氟酮和/或全氟聚醚，0.1-0.5份的减水剂，以及0.1-1重量份的荧光指示剂。
31.进一步地，所述防爆液的沸点为100-130℃；优选地，所述防爆液的比热容为1000-1200j/kg℃；优选地，所述防爆液的表面张力为16-17mn/m；优选地，所述防爆液的击穿电压为70-80kv。
32.进一步地，在上述的基于高沸点防爆液的防爆电池中，所述固定机构包括保护板、绑扎带和两个侧压板；两个所述侧压板相对于所述电芯对称设置，且两个所述侧压板与所述电芯的外表面相接触，所述绑扎带将两个所述侧压板和所述电芯绑扎，通过所述绑扎带使两个所述侧压板夹持住所述电芯；两个所述侧压板的下端与所述箱体的下壁连接，两个所述侧压板的上端与所述保护板连接，所述保护板上设有若干开孔。
33.进一步地，所述固定机构还包括第一固定件和第二固定件，所述第一固定件的一
端与所述箱体的一侧壁连接，所述第一固定件的另一端同时与所述保护板和一个所述侧压板连接；所述第二固定件的一端与所述箱体的一侧壁连接，所述第二固定件的另一端同时与所述保护板和两个所述侧压板连接。
34.进一步地，所述箱体包括盖板，所述盖板设于所述箱体的上端，所述盖板的上表面设有泄压孔，所述泄压孔上设有泄压法兰，所述泄压法兰和所述盖板之间设有第一胶垫，所述盖板与所述箱体之间设有第二胶垫。
35.进一步地，所述防爆液的液面与所述电芯顶端之间的高度差≥20mm。
36.进一步地，还包括液位控制器，所述液位控制器通过固定件设于所述箱体内，所述液位控制器能够检测所述箱体内的所述防爆液的液位。
37.进一步地，还包括连接器，所述连接器与所述箱体连接，所述连接器的输入端位于所述箱体内，所述连接器的输出端伸出至所述箱体外。
38.进一步地，所述箱体的下表面向外延伸有安装梁，所述安装梁上设有安装孔；所述箱体的内部设有横梁，另一个所述侧压板与所述横梁连接，所述电芯的底端和所述箱体之间设有第三胶垫。
39.进一步地，所述箱体的材质为钢。
40.进一步地，所述盖板上设有通孔，所述通孔上设有桶盖。
41.分析可知，本发明公开一种基于高沸点防爆液的防爆电池，本发明的防爆电池采用基于高沸点防爆液的浸入式电池封装结构，由于防爆液的等效体积比热大，并且布局结构合理，可满足运行期间电池的热一致性的均衡，防止级联热失控发生，从而防止爆炸。
42.本发明的防爆电池采用了浸没式防爆阻燃技术，从根本上实现了散热、均衡、阻燃防爆功能。本发明提供的防爆液具备优异的绝缘、阻燃、导热性能，直接浸没在电芯周围，当有异常情况导致电芯温度升高时，液体可以迅速带走热量。因此可以将连锁反应阻断，基本实现了锂电池的本质安全。
43.本发明提供的防爆液表面张力低，为16-17mn/m，很容易渗透进孔隙内，当外力撞击或内部压力升高导致电芯开裂或电芯安全阀打开，防爆液能快速渗透到电芯内部，起到降温、阻燃、隔离作用，终止电芯内部热失控反应，达到抑爆效果。
44.由于防爆液的高散热性能，有效的抑制了防爆电池中，浸没在防爆液里的锂电池电芯由于过充、短路等较温和方式导致的热失控。实验室进行了多次所述防爆电池(采用三元锂电池电芯组)过充、短路实验，均未出现热失控。由于所述防爆电池内部填充防爆液的高散热性能、高流动性，可使电池封装结构内的温度均匀循环，有效防止出现局部过热的现象，因此大幅提高防爆电池(锂电池电芯组)热均衡指标。相对传统风冷方式锂电池组，可延长电池组使用寿命50％以上。
45.本发明提供的防爆液具有绝缘、阻燃的特性，填充至防爆封装结构中，可实现其中电芯阻燃防爆功能，且该液体无毒无味，满足国家环保要求。本发明提供的防爆液与电池材料及其配件材料的相容性优异，包括塑料(聚丙烯pp、聚四氟乙烯ptfe、聚乙烯pe、聚氯乙烯pvc、苯乙烯abs、聚碳酸酯pc、聚酯pet、聚氨酯pu和尼龙66pa)、橡胶(氟橡胶fkm、三元乙丙橡胶epdm和丁晴橡胶nbr)和金属(铜箔片、铁丝、铝坩埚、铜坩埚和锡丝)。
