基于端面压力放大的锂电池热失控蔓延阻断装置和方法

本发明涉及锂离子动力电池热失控与热安全领域，尤其是涉及一种基于端面压力放大的锂电池热失控蔓延阻断装置和方法。

背景技术：

1、锂离子动力电池凭借其比能量、循环寿命等方面的优势在交通运输、消费类电子产品、储能系统中已获得广泛认可和量产利用。然而，随着市场和用户对电池能量密度持续提出更高的要求，采用高镍三元正极材料的高比能电池热稳定性有所降低，大大增加了热失控引发的安全事故风险。因此，电动汽车、储能电站的发展需求对锂离子电池系统的热安全的预警与防护设计提出了更高的要求。

2、目前，对锂离子电池系统热失控蔓延防护的方法主要有三种，一是基于液冷系统散热延缓的方法；二是基于电池单体间隔热的方法；三是基于电池热失控后消防灭火的方法。

3、对于锂离子电池系统热失控蔓延的安全防护，大多存在“散热效率不足”、“不计成本”、“滞后”等特点，且电池系统火灾存在“复燃”现象，目前没有较好的可推广的方法。

4、此外，因为热失控过程反应机理非常复杂，不同材料体系电池间存在较大差异，目前尚无较为可靠的普适性安全防护方法。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种基于端面压力放大的锂电池热失控蔓延阻断装置和方法，实现热失控过程中的自主散热，且具有普适性。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于端面压力放大的锂电池热失控蔓延阻断装置，包括由多个锂电池单体规律排布构成的锂电池组，还包括：

4、下端底板、与下端底板通过弹簧支撑连接的上端盖板、设于下端底板与上端盖板之间的夹具右侧端板和夹具左侧端板，以及力放大结构；

5、所述力放大结构包括第一锲块、第二锲块和第三锲块，其中，第二锲块为圆柱锲块；第一锲块的第一侧边与锂电池组的一端接触，第二侧边与下端底板接触并作为支撑边，使得第一锲块被下端底板稳定支撑，第三侧边与第二锲块相切接触；第三锲块的第一侧边与上端盖板接触并支撑，第二侧边与第二锲块点接触且于交点处固定连接；

6、所述锂电池组与下端底板接触且被支撑，锂电池组的另一端与夹具左侧端板接触；

7、夹具右侧端板与第二锲块点接触，且沿下端底板和上端盖板滑动。

8、所述下端底板与上端盖板平行。

9、所述装置还包括设于下端底板中的液冷系统，用于辅助热失控蔓延阻断。

10、所述装置还包括设于锂电池组一端的单体电池表面的压力传感器，用于锂电池失效的早期预警。

11、所述第一锲块横截面为梯形或三角形。

12、所述第三锲块的横截面为直角三角形，且第一侧边为直角边，第二侧边为斜边。

13、一种基于端面压力放大的锂电池热失控蔓延阻断方法，基于如上述所述的装置实现，所述方法包括以下步骤：

14、步骤1)锂电池组发生单体热失控；

15、步骤2)热失控过程中，锂电池因热膨胀-产气导致电池向四周挤压、扩展；

16、步骤3)膨胀力经力放大结构放大作用于夹具端板；

17、步骤4)放大后的膨胀力撑开夹具端板使得锂电池单体间间距增大；

18、步骤5)电池单体间传热减弱，实现热失控蔓延阻断。

19、所述热失控由锂电池过热、过充、过放、机械失效或内短路引发。

20、所述力放大结构对膨胀力的放大倍数为：

21、a＝cotαcotβ+1

22、其中，α为第一锲块的第三侧边与下端底板形成的锐夹角，β为第三锲块的第二侧边与第二锲块的交点处的切线与竖直线的锐夹角。

23、所述夹角α和β被设计为：正常工况下电池膨胀不会经放大撑开夹具，当锂电池失控时能够及时撑开夹具，实现热失控蔓延阻隔。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、(1)结构简单：本发明利用传统力学结构设计，便于安装、维护；

26、(2)成本低：本发明仅需在保证构件强度的前提下进行简单的机械加工，构件可采用中空结构特点，且无精密表面处理等要求，加工装配简单方便；

27、(3)迁移性好：本发明可结合端面压力传感器进行电池系统排布方向任意一节电池热失控安全预警；

28、(4)稳定性好：本发明基于电池自身热失控过程演变机制，利用电池失效过程自身特点发挥作用，能够在发生热失控时稳定的实现阻隔。

29、(5)普适性：本发明可满足各种封装方式、容量大小、材料体系电池的热失控蔓延阻断安全防护，适用范围广。

技术特征：

1.一种基于端面压力放大的锂电池热失控蔓延阻断装置，包括由多个锂电池单体规律排布构成的锂电池组(5)，其特征在于，还包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于端面压力放大的锂电池热失控蔓延阻断装置，其特征在于，所述下端底板(1)与上端盖板(2)平行。

3.根据权利要求1所述的一种基于端面压力放大的锂电池热失控阻断装置，其特征在于，所述装置还包括设于下端底板(1)中的液冷系统，用于辅助热失控蔓延阻断。

4.根据权利要求1所述的一种基于端面压力放大的锂电池热失控蔓延阻断装置，其特征在于，所述装置还包括设于锂电池组(5)一端的单体电池表面的压力传感器(6)，用于锂电池失效的早期预警。

5.根据权利要求1所述的一种基于端面压力放大的锂电池热失控蔓延阻断装置，其特征在于，所述第一锲块横截面为梯形或三角形。

6.根据权利要求1所述的一种基于端面压力放大的锂电池热失控蔓延阻断装置，其特征在于，所述第三锲块的横截面为直角三角形，且第一侧边为直角边，第二侧边为斜边。

7.一种基于端面压力放大的锂电池热失控蔓延阻断方法，其特征在于，基于如权利要求1-6中任一所述的装置实现，所述方法包括以下步骤：

8.根据权利要求1所述的一种基于端面压力放大的锂电池热失控蔓延阻断方法，其特征在于，所述热失控由锂电池过热、过充、过放、机械失效或内短路引发。

9.根据权利要求1所述的一种基于端面压力放大的锂电池热失控蔓延阻断方法，其特征在于，所述力放大结构对膨胀力的放大倍数为：

10.根据权利要求1所述的一种基于端面压力放大的锂电池热失控蔓延阻断方法，其特征在于，所述夹角α和β被设计为：正常工况下电池膨胀不会经放大撑开夹具，当锂电池失控时能够及时撑开夹具，实现热失控蔓延阻隔。

技术总结
本发明涉及一种基于端面压力放大的锂电池热失控蔓延阻断装置和方法，其中装置包括锂电池组、下端底板、与下端底板通过弹簧支撑连接的上端盖板、设于下端底板与上端盖板之间的夹具端板，以及力放大结构；当锂电池组热失控膨胀时，膨胀力经力放大结构放大后撑开夹具端板，实现热失控蔓延阻断。与现有技术相比，本发明具有结构简单、稳定性好等优点。

技术研发人员：陈思琦,魏学哲,戴海峰
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13