用于启动电池中的热失控的装置和方法制造方法及图纸

提供了一种用于启动电池单元中的热失控的装置和方法。该装置和方法可用于启动电池单元和电池组热失控的安全研究中。该装置包括定位成与电池单元热接触的电阻加热元件，其用于将热量传递到电池单元的区域。能量源电连接到电阻加热元件。开关可选地形成电路以发送电流脉冲通过电阻加热元件，从而在电阻加热元件处产生功率脉冲，以加热电池单元的区域来启动热失控。可选地，加热加热元件并保持在预定温度，直到启动热失控。发热速率可以设计成与电池单元内部短路的发热速率相当，这比用于启动热失控的许多现有缓慢加热方法快得多。

Devices and methods for starting thermal runaway in batteries

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于启动电池中的热失控的装置和方法相关申请的交叉引用本申请要求2017年1月19日提交的美国临时专利申请号为62/448,134的专利申请和2017年9月8日提交的美国临时专利申请号为62/556,006的专利申请的优先权，其通过引用结合于此。
本公开涉及电池技术，并且更具体地涉及电池测试和安全性。
技术介绍
随着市场的普及，电池组的安全性研究正在加强。这包括用于电动车辆(EV)的电池组。许多储能系统使用数百个锂离子电池单元。在滥用情况期间或由于缺陷，放热反应导致温度快速且不受控制地升高，导致能量泄漏和/或火灾。在临界温度以上，放热反应超过散发到环境中的热量，并且温度开始快速且不受控制地升高。氧气从活性物质中释放出来，有毒和易燃有机蒸气释放，有时是剧烈的。这个过程被称为热失控。临界温度根据电池而变化，并且可取决于电池单元的尺寸、形状、化学性质等。可以启动电池单元故障的状况包括电池单元的缺陷，例如电池单元内的内部短路。另一种状况是车辆系统故障，例如电池的过度充电。另一种状况是施加外力，例如电池单元的穿透或外部热量。由于在某些应用中相邻电池单元非常接近，如果一个电池进入热失控状态，会导致故障的连锁反应，从而在整个电池单元阵列中级联。多个电池单元失控往往是极端事件，其可以包括能量碰撞、相邻火灾和/或严重过度充电。单个电池单元失控事件往往更加难以察觉，例如电池单元内部短路、制造缺陷、电池单元老化，并且应该期望通过适当设计电池组来减轻这种情况。已经有多种方法来启动热失控，例如用于测试和/或研究目的。这些方法包括例如利用钉子、螺钉、钝物或其他物体穿透或刺穿电池单元，或破碎电池单元。该技术是一种常见的方法，但具有值得怀疑的再现性和最小的能量引入。遗憾的是，难以针对具有多个电池单元的电池组中的单个电池单元实施，难以在车辆内的电池组中实施，并且这可能改变电池/模块边界状况。另一种常见的热失控启动技术是电池单元加热。可以通过将电池或电池单元放入烘箱或热板上来进行电池单元加热。还可以通过围绕整个或部分电池单元缠绕电阻加热线来传递热量。电池单元加热可以提供良好的再现性，可以在外部或内部应用到电池单元(例如导电、激光、其他)，它具有长的激活时间，并且它可以加热相邻电池单元，从而显著影响边界状况。另一种热失控启动技术是电池单元过度充电，其具有良好的再现性，但难以在不同电池单元设计中实施。电池单元内的内置电路中断装置和其他内部安全机构可以使用该方法防止热失控的发生。该技术还为电池单元增加了显著的不典型能量，这会加剧所产生的热失控反应。另一种热失控启动技术是引入电池单元缺陷，其可能涉及故意引入缺陷以引起电池单元内的内部短路。这种方法不太常见，其可重复性未知，并且需要特殊构建的电池单元使得实施不切实际且存在安全隐患。目前，没有标准化的测试方法来评估EV电池组中电池单元故障或故障向周围电池单元传播的风险。运输监管机构正在积极尝试开发一种准确、可重复、简单和稳健的方式来启动电池组内的热事件，以确定电池组设计以及大量电池的运输(货物)的安全性。因此，需要改进涉及用于启动一个或多个电池单元中的热失控的系统和过程。以上信息仅作为背景信息呈现，以帮助理解本公开。上述内容中的任何内容是否可适用作为关于本公开内容的现有技术，不作任何断言或承认。附图说明现在将参考附图仅通过示例的方式描述本公开的实施例。图1是锂离子18650型电池单元的温度-时间曲线图，其示出了多种锂离子化学物质的热失控。图2是根据实施例的连接到电路的加热元件的图。图3是根据实施例的用于启动热失控的装置的图，该装置包括与电池单元接触的加热元件。图4是根据本公开的实施例的用于启动电池中的热失控的装置的图，该电池具有多于一个电池单元。图5是根据本公开的实施例的用于启动热失控的装置的示意图。图6是示出本公开的实施例的功率相对于时间结果的曲线图。图7是图6的曲线在0到2秒的时间范围内的特写图。图8是根据本公开的实施例的用于启动热失控的装置的图，该图表明加热元件的足迹表面区域。图9是根据本公开的实施例的加热元件的透视图。图10和图11示出了两个不同的示例电阻加热元件。图12是示例电阻加热元件的照片。