附图说明
46.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
47.图1本发明一实施例的结构剖视示意图。
48.图2本发明一实施例的结构立体图。
49.附图标记说明：1、箱体；2、电芯；3、保护板；4、帮扎带；5、侧压板；6、第一固定件；7、第二固定件；8、盖板；9、泄压法兰；10、第一胶垫；11、第二胶垫；12、液位控制器；13、连接器；14、安装梁；15、横梁；16、桶盖。
具体实施方式
50.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
51.在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
52.实施例1-8和对比例1-4
53.按照下表1中的配比准备原料，将原料中的氟化物在烧杯中混合均匀得到混合液，取出备用；在混合液中加入减水剂，在25℃下，搅拌后，静置30min；最后加入荧光指示剂(0.5g)，充分搅拌后，在25℃下静置30min，制得所述高沸点防爆液。
54.实施例1-8和对比例1-4的防爆液的沸点、比热容、表面张力、击穿电压结果见下表1。
55.表1
[0056][0057][0058]
本发明的实施例制备得到的防爆液，其性能参数能够达到以下标准：沸点为100-130℃；比热容为1000-1200j/kg℃；表面张力为16-17mn/m；击穿电压为70-80kv。本发明基于高沸点防爆液的防爆电池具有以下有点：使防爆液各参数满足冷却、阻断电化学反应、高渗透性问题；采用基于高沸点防爆液的浸入式电池封装结构，由于防爆液的等效体积比热大，并且布局结构合理，可满足运行期间电池的热一致性的均衡，防止级联热失控发生，从而防止爆炸。
[0059]
所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”、“第三”以及“第四”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。
[0060]
如图1-图2所示，根据本发明的实施例，提供了一种基于高沸点防爆液的防爆电池，所述防爆电池采用防爆封装结构，所述防爆封装结构封装电芯2，防爆封装结构包括：箱体1，电芯2设于箱体1中，箱体1内承载有防爆液，防爆液的液面高度高于电芯2；固定机构，固定机构设于箱体1中，电芯2通过固定机构与箱体1的下壁连接；其中，电芯2与箱体1的侧壁之间具有间隙，通过使防爆液浸没电芯2，从而抑制了电池爆炸，箱体1在承载防爆液的同时也将电芯2封闭在密闭空间中，进一步提高了安全性。
[0061]
优选地，固定机构包括保护板3、绑扎带和两个侧压板5；两个侧压板5相对于电芯2
对称设置，且两个侧压板5与电芯2的外表面相接触，绑扎带将两个侧压板5和电芯2绑扎，通过绑扎带使两个侧压板5夹持住电芯2；两个侧压板5的下端与箱体1的下壁连接，两个侧压板5的上端与保护板3连接，保护板3上设有若干开孔，通过绑扎带能够有效地固定住电芯2，从而保证本发明的使用效果。
[0062]
优选地，固定机构还包括第一固定件6和第二固定件7，第一固定件6的一端与箱体1的一侧壁连接，第一固定件6的另一端同时与保护板3和一个侧压板5连接；第二固定件7的一端与箱体1的一侧壁连接，第二固定件7的另一端同时与保护板3和两个侧压板5连接，通过第一固定件6和第二固定件7进一步固定住侧压板5。
[0063]
优选地，箱体1包括盖板8，盖板8设于箱体1的上端，盖板8的上表面设有泄压孔，泄压孔上设有泄压法兰9，泄压法兰9和盖板8之间设有第一胶垫10，泄压孔作为保险手段，能够在箱体1内部压力过大时进行泄压，从而保证本发明的平稳运行。
