CN111883715A - 一种电池保护隔板及电池组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电池保护隔板及包含该电池保护隔板的电池组，所述电池保护隔板包括刚性支撑件和两个弹性片，弹性片为弧形结构，刚性支撑件两端分别与所述弹性片的端部连接，刚性支撑件和所述弹性片之间形成一个封闭空间，所述电池组包括上述的电池保护隔板，所述电池保护隔板将电池之间独立分隔，在电池的生命周期内，有效的调节和控制电芯之间的间隙和压力，保证电池拥有充分的膨胀空间，避免电池由于膨胀而直接相互挤压造成的不可控变形；且每个电池之间都有独立的热环境，能够有效的阻隔电池之间的热扩散，防止电池发生热失控时的火焰蔓延。

Description

一种电池保护隔板及电池组

技术领域

本发明涉及电池防护技术领域，尤其涉及一种电池保护隔板及包含该电池保护隔板的电池组。

背景技术

随着现代社会中环境保护和能源短缺问题的日益突出，越来越多的交通、运输和工程车辆开始采用节能及清洁能源技术，如混合动力、纯电动驱动和燃料电池技术等。其中二次电池特别是锂离子电池，作为核心的动力来源，得到了非常广泛的实际应用。与此同时，对于锂离子电池安全和寿命的要求也越来越高。在众多需要考虑的问题中，电池体积变化和热扩散是两个非常重要的关键点。

首先，锂离子电池在充放电过程中会发生明显的体积变化，这是构成锂离子电池的材料的本质特性所决定的。例如最为常用的锂离子电池负极材料石墨，从放电态到满电态会发生7％-10％左右的体积膨胀，三元锂离子电池的正极材料锂镍锰钴氧，从放电态到满电态也会发生5％-10％左右的体积膨胀。而含硅负极材料的体积变化更为剧烈。另外，锂离子电池在循环使用过程中发生的副反应会产生一定的气体，同样会使电池内压增大，并加剧电池的体积变化。其中，由于电池两端结构件如盖板等的限定作用，电池的体积变化更易于呈现在电池侧面的中间部位，即越靠近侧面的中心位置，变形越大。

电池的体积变化会在相互紧贴的单体电池间产生很大的、不可控的挤压力，造成电池壳体和内部极芯不可控的变形，影响隔膜和正负极片之间的间距，导致阻抗上升、循环寿命下降和锂枝晶析出等严重问题。尤其锂枝晶析出极易形成正负极之间的内部短路，引发热失控，造成严重的安全事故。然而，对电池侧面施加一定限度并且可控的约束力仍是非常必要的。这样可以避免电池处于自由膨胀状态时隔膜和正负极片之间的间距变大，从而导致的阻抗上升、循环寿命下降等问题。

为了避免单体电池间挤压力的影响，目前电池行业内普遍采用电池模组整体约束，并在单体电池间设置一定间隙的方法，给电池预留充足的形变空间。但这种方法存在以下缺点：1、电池处于放电态或部分放电态时，单体电池间留有间隙，存在上述电池处于自由膨胀状态时的不良影响；2、为保持各单体电池的紧固，预留的间隙通常依赖于填充材料如绝热隔板本身的弹性形变即压缩量，如设置不合理，电池处于充电态时仍有可能出现很大的、不可控的挤压力，带来上述的不良影响；3、间隙填充材料的可压缩量有限，为保证预留的形变空间，间隙填充材料所需的厚度较大，会影响电池模组整体的体积能量密度；4、电池在反复循环使用过程中，如间隙填充材料的回弹性能发生老化和变化，电池间仍有出现间隙的可能性；5、间隙填充材料的变形不能很好地符合电池侧面中心位置变形大的特点。

其次，锂离子电池在受到滥用或内部存在制造缺陷时，正极和负极之间会发生内部短路产生大量热量，并由此引发电池内部组分之间的多种副反应，进一步产生更多的热量和气体，造成电池内部温度和压力急剧上升，最终导致电池发生起火和爆炸。这个过程称为锂离子电池的热失控。常见的滥用情况包括机械滥用如穿刺/挤压/撞击、热滥用如加热/火烧和电滥用如过充/过放/外部短路等。热失控被认为是导致锂离子电池发生严重安全事故的根本原因。