图13是包括若干可选涂层的示例电阻加热元件的图示。图14是包括几种可选涂层的图12的电阻加热元件的照片。图15是根据本公开的实施例中用于启动电池单元中的热失控的过程图。图16A是相对于时间绘制的温度曲线图，以示出根据本公开的两阶段斜升和设定方法。图16B是来自示出两阶段斜升和设定方法的实验的相对于时间绘制的温度曲线图。图17是根据本公开的实施例的用于启动热失控的装置的示意图。图18是电阻加热元件的实施例的表示。图19是根据本公开的实施例中用于启动电池单元中的热失控的过程图。图20是根据本公开的实施例的示例电子装置的框图。具体实施方式为了说明的简单和清楚，可以在附图中重复使用附图标记以指示对应或类似的元件。阐述了许多细节以提供对本文所述实施例的理解。可以在没有这些细节的情况下实践实施例。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程和组件以避免模糊所描述的实施例。该说明不应被视为限制于本文描述的实施例的范围。图1是温度-时间曲线图100，示出了包含三种不同锂离子化学物质(即具有混合的LiCoO2和Li(Ni0.50Mn0.25Co0.25)(LCO/NMC)、Li(Ni0.45Mn0.45Co0.10)O2(NMC)和LiFePO4(LFP)的阴极活性材料)的18650电池单元中的热失控的示例。对于这些示例图，将锂离子18650电池单元置于加速速率热量计中并从25℃开始以每分钟约2℃的加热速率加热。在达到临界起始温度(150℃和220℃之间)后，电池单元进入热失控状态。图中标出了每种化学物质LCO/NMC102、NCM104和LFP106的各种图的峰。图1的曲线图出现在Golubkov，AW等人，在具有金属氧化物和橄榄石型阴极的消费型锂离子电池上的热失控实验，皇家化学学会进展，2014,4,3633-3642，通过引入将其结合于此。图1的曲线100中的x轴表示以秒为单位的时间。如峰102、104、106所示，从0到热失控发生的时间在约3500秒至约7000秒(这可转化为约1至2小时)之间变化。用于启动热失控的装置或过程可以需要以下一个或多个特性：启动方法在峰值功率和反应速率方面模拟内部短路的加热曲线；该过程适于使用多种类型、尺寸和几何形状的电池单元在完整的电池组内进行测试；该过程避免影响电池组布局和设计、其自身结构或相邻电池单元、以及使可再充电能量存储系统(REESS)中通常不存在的材料的添加最小化以及向系统添加的额外能量最小化；并且该过程是可靠的并且尽可能微创。本公开总体涉及测试和评估电池单元和由多个电池单元组成的电池组。加热元件可用于模拟电池单元所经历的不利状况。可以使用快速的局部加热源来模拟消费者在使用电池期间可能出现的潜在危险情况。这种情况包括由于电池单元中的缺陷引起的短路导致的过热、由于过度充电导致的过热、或者如物理吹气或穿刺的外力的接收、或外部加热。一个电池单元中的热失控会导致在整个电池组中级联的故障连锁反应。将快速局部加热施加到电池单元允许研究导致热失控、热失控期间和/或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于启动电池单元中的热失控的装置，所述装置包括：电阻加热元件，所述电阻加热元件定位为与所述电池单元热接触，以将热量传递到所述电池单元的区域；电连接到所述电阻加热元件的能量源；以及开关，所述开关用于可选地形成电路，以发送电流脉冲通过所述电阻加热元件，从而在所述电阻加热元件处产生功率脉冲，以加热所述电池单元的所述区域来启动所述热失控。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.01.19 US 62/448,134;2017.09.08 US 62/556,0061.一种用于启动电池单元中的热失控的装置，所述装置包括：电阻加热元件，所述电阻加热元件定位为与所述电池单元热接触，以将热量传递到所述电池单元的区域；电连接到所述电阻加热元件的能量源；以及开关，所述开关用于可选地形成电路，以发送电流脉冲通过所述电阻加热元件，从而在所述电阻加热元件处产生功率脉冲，以加热所述电池单元的所述区域来启动所述热失控。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电流脉冲以指数衰减。3.根据权利要求1-2中任一项所述的装置，其中由所述功率脉冲在所述电阻加热元件处产生的峰值热通量密度至少为800,000瓦/平方米(W/m2)，其中以瓦为单位的功率是所述电阻加热元件处的加热功率，并且以平方米为单位的面积是所述电阻加热元件的足迹表面积。4.根据权利要求3所述的装置，其中所述电阻加热元件处的所述峰值热通量密度至少为2,000,000W/m2。5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中所述电阻加热元件的足迹表面积不大于所述电池单元的壳体的总外表面积的20％。6.