[0064]
优选地，防爆液的液面与电芯2顶端之间的高度差≥20mm。
[0065]
优选地，还包括液位控制器12，液位控制器12通过固定件设于箱体1内，液位控制器12能够检测箱体1内的防爆液的液位，通过液位控制器12能够有效的监测和控制防爆液的液位，提高运行时的稳定性。
[0066]
优选地，还包括连接器13，连接器13与箱体1连接，连接器13的输入端位于箱体1内，连接器13的输出端伸出至箱体1外。
[0067]
优选地，箱体1的下表面向外延伸有安装梁14，安装梁14上设有安装孔，通过安装梁14方便箱体1与外部结构连接；
[0068]
箱体1的内部设有横梁15，另一个侧压板5与横梁15连接，横梁15给予另一个侧板额外支撑，从而使侧压板5更加稳定
[0069]
电芯2的底端和箱体1之间设有第三胶垫。
[0070]
优选地，箱体1的材质为钢，钢制的箱体1结构更强，防爆性能更好。
[0071]
优选地，盖板8上设有通孔，通孔上设有桶盖16，防爆液通过通孔加入至箱体1内，在防爆液加入完成后通过桶盖16密封住通孔。
[0072]
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：从原理上解决了化学储能电池的热一致性问题，在电芯热失控后及时阻止电池电化学反应以达到防爆效果，同时，本发明采用钢制的密封箱体1，具有较好的防爆抗压能力，当电芯2爆燃发生时能对周围起到一定的保护作用。本发明加入了防爆液，防爆液的表面张力极低，很容易渗透进孔隙内，当外力撞击或内部压力升高导致电芯2开裂或电芯2的安全阀打开，防爆液能快速渗透到电芯内部，起到降温、阻燃、隔离作用，终止电芯内部热失控反应，达到抑爆效果；由于内部填充防爆液的高散热性能、高流动性，可使所述封装结构内的温度均匀循环，有效防止出现局部过热的现象，因此所述封装结构可以大幅提高锂电池组热均衡指标。相对传统风冷方式锂电池组，可延长电池组使用寿命50％以上。将储能电池的电芯完全浸没到防爆液中，防爆液具备优异的绝缘、阻燃、导热性能，直接浸没在电芯周围，当有异常情况导致电芯温度升高时，液体可以迅速带走热量，同时将有毒气体吸收。可以将级联热失控连锁反应阻断，基本实现了储能电池阻燃防爆的功能。
[0073]
与现有技术相比，本发明防爆电池采用基于高沸点防爆液的浸入式电池封装结构，由于防爆液的等效体积比热大，并且布局结构合理，可满足运行期间电池的热一致性的
均衡，防止级联热失控发生，从而防止爆炸。
[0074]
检测例1：
[0075]
委托中国电子科技集团公司第十八研究所进行了本技术基于高沸点防爆液的防爆电池样机的抗穿刺试验。采用相同批次的三元锂电芯，分为两组进行抗穿刺试验，第一组样机灌入本技术实施例1中制备的防爆液，第二组样机不灌入防爆液，将电池模块按规定充满电后，使用直径3mm的钢针沿径向刺穿电池模块中的第一节电芯(共四节电芯)。
[0076]
试验结果：第一组样机进行穿刺后冒出少量白烟，液体沸腾，10分钟后反应基本结束，第一节电芯烧毁，其余三节电芯外观完好且电压正常。第二组样机进行穿刺后冒出浓烟，10分钟内四节电芯完全烧毁。
[0077]
试验结果表明：未灌注防爆液的样机穿刺后剧烈反应，很快波及到未穿刺的电芯部分，导致所有电芯烧毁严重；灌注防爆液的样机穿刺后只有轻微反应，且能量大部分被防爆液汽化热带走，未穿刺的3个电芯外观良好，电气参数正常，没有受到任何影响。电池箱体内填充的防爆液，降低了电池爆炸反应的剧烈程度，缩短了电池爆炸反应的时间，保证未被穿刺电芯不受爆炸影响。防爆液吸收了电池穿刺短路爆炸所产生的急剧上升的压力，保护箱体。同时还防爆液还吸收了大部分电池爆炸反应所产生有害烟尘及固态颗粒。
[0078]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。