各种锂离子电池驱动的纯电动车辆及混合动力车辆中，锂离子电池组是由多个单体电池进行串联(或并联及串联)构成的高电压系统。如果单体电池发生热失控所产生的热量能够迅速地向电池组内的其他单体电池传递，就会迅速引发连锁反应，造成其它单体电池的热失控，这就是锂离子电池的热扩散和热蔓延。所以为了提高锂离子电池组的安全性，必须对单体电池之间的热扩散进行有效的隔离，阻止电池组内的热蔓延。

因此，有必要提供一种电池保护隔板及包含该电池保护隔板的电池组以解决现有技术中存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电池保护隔板及包含该电池保护隔板的电池组，以解决锂离子电池受热膨胀发生不可控变形的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种电池保护隔板，包括刚性支撑件和两个弹性片，所述弹性片为弧形结构，所述刚性支撑件和两个所述弹性片之间形成一个封闭空间。

其有益效果在于：采用刚性支撑件和弹性片组成防火隔板将电池组内的电池分隔开来，利用弹性片的弹性作用，在整个电池使用生命周期中，弹性片通过弹性作用直接对电池外部产生作用力，从而有效的调节和控制电芯之间的间隙和压力，保证电池拥有充分的膨胀空间，避免电池由于膨胀而直接相互挤压造成的不可控变形。

作为优选的方式，还包括防火复合层，所述防火复合层至少设置在所述一个弹性片外表面上。而在电池表面发生过热或者出现火势的时候，整个隔板靠近电池的外壁表面上的防火复合层直接隔绝热量，并阻断火势传播，保证相邻电池之间不会受到热传播的影响。

在一种可能的实现方式中，所述弹性片的中间位置处设置接触部，在所述电池充放电发生形变时，所述接触部与所述电池中间部位优先接触。在电池充放电发生形变时，由于弹性片中间的接触部和电池中间部位优先接触，在弹性片发生形变的时候接触部优先形变并产生作用力，使得弹性片对电池中间部位产生的作用力最大，而电池在充放电过程中，主要是电池中间部位对外部的膨胀作用力最大，通过弹性片的接触部对电池中间部位直接产生最大的作用力，对电池起到限制作用，而后续过程中弹性片的其余部位分别和电池接触并产生作用力，保证电池发生形变后整体的稳定性。

在一种可能的实现方式中，所述弹簧钢片内壁设置有多个凹陷孔状结构。由于弹簧钢片内壁的凹陷孔状结构，增大了封闭空间的体积，使得在电池过热产生火源之后，封闭空间内的真空体积或者惰性气体体积增大，对火源的阻燃能力提高，从而提高了封闭空间的阻燃效果，也可以填充一些有抗拉弧性质的气体如SF6等或者其它非金属材料，保证隔热或抗拉弧的效果。

在一种可能的实现方式中，所述刚性支撑件上设置有充气口。其有益效果在于：方便对封闭空间内部进行抽气或者充气处理。

在一种可能的实现方式中，所述封闭空间内部填充有惰性气体或者抽真空。在电池发生热失控而在电池之间出现火势的时候，惰性气体通过隔绝氧气的方式进行阻燃防护，阻止火势蔓延，对电池之间起到防火阻燃的作用；在电池发生热失控而在电池之间出现火势的时候，由于封闭空间内为真空状态，由于真空状态缺乏氧气，可及时阻止火势蔓延，对电池之间起到防火阻燃的作用。

在一种可能的实现方式中，所述弹性片具体包括弹簧钢片，此处实现方式不仅限与弹片形式，也可以是板材加上弹片形式，主要是可以实现类似的功能。

在一种可能的实现方式中，所述弹簧钢片和所述刚性支撑件之间采用焊接的方式固定在一起。

在一种可能的实现方式中，所述防火复合层包括由内到外依次设置的绝热层和防火绝缘层，所述绝热层和所述防火绝缘层之间固定贴合。其有益效果在于：防火复合层的绝热层和所述防火绝缘层将电池组内的电池隔离开来，一方面防火复合层本身直接每个电池单独隔离开来，构建每个电池独立的热环境，有效地阻隔电池之间的热扩散，而另一方面在火势蔓延至靠近防火复合层的时候，绝热层隔绝热量，而防火绝缘层阻止火源燃烧，从而防止电池热失控时的火势蔓延至其它电池。