根据权利要求5所述的装置，其中所述电阻加热元件的所述足迹表面积不大于所述电池单元的所述壳体的总外表面积的5％。7.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其中所述能量源中存储的能量的至少95％在所述开关形成电路之后的不超过60秒内施加。8.根据权利要求7所述的装置，其中所述能量源中存储的所述能量的至少95％在所述开关形成所述电路之后的不超过30秒内施加。9.根据权利要求1-8中任一项所述的装置，其中所述能量源包括至少一个电容器。10.根据权利要求1-9中任一项所述的装置，其中所述能量源包括连续直流电源。11.根据权利要求1-10中任一项所述的装置，其中在所述能量源放电期间在所述电阻加热元件处的以千瓦(kW)为单位的峰值加热功率与所述电池单元的以kW为单位的标准1CC-倍率恒定电流放电循环功率之比至少为50比1，其中所述C-倍率是电池的放电速率相对于其最大容量的量度。12.根据权利要求1-11中任一项所述的装置，其中在所述能量源放电期间由所述电阻加热元件消耗的以千焦耳(kJ)为单位的热能与所述电池单元的储能容量(kJ)之比小于0.10。13.根据权利要求1-12中任一项所述的装置，其中所述能量源的放电使所述电池单元的表面加热到至少150摄氏度。14.根据权利要求1-13中任一项所述的装置，还包括在所述电阻加热元件外部的电绝缘屏障涂层，所述电绝缘屏障涂层用于使所述电阻加热元件电绝缘。15.根据权利要求14所述的装置，还包括在陶瓷涂层外部的导热金属基涂层。16.根据权利要求15所述的装置，还包括在所述金属基涂层外部的导热传热膏状物。17.根据权利要求1-16中任一项所述的装置，其中所述电阻加热元件具有平面状的形状。18.根据权利要求17所述的装置，其中所述电阻加热元件是柔性的以允许对应于所述电池单元的外表面改变所述电阻加热元件的所述形状。19.根据权利要求1-18中任一项所述的装置，其中所述电阻加热元件的厚度不大于5毫米。20.根据权利要求1-19中任一项所述的装置，其中所述电阻加热元件的厚度不大于2毫米。21.根据权利要求1-20中任一项所述的装置，其中所述电阻加热元件包括镍铬合金。22.根据权利要求1-20中任一项所述的装置，其中所述电阻加热元件包括铁-铬-铝(FeCrAl)合金。23.根据权利要求1-22中任一项所述的装置，配置为发送单个电流脉冲通过所述电阻加热元件。24.一种用于启动电池单元中的热失控的方法，所述方法包括：提供与所述电池单元热接触的电阻加热元件，所述电阻加热元件用于将热量传递到所述电池单元的区域；提供电连接到所述电阻加热元件的能量源；以及可选地形成电路以发送电流脉冲通过所述电阻加热元件，从而在所述电阻加热元件处产生功率脉冲，以加热所述电池单元的所述区域来启动所述热失控。25.根据权利要求24所述的方法，其中所述电流脉冲以指数衰减。26.根据权利要求24-25中任一项所述的方法，其中所述功率脉冲在所述电阻加热元件处产生的峰值热通量密度至少为800,000瓦/平方米(W/m2)，其中以瓦为单位的功率是所述电阻加热元件处的加热功率，并且以平方米为单位的面积是所述电阻加热元件的足迹表面积。27.根据权利要求26所述的方法，其中所述电阻加热元件处的所述峰值热通量密度至少为2,000,000W/m2。28.根据权利要求24-27中任一项所述的方法，其中所设置的所述电阻加热元件的足迹表面积不大于所述电池单元的壳体的总外表面积的20％。29.根据权利要求28所述的方法，其中所述足迹表面积不大于所述电池单元的所述壳体的所述总外表面积的5％。30.根据权利要求24-29中任一项所述的方法，其中在开关形成所述电路之后的不超过60秒内施加所述能量源中存储的能量的至少95％。31.根据权利要求30所述的方法，其中在所述开关形成所述电路之后的不超过30秒内施加所述能量源中存储的所述能量的至少95％。32.根据权利要求24-31中任一项所述的方法，其中所提供的能量源包括至少一个电容器。33.根据权利要求24-32中任一项所述的方法，其中在所述能量源放电期间在所述电阻加热元件处的以千瓦(kW)为单位的峰值加热功率与所述电池单元的以kW为单位的标准1CC-倍率恒定电流放电循环功率之比至少为50比1，其中所述C-倍率是电池的放电速率相对于其最大容量的量度。34.根据权利要求24-33中任一项所述的方法，其中在所述能量源放电期间由所述电阻加热元件消耗的以千焦耳(kJ)为单位的热能与所述电池单元的储能容量(kJ)之比小于0.10。35.根据权利要求24-34中任一项所述的方法，其中所述能量源...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文·雷科思凯，迪安·麦克尼尔，朱里奥·特隆恩，奥鲁申·科德拉，乔尔·佩龙，
申请(专利权)人：加拿大国家研究委员会，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA