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CN114221051A - 一种用于锂离子电池成组的多功能集流片 - Google Patents

一种用于锂离子电池成组的多功能集流片 Download PDF

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CN114221051A
CN114221051A CN202010922123.6A CN202010922123A CN114221051A CN 114221051 A CN114221051 A CN 114221051A CN 202010922123 A CN202010922123 A CN 202010922123A CN 114221051 A CN114221051 A CN 114221051A
Authority
CN
China
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battery
current collector
electrode
short circuit
thermal runaway
Prior art date
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Pending
Application number
CN202010922123.6A
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English (en)
Inventor
雷立旭
于永斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huizhou Juding Electronics Co ltd
Original Assignee
Huizhou Juding Electronics Co ltd
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Publication date
Application filed by Huizhou Juding Electronics Co ltd filed Critical Huizhou Juding Electronics Co ltd
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

本发明公开了一种用于锂离子电池成组的多功能集流片，其第一功能是，当电池包中一个单体电池发生因为诸如锂枝晶导致的内短路时，该内短路不会构成电池包内与之并联的其它电池外短路回路，从而杜绝相应的热失控扩散和电池包火灾发生；该集流片的第二功能是，在发生内短路故障时，立即向电池管理系统上报，以便得到及时的电池维护。所述集流片由用于连接电池电极的导电端子、正温度系数(PTC)导电材料、汇流电极和异常情况传感器构成，可直接用于多个单体电池的并联和串联，具有成本低，显著提高锂离子电池安全性能的优点。

