防爆锂离子电池组技术简介

   本项目为锂离子成组电池，内含有北京大学自主知识产权的防爆预警模组，具有高安全性的特点，应用范围包括

（一）动力电池

    1、民用电动汽车、游艇等。

    2、军用动力供电，包括坦克、无人机、舰船潜艇等。

（二）储能与智能电网

    1、光伏、风力等大规模储电。

    2、光伏、风力等分布式家庭微网系统。

（三）电力供电

    1、云计算机房备用电源。

    2、军用单兵供电。

    3、航天星载电子电气设备供电。

1 商业运营模式

    锂离子电池材料制备（三元锂和磷酸铁锂等）、电芯制造（切片和涂布等）和电池管理系统等在中日等东亚地区产能充裕，覆盖低端、中端和高端产业链供应。本项目可以采用面向具体应用和客户定制模式，采购和外包加工电芯，生产防爆模组，组装成组电池提供给客户。

    相对成本估算：5电芯/20安时成组为例，按三元素电池电压3.6V、2元每瓦时计算，该组电池成本为5×20×3.6×2=720元。本项目模组批量生产成本约20元。相对成本增加小于3%。

2 产品特色

1、精准获取电芯各向异性压力信号，发出预警信息。

2、阻断热失控内高压形成机制，采用可靠泄压。

3、阻断高温形成机制，采取有效散热。

4、阻断传质加剧机制，采取填充惰性物质，抑制活性物质反应。

5、协同优化/简化热管理系统和电池管理系统，从而降低成本。

6、在航天、矿井、高铁、船舶和数据安全备份中心等高安全领域具有强竞争力。

3 说明书

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，越来越广泛应用到多种领域、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原因主要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。

锂离子电池热失控引起爆炸、正负极之间内短路是主要危险源，而现有锂离子电池，无论是液体电解质还是固体电解质；当内短路引发热失控时，锂离子电池形成容器性内高压，当内高压形成时，由于压力剧增，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。

    现有的安全阀技术，当内高压形成时，安全阀直接向大气泄压，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汽化物，这些电解液瞬间接触大气中的氧，迅速引起氧化反应，直接引起燃烧。此外，电解液泄漏时与静电作用，同样被点燃起火，起火如果发生在密闭的多个单体电池的电池箱内，某个单体锂离子电池爆炸一旦发生，爆炸能在爆炸物内部以恒量地传播速度持续进行，并引发多个单体锂离子电池爆炸，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，这些反应大多数是单体锂离子电池的内短路危险源引起。

由单体锂离子电池的内短路引发的反应包括：

（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。

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。

单体锂离子电池的内短路危险源在现有技术难于完全避免，造成锂离子电池内短路有多种因素，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。

    其次在锂离子电池的制造工艺过程，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，隔膜处形成内短路。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。

    针对锂离子电池爆炸机理是以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。

依据锂离子电池起火爆炸形成机理，有效的防止爆炸发生，可以从如下途径采取有效手段，阻断形成高温机制，阻断传质反应，阻断电池壳内压力持续增加，以上三种技术都是克服电池爆炸起火有效措施。

阻断热失控内高压形成机制，采用可靠泄压；

阻断高温形成机制，采取有效散热；

阻断传质加剧机制，采取填充惰性物质，抑制活性物质反应；

现有的技术针对高温形成机制，在电池组的外壳采集温度信号，当温度高于设定温度时，采用空气对流散热和液体传导散热，以缓解高温、高压形成。

现有的锂离子电池电芯的有效散热存在许多技术瓶颈，改善锂离子电池电芯的散热存在不可逾越障碍，这是由于锂离子电池电芯的组成结构所决定的，锂离子电池电芯，由多层正极涂层极片、负极涂层极片、高分子隔膜叠集，虽然正极极片集流体为铝材，负极集流体采用铜材，属于良好的热导体，但是由于其正极、负极活性物质涂层属于粉体与胶体混合物，传热热阻远比铜材、铝材大，分布在正极涂层极片、负极涂层极片之间的高分子隔膜也属于导热不良物质，电芯的涂层极片层数叠集越多，传热热阻也就越大，传热热阻越大，电池内蓄热温升问题就会越突出。电芯的涂层极片层数叠集越多，发生内短路几率也越大。

现有的技术，无论是空气对流导热还是液体传导导热都需要通过电芯壳体传热达到冷却目的，由于电芯涂层极片层叠结构形成导热不良，达到高效散热十分困难，当内短路一旦发生，现有散热技术难于使内短路的涂层极片异常产热得于抑制。

其次，在现有技术中，在电芯的外壳采集温度信号受干扰十分突出，不同的使用环境，不同充、放电状态，电芯的外壳显著温度不同，电芯内极片的内短路温度危险阈值判定十分困难。

现有的技术，针对高压形成机制，大多数都采用了爆破片或安全阀措施，爆破片的选型十分困难，当选择爆破片厚度偏小，临界爆破压力太小，爆破临界压力太小，存在锂离子电池内压力还处于安全阈值之内，爆破片就爆破了，一旦爆破片爆破了，同一集成电池箱内一组电池都可能受到爆破片爆破喷出可燃物污染，甚至直接引起起火，选择爆破片厚度偏大，爆破临界压力偏大，锂离子电池内压力已经很高了，爆破片还处于未爆破状态，一旦在很高的压力爆破，锂离子电池内的电芯物质随着高压泄放喷射出来，电芯内的可燃物质喷射而出时，直接引发次生危害。

金属爆破片用于动力锂离子电池，长时期处于振动下工作，长时期处于振动条件下，容易变形，变形的爆破片内应力发生改变，应力改变之后，设定的爆破安全阈值即发生了改变，作为长寿命的动力锂离子电池，是否足于保障电池长期使用安全存在不确定性。

现有锂离子电池制造工艺，金属爆破片采用直接焊接法，将金属爆破片固定在电池金属壳顶部，焊接过程的高温有可能导致金属爆破片退火或变性，使原来的安全压力爆破阈值发生改变。显然，现有的金属爆破片用于锂离子电池控制内高压，存在不确定性。

  现有技术，针对阻断传质加剧机制在电解液中添加阻燃剂，电解液中添加阻燃剂虽然具有一定的缓解。但是，随着阻燃剂的加入，电解液离子、电子导电性能趋于劣化，一旦内短路发生，异常传质反应持续加剧，阻燃剂并不能阻断异常传质反应。电解液中添加阻燃剂难于起到改善安全性的效果。

  美国ALLCELL公司Said AlHallaj和伊利诺伊理工学院的团队发明了一种所谓相变技术以达到抑制内短路发生异常传质反应持续加剧，这种以石墨/蜡混合物，在常温下以固体形式存在以单体锂电池的内空间，当温度高于形成内高压阈值时，固体熔融，成为液体，成为液体石墨/蜡混合物，一方面相变过程吸收大量的热，起到降温作用，一方面液化的石墨/蜡混合物渗入锂离子电池正极与负极之间，使得锂离子电池正极与负极之间异常传质反应持续加剧被抑制，从而提高安全性。

虽然Said AlHallaj发明的相变技术的确有效，但是，确定石墨/蜡混合物固体熔融，成为液体温度阈值难于精确确定，内短路引起温度上升还会受到环境温度、充放电电流大小工作温度变化干扰。石墨/蜡混合物固体熔融，相变为液体的温度阈值的升高或是降低都会导致应用问题或安全性失效。

     针对现有技术缺陷，本技术方案提出可检测电池内压力，甄别内短路热失控危险源，控制电芯内压。与此同时，一旦电池内高压超过安全临界阈值，电芯围护结构出现微小破裂起初之时，植入的阻断化学传质技术，阻断正极与负极之间异常传质反应，从而使该内短路单体电池的内传质反应迅速失效，通过甄别热失控危险源信号技术及以植入的阻断化学传质技术，达到避免引发相邻的单体电池受到其高温热和机械力作用的连锁爆炸。

    锂离子电池的安全性能决定了其可应用的场所，航空器、高铁列车、舰船、潜艇、博物馆、档案馆，数据中心等一些十分重要场所需要高可靠的高安全性。必须采用热失控可控，能避免爆炸，特别是整个电池箱、电池系统连锁反应的爆炸。