[发明专利]一种防爆锂离子电池组

说明书

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，涉及一种防爆锂离子电池组。

背景技术

锂离子电池具有电压高、比能量高、循环性能好和环境友好等特点，已经越来越广泛的应用到多种领域，包括电动车、风力发电、光伏发电、微电网、智能电网，高铁列车、航空器、舰船等。

近几年，随着新能源汽车、大规模储能示范工程的建设实践，锂离子电池的安全事故时有发生，有的事故已经造成十分严重的后果，事故的主要危害是起火爆炸，而引起事故起火爆炸的主要原因是锂离子电池热失控。

锂离子电池爆炸，是电池内容物剧烈膨胀，形成容器性内高压，电池外壳被胀开甚至炸裂分成多碎片，电池内各种活性物质瞬间喷射，与空气中氧发生剧烈氧化反应，引发严重火灾。

而锂离子电池形成容器性内高压，是因锂离子电池存在制造缺陷，特别是锂离子电池内短路。形成锂离子电池内短路有多种原因，例如单质金属颗粒物质污染正极或负极材料。这些颗粒物质污染的局部，锂离子电池工作时就会引起局部电子、离子传导异常，从而导致局部异常物理化学反应，该局部就可能引发高温，局部高温导致隔膜熔穿形成短路。

又如在锂离子电池的制造工艺中，工艺控制误差大，分布在正极与负极之间的隔膜存在皱褶，锂离子电池工作时的热胀冷缩效应，皱褶处可能断裂，从而在隔膜处形成内短路。而锂离子电池的制造工艺过程隔膜张力不匀，隔膜漏孔瑕疵，锂离子电池工作时的反复热胀冷缩，也都可能引起隔膜破损，造成锂离子电池内短路。

在现有技术下，一些存在缺陷的锂离子电池，内短路初期难于被发现。在锂离子电池内短路初期，局部温度升高，液相电解液汽化，汽化的电解液气体体积迅速膨胀，温度继而升高；温度升高，受热膨胀加剧，压力剧增，温度骤升，形成剧烈的化学物理反应；在定容条件下，各种反应物在压力剧增作用下，传质、传热反应速率加快，进一步增剧物理反应和化学反应。

锂离子电池的活性物质，特别是电解液在外界能量催化作用下，可能发生热分解。在超过临界工作温度时，受过热作用，压力效应，就会发生分解并放出热量，这种热分解反应，一旦温度上升达到一定值(爆炸物的爆发点)时，热分解就会转化为爆炸。

在现有的技术下，锂离子电池存在引发燃烧危险源的可能，其危险在于安全阀直接向大气泄压。当缺陷电池内高压形成时，直接向大气泄放电池内部气体，这些气体含有高浓度电解液，这些电解液瞬间接触大气中的氧，便会迅速引起氧化反应。此外，电解液泄漏时与静电作用，都可能起火。而且，起火如果发生在密闭的电池箱内，有可能由燃烧转变为爆炸。

在现有技术下，锂离子电池存在引发连锁反应机制的爆炸风险。在现有电池组中，多个单体锂离子电池集成在一个电池箱内，某个单体锂离子电池一旦发生爆炸，爆炸能在爆炸物内部以恒定地传播速度持续进行，并引发多个单体锂离子电池爆炸；而一旦在大规模电池集成系统发生此种情形，有可能引发爆轰，这是一种爆炸的稳定状态，其危害及其严重。

锂离子电池爆炸，属于锂离子电池内部放热反应同时存在压力效应，这些反应往往是单体锂离子电池的内短路引起的如下反应：

1)负极的热分解，及其电解液的参与反应；

2)电解液分解的放热反应；

3)正极的热分解反应，及其电解液的参与反应。

上述三种反应形式在一定条件下，可以相互转化。

锂离子电池爆炸机理，符合爆炸理论基本规律，引起锂离子电池爆炸的直接因素是温度异常升高，压力增大。

锂离子电池爆炸机理遵循如下热失控反应步骤；

1)内短路局部发热；

2)高温引起定容的锂离子电池内压力剧增；

3)压力增加(由于传质系数增加)促进电池内部化学反应及副反应的剧增程度；

4)继而，电池内部化学反应加剧使热量剧增；

5)压力进一步升高(化学反应传质系数进一步加剧)；

6)电芯过热，引起的恶性循环反应，最终导致电池壳定容容器压力过饱和；

7)电池壳耐压承受强度超过极限，一些焊缝或缺陷的密封结构失效，空气中氧进入，形成剧烈氧化，引发起火爆炸。

锂离子电池爆炸规律遵循以下列逻辑链：

爆炸形成是热反应加剧(热反应包括了化学反应、物理反应的传质运动)→压力增加→温度上升→热反应加剧连锁反应，热效应、压力效应、传质反应连环剧增的逻辑反应过程，最终到达临界点起火爆炸。