Description

一种用于锂离子电池成组的多功能集流片
技术领域
本发明涉及一种用于锂离子电池成组的多功能集流片及其制造技术，属于动力电池工程技术领域。
背景技术
二次电池是各种无线移动应用的电源。限于制造和应用技术，通常在大功率、长续航应用中，必须使用多个电池串并联之后使用。锂离子电池有一个问题，就是在长期使用过程中，会在负极上逐渐形成锂枝晶。当锂枝晶穿透隔膜与正极直接接触时，就会形成内短路而自放电，导致电池大量放热。尤其重要的是，对于其它与之并联的电池，这个锂枝晶就提供了一个电流回路，相当于使它们外短路。因此，一个电池因为锂枝晶导致的热失控可能会传播到其它与之并联的电池中，导致遍及全部并联电池组的大范围热失控。这个大范围热失控因为释放的热量大，还会诱发临近电池组的热失控，因此整个电池包集体热失控，严重时会引起起火爆炸。附图1图示了如上由一个内短路电池导致的，逐渐扩散到整个电池包的电路原理图。应该指出的是，当电池被使用时，也就是当用电器被接通时，会让如上过程变本加厉。
因此，必须发现一种有效的阻断上述热失控机理的技术手段。到现在为止，已有在电池管理系统中使用热敏电阻来阻止热失控的尝试，但是屡屡发生的火灾说明这种保护应该是不够的。鉴于此，我们发明了一种能作用于每个单体电池的多功能集流片及其制法。
本发明的原理是：使用正温度系数(PTC)热敏电阻防止因为短路产生的过热和过流，使用电流传感器感知过流过程的发生并上报电池管理系统，提醒维护人员及时维护或更换发生过故障的单体或电池组。
正温度系数热敏电阻，特别是由高聚物和导电材料构成的热敏电阻具有一种特性，就是当温度升高到一定值时，其电阻会突然增加，而且这种变化是可逆的。因此当正温度系数热敏电阻与电池串联并十分靠近电池时，若电池温度升高到限定值时，受热敏电阻阻值大幅度升高的影响，电池的输出功率不得不大幅度下降，从而使电池的产热下降、温度下降。此外，由于热敏电阻具有一定的电阻，因此在电流过大时电阻本身的放热也会导致热敏电阻启动，电阻加大，因此也有限流作用。
此外，由于热敏电阻具有自恢复的能力，当温度下降时又成为导通状态，因此，如果不能把曾经发生过，但没有造成严重后果的热失控记录在案，有可能使发生故障的电池养虎成患，因此，本发明所述的多功能集流片也包括了一个电流传感器，用于检测集流片上流过的电流。当电流超出正常值时，向电池管理系统报告。
所有这些，构成了本发明的技术基础。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种防止锂离子电池发生因为锂枝晶或异物穿刺产生的电池内短路引起的热失控及爆炸起火；本发明的第二目的是提供一种向电池管理系统监测和上报因为上述原因导致的过流故障的技术。
技术方案：本发明所述的锂离子电池成组技术用的多功能集流片由正温度系数热敏电阻、电流传感器和电极片等装配而成。如图2，其连接方式是：(1)每一个热敏电阻3的第一电极1用于与锂离子电池单体的正极(或负极)直接连接；(2)热敏电阻3的第二电极是汇流片，使多个电池的同类电极相连，同组电池的另一极直接用金属片或导线连接，由此形成并联关系，该汇流片又可以与另一组并联电池另类电极相连形成串联关系；(3)汇流片上装有电流传感器4，以监视流过汇流片的电流大小。当电流值超过阈值时，电池管理系统将记录相应的信息，供电池维护人员参考。
所述多功能集流片的制造方法，包括如下3个步骤：
(1)取结晶性高分子材料、导电材料及必需的辅料，按比例混合形成正温度系数热敏电阻材料，并装入打印机；
(2)按照设计的图案将正温度系数热敏电阻材料喷涂于集流片上，然后把第一电极覆盖并压紧到电阻材料上即可；
(3)根据电流传感器的要求，把电流传感器安装到集流片上。
所述结晶性高分子材料化学组成不限，只要它的玻璃化温度比电池要求的最高安全温度略低即可；
所述导电材料的材质不限，只要它能与所述结晶性高分子材料共同形成正温度系数热敏电阻即可；
所述集流片、第一电极的材质不限，只要它与电池易于形成良好的电接触，并具有足够好的耐腐蚀性和抗氧化性即可；
所述电流传感器种类不限，只要能检测流过集流片的电流大小，并能将相应的信号传送给电池管理系统即可。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)能防止因为一个单体电池发生的内短路演变成波及其它与之并联电池的外短路，从而造成热失控的现象发生；(2)一旦所述的短路现象发生，电池管理系统就能及时感知，并向电池维护人员和用户报警。
附图说明
图1是一个电池的内短路及其造成的波及与之并联的其它电池的外短路示意图。其中(a)是正常情况；(b)是有枝晶穿透隔膜造成内短路的情况。
图2是一种基于本发明的多功能集流体片的示意图。
具体实施方式
实施例1
(1)取结晶性高分子材料、导电材料及必需的辅料，按比例混合熔炼形成正温度系数电阻材料，并装入打印机；
(2)按照设计的图案将电阻材料喷涂于集流片上，然后把第一电极覆盖并压紧到电阻材料上，形成所述第一电极；
(3)根据电流传感器的要求，把电流传感器安装到集流片上。
实施例2
(1)取结晶性高分子材料、导电材料及必需的辅料，按比例混合熔炼形成正温度系数电阻材料；
(2)将所述电阻材料压制在两片金属箔之间，得到正温度系数热敏电阻；
(3)在热敏电阻上焊接导线，然后相互连接形成串并联关系；
(4)根据电流传感器的要求，把电流传感器安装到集流片上。

Claims (5)

1.一种用于锂离子电池成组的多功能集流片，其特征在于，它由第一电极、第二电极和处于两个电极之间的PTC材料构成，其中第一电极与单体电池的正极或负极直接连接，第二电极就是汇流片，直接形成电池组内部的并联关系和电池组之间的串联关系。
2.根据权利要求1所述的能防止电池因为内、外短路而产生热失控集流片，其特征在于，其中的PTC材料是一种由有机高分子材料和导电材料构成的具有正温度系数的导电材料。
3.根据权利要求1所述的能防止电池因为内、外短路而产生热失控集流片，其特征在于，还包括一个电流检测元件，一旦流过汇流片的电流超过限定值，就向电池管理系统报警。
4.根据权利要求1所述的能防止电池因为内、外短路而产生热失控集流片，其特征在于，可以根据需求排布PTC材料和第一电极的位置，形成复杂的串并联关系，满足电动车辆和电化学储能装置的需求。
5.根据权利要求1所述的能防止电池因为内、外短路而产生热失控集流片，其特征在于，所述电极和汇流片是导线或者金属片。
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