本发明还公开了一种电池组，包括电池及上述的电池保护隔板，所述电池保护隔板将电池之间独立分隔。

附图说明

图1为本发明的防火隔板竖直截面结构示意图；

图2为本发明的隔板与现有技术中的隔板应用在电池组上时电池容量保持率和循环次数之间的对比关系图。

图中：1-刚性支撑件；2-弹性片；3-防火复合层；4-封闭空间；5-充气口；301-绝热层；302-防火绝缘层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

如图1所示，针对现有技术存在的问题，本发明的实施例提供了一种电池保护隔板，包括刚性支撑件1、弹性片2和防火复合层3，所述弹性片2为弧形结构，所述刚性支撑件1和所述弹性片2之间形成一个封闭空间4，所述防火复合层3设置在所述弹性片2外壁的弧形表面上；在电池全生命周期内，有效地调节和控制单体电池之间的间隙和压力，保证单体电池拥有充分的膨胀空间，并始终受到可控的约束力，这样既能够避免壳体和内部极芯由于膨胀而直接相互挤压造成的不可控的变形，又能够避免电池处于自由膨胀状态时隔膜和正负极片之间的间距变大，并且通过这种保护隔板构建每个单体电池独立的热环境，有效地阻隔电池之间的热扩散，防止单体电池发生热失控时的热蔓延和火焰蔓延。

本例中，上述防火复合层3为优选的结构，其至少设置在所述一个弹性片2外表面上。作为进一步优选的方式，如图中所示，优选在两个弹性片2的外表面上均设置防火复合层3。

本例中的刚性支撑件1是口字型的中空框型结构，其可以一体成型，也可以由多个支撑块拼接而成。该刚性支撑件也可以是中空的管状件作为构件拼接而成。

在本实施例中，位于两个弹性片2上下两端的两个刚性支撑件1之间组成一个稳定的隔板结构，将位于电池组内的单个电池隔离开来，刚性支撑件1用于支撑整个隔板结构，在弹性片2受到挤压发生形变的时候，保证隔板结构的内部尺寸不变；而在弹性片2本身的弹性作用下，当被隔离的电池发生膨胀形变的时候，弹性片2对电池外壁产生作用力，使得电池在使用循环的过程中外压力始终一致，从而根据电池本身的膨胀或者形变程度，弹性片2在弹性作用下自适应地调节和控制电池之间的间隙和压力，保证电池拥有充分的膨胀空间，避免电池由于膨胀而直接相互挤压造成的不可控的变形，保证电池内部隔膜和极片之间的间距，延长电池使用寿命，避免出现电池短路安全问题。

在具体实施例中，将本技术方案中的隔板与现有技术中的隔板进行比较，在电池经过一定次数的循环之后，电池的容量保持率对比图如图2所示，由此可见，本发明的隔板对电池容量具有良好的保护作用，电池组在多次使用后具有良好的容量保持率，电池性能良好且稳定。

需要说明的是，本发明的保护隔板对电池进行保护的时候，相对于现有技术的隔板，本发明的隔板在满电状态和放电状态时的阻抗更小，相对于现有技术电池的容量更大，性能更好，以48V，100Ah模组的电池为例，计算满电态和放电态下的电池阻抗参数，具体的阻挡对比如下表格所示：

48V100Ah模组	常规隔板	本发明
			阻抗(满电态)	7.81	7.45
阻抗(放电态)	8.45	7.93

需要说明的是，本申请方案中的刚性支撑件1主要用于支撑整个隔板，其中的刚性主要是指材料结构在外力作用下不发生变形的能力，即抗变形的能力，常见的金属、合金材料均可以满足要求，如铝合金，不锈钢材料，钛合金，铜合金等，也可以用其它有类似强度的非金属材料。

优选的是，本实施例中的刚性支撑件1主要用于支撑整个隔板结构，保证相邻的电池之间减少热传递，其厚度控制在一定范围，实现隔离防火的同时，又可以减少厚度，减小整体结构的体积大小。

进一步的，防火复合层3本身主要是起到隔热、防火和绝缘的作用，防火复合层3作为外层结构设置在整个隔板结构的最外层，在电池发热或者热失控的时候，将相邻电池之间的热量隔绝，避免热量相互传递而出现多个电池发热或者热失控的情况，在出现火焰的时候及时切断火源周围的传播路径，将整个电池组的受损情况降到最低，对整个电池组起到热保护作用。

优选的是，所述防火复合层3包括用于隔绝热量的绝热层301和用于电池防火阻燃的防火绝缘层302，所述绝热层301和所述防火绝缘层302之间固定贴合，绝热层301和防火绝缘层302由内到外依次设置。

绝热层301采用隔热材料，主要用于防止热失控导致的热量的传递，在电池产生的热量靠近整个隔板外表面的时候，绝热层301隔绝热量的传递，降低后续燃烧的风险；而防火绝缘层302主要起到防火绝缘的作用，即使产生火源，在防火绝缘层302的阻挡作用下，在火源的传播路径上进行阻燃，从而在电池出现火源的时候避免火势扩大。

在本方案的一实施例中，所述绝热层301可以是采用硅气凝胶，硅气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的传播，其固态热导率比相应的玻璃态材料低2—3个数量级。纳米微孔洞抑制了气体分子对热传导的贡献。硅气凝胶的折射率接近l，而且对红外和可见光的湮灭系数之比达100以上，能有效地透过太阳光，并阻止环境温度的红外热辐射，成为一种理想的透明隔热材料，在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用。通过掺杂的手段，可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导，常温常压下掺碳气凝胶的热导率可低达0.013w/m·K，是热导率最低的固态材料。掺入二氧化钛可使硅气凝胶成为新型高温隔热材料，800K时的热导率仅为0.03w/m·K。

而防火绝缘层302是用来隔绝火源的，具有防火绝缘性能的材料均可使用。

在本实施方案中，防火绝缘层302具体采用氯化橡胶，氯化橡胶是指天然橡胶经氯化的产物，含氯量在65％的三氯化物和四氯化物的混合物。氯化橡胶与具有类似线性低极性的醇酸树脂混容性好，一般含54％以上脂肪酸的醇酸树脂与氯化橡胶在芳香烃稀释剂中相容性更好。

氯化橡胶是由天然橡胶或合成橡胶经氯化改性后得到的氯化高聚物之一。由于它具有优良的成膜性、粘附性、抗腐蚀性、阻燃性和绝缘性，可广泛用于制造胶粘剂、船舶漆、集装箱漆、化工防腐漆、马路划线漆、防火漆、建筑涂料及印刷油墨。

利用氯化橡胶的阻燃和绝缘性能，在电池出现火势的时候进行阻燃，阻断火势的传播，对电池组起到保护作用。

在本方案的一实施例中，在电池充放电的过程中在电池充放电的过程中，所述弹性片的中间位置处设置有与所述电池靠近的接触部(图中未标出)，在所述电池充放电发生形变时，所述接触部与所述电池中间部位优先接触。

在电池充放电发生形变时，由于弹性片中间的接触部和电池中间部位优先接触，在弹性片发生形变的时候接触部优先形变并产生作用力，使得弹性片对电池中间部位产生的作用力最大，而电池在充放电过程中，主要是电池中间部位对外部的膨胀作用力最大，通过弹性片的接触部对电池中间部位产生最大的作用力，与电池中间部位的作用力相互作用，从而对电池起到限制作用，保证电池发生形变后的稳定性。

进一步的，由于电池电芯在充放电过程中，主要是电池的中间处的作用力最大，因此通过将弹性片2设计成在一定范围弧度的弧形结构，在接触部保证电池中间所受的力最大的同时，弹性片2的其余部位产生均匀的形变作用力，对电池充放电的形变起到限制作用，在电池发热产生形变的时候，保证电池其余部位受力均匀。

在本实施例中，所述弹性片2可以是弹簧钢片，而弹簧钢一般是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢，其具有优良的综合性能，弹簧钢具有优良的冶金质量(高的纯洁度和均匀性)、良好的表面质量(严格控制表面缺陷和脱碳)、精确的外形和尺寸。

当弹性片2采用弹簧钢片时，由于弹簧钢本身具备的弹性和刚性，当外部电池发生形变的时候和弹簧钢片接触，在保证产生弹性作用力的同时，也使得整个隔板结构保持稳定，并且在整个隔板表面发生变形之后可以快速反弹复位。

所述弹簧钢片和所述刚性支撑件1之间可以是采用焊接的方式固定在一起，即弹簧钢片和刚性支撑件1之间是固定安装的，保证整个隔板结构的稳定性，其安装方式包括但不限于焊接，仅用于将弹簧钢片和刚性支撑件1固定起来，其它合适的固定方式均可以应用于本方案中。

作为优选的实施方式，所述封闭空间4内部填充有惰性气体，当外部的电池因为热失控出现火焰的时候，封闭空间4内部填充的惰性气体进一步起到隔热或者灭火的作用，避免火焰在电池周围传播。

作为优选的实施方式，将所述封闭空间4内部抽真空，其产生的作用与上述相同，均是为了隔热灭火，此处不再赘述。

所述封闭空间上的任意一个所述刚性支撑件上设置有充气口5，用于抽出或者充入气体，方便进行抽真空或者注入惰性气体。

在本实施例中，所述弹簧钢片内壁设置有多个凹陷孔状结构(图中未画出)，由于本申请方案中的弹簧钢片是通过其弹性作用对周围的电池进行保护，避免电池因为膨胀挤压造成不可控的变形，而在发生热失控而产生火源的时候，热量显然会传输到两个弹簧钢片之间的封闭空间4内部，通过在弹簧钢片内壁设置凹陷孔状结构，增大整个封闭空间4的体积，使得在电池过热产生火源之后，封闭空间内的真空体积或者惰性气体体积增大，对火源的阻燃能力提高，从而提高封闭空间的隔热效果以及防火效果，增强对于电池组内电池的保护作用。

作为一种优选的实施方案，所述凹陷孔状结构表面开口处设置有阻燃涂层，在发生热失控而出现火势蔓延时，火源与阻燃涂层接触之后，由于阻燃涂层具有较高的耐热性和阻燃性，本身不易燃烧，从而增大封闭空间对于火源的阻燃效果，对相邻的电池之间起到保护作用；通过凹陷孔状结构开口处的阻燃涂层，以分布散点的形式进行阻燃，从而扩大阻燃路径，增强对于电池组内电池的保护作用。

本发明还公开了一种电池组，包括上述的电池保护隔板，所述电池保护隔板将电池之间独立分隔，在电池全生命周期内，有效地调节和控制单体电池之间的间隙和压力，保证单体电池拥有充分的膨胀空间，并始终受到可控的约束力；既能够避免壳体和内部极芯由于膨胀而直接相互挤压造成的不可控的变形，又能够避免电池处于自由膨胀状态时隔膜和正负极片之间的间距变大，构建每个单体电池独立的热环境，有效地阻隔电池之间的热扩散，防止单体电池发生热失控时的热蔓延和火焰蔓延。

虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。

Claims (10)

1.一种电池保护隔板，其特征在于，包括刚性支撑件和两个弹性片，所述弹性片为弧形结构，所述刚性支撑件和两个所述弹性片之间形成一个封闭空间。

2.根据权利要求1所述的一种电池保护隔板，其特征在于，还包括防火复合层，所述防火复合层至少设置在所述一个弹性片外表面上。

3.根据权利要求1所述的一种电池保护隔板，其特征在于，所述弹性片的中间位置处设置有接触部，在电池发生形变时，所述接触部与所述电池的中间部位优先接触。

4.根据权利要求1所述的一种电池保护隔板，其特征在于，所述弹性片位于所述封闭空间内部的内壁表面上设置有多个凹陷孔状结构。

5.根据权利要求1所述的一种电池保护隔板，其特征在于，所述刚性支撑件上设置有充气口。

6.根据权利要求5所述的一种电池保护隔板，其特征在于，所述封闭空间内部填充有惰性气体或抽真空。

7.根据权利要求4所述的一种电池保护隔板，其特征在于，所述弹性片包括弹簧钢片。

8.根据权利要求7所述的一种电池保护隔板，其特征在于，所述弹簧钢片和所述刚性支撑件采用焊接的方式固定在一起。

9.根据权利要求2所述的一种电池保护隔板，其特征在于，所述防火复合层包括由内到外依次设置的绝热层和防火绝缘层，所述绝缘层与所述弹性片靠近电池外壁一侧的弧形表面相互贴合，所述绝热层和所述防火绝缘层之间固定贴合。

10.一种电池组，其特征在于，包括两个以上的电池及如权利要求1至9任一所述的电池保护隔板，所述电池保护隔板将电池之间独立分隔。

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