專利名稱：電化學(xué)電池的熱管理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所提供的系統(tǒng)和方法通常涉及包括氟化碳流體的可充電電化學(xué)電池的被 動雙相熱管理。
背景技術(shù)：
常規(guī)的可充電的電化學(xué)電池在正常工作狀態(tài)下產(chǎn)生受控量的熱。然而這些電池由 于各種因素的原因可能會不時(shí)地出現(xiàn)熱量的迅速增加和釋放。出現(xiàn)熱量增加和釋放的情況 可能是由于外因，如電池端子受到短路、電池受到物理損壞或電池里面產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。當(dāng)電 化學(xué)電池中經(jīng)歷這種放熱的迅速增加時(shí)，電池可能會進(jìn)入意外模式，造成電池失效。雖然這 種熱量的迅速增加和釋放可能是相對不常見的，但如果在電化學(xué)電池堆或電化學(xué)電池組中 發(fā)生放熱，那么從一個(gè)電池中釋放的熱量可能足以使其它周圍的電池達(dá)到它們的熱失控點(diǎn) 而導(dǎo)致連鎖反應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
鋰離子電化學(xué)電池正越來越多地應(yīng)用于電子設(shè)備，如膝上型電腦、移動電話和無 繩電動工具，并且正在考慮將其作為汽車電源。鋰離子電池由于具有高能量密度潛力、非常 好的使用壽命和可再充電性而受到關(guān)注。電化學(xué)電池需要有熱管理系統(tǒng)，特別是鋰離子電 化學(xué)電池。需要能有不需要復(fù)合硬件(如泵或閥)和復(fù)雜密封的熱管理系統(tǒng)。另外還需要 電化學(xué)電池有這樣的熱管理系統(tǒng)，在熱失控狀態(tài)下能夠起到冷卻電池的作用，和/或能夠 壓制任何在失控期間可能會產(chǎn)生的火勢。此外，需要熱管理系統(tǒng)成本低，便于攜帶，能夠迅 速地散去大量的熱。一方面提供一種用于電化學(xué)電池的被動熱管理系統(tǒng)，包括非水傳熱介質(zhì)、具有內(nèi) 部和外部的容器(其中所述內(nèi)部容納傳熱介質(zhì))和至少部分地浸沒在所述介質(zhì)中的至少一 個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池。另一方面提供一種熱管理系統(tǒng)，包括傳熱流體、一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池和至少部 分地填充以所述傳熱流體的換熱器，其中一個(gè)或多個(gè)電池與換熱器是熱接觸的。最后提供一種電化學(xué)電池的被動熱管理方法，包括提供填充以傳熱介質(zhì)的容器， 使至少一個(gè)電化學(xué)電池部分地浸入所述介質(zhì)，對電池充電或放電以產(chǎn)生受熱的電池，從受 熱的電池向介質(zhì)傳熱，并通過介質(zhì)的蒸發(fā)從受熱的電池中散熱。在本文件中“一個(gè)”和“所述”與“至少一個(gè)”可互換使用，表示一個(gè)或多個(gè)所述的要素；“合金”是指兩種或更多種元素的混合，其中的至少一種是金屬，且其中所得到的 材料具有金屬性質(zhì)；
“充電”是指對電池提供電化學(xué)能的過程；“脫鋰”是指從電極材料中脫除鋰的過程；“放電”是指從電池中取得電化學(xué)能的過程，例如當(dāng)使用電池進(jìn)行所需工作時(shí)；而 “金屬”指的是金屬和準(zhǔn)金屬(如硅和碳)兩者，無論是元素態(tài)還是離子態(tài)的。所提供的用于電化學(xué)電池的熱管理系統(tǒng)可以是被動式的，即，它不包括泵，但可以 通過對流來循環(huán)冷卻劑。所提供的系統(tǒng)中可以使用具有高導(dǎo)熱率的傳熱介質(zhì)，如氫氟醚。它 們可以通過把熱量從電池導(dǎo)向容納介質(zhì)的容器而帶走電化學(xué)電池產(chǎn)生的熱量。另外，它們 可以吸收電池產(chǎn)生的熱量，方式是在電池的表面蒸發(fā)，然后在容器的表面上冷凝，從而實(shí)現(xiàn) 散熱。同時(shí)，通過使用不助燃的傳熱介質(zhì)，所提供的熱管理系統(tǒng)能防止或壓制另外可能由熱 失控事件產(chǎn)生的火勢。上述發(fā)明內(nèi)容并非旨在描述本發(fā)明的每種實(shí)施方式的每個(gè)公開的實(shí)施例。接下來 的附圖簡要說明以及詳細(xì)描述對示例性的實(shí)施例作出了更具體的說明。


圖1是熱管理系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，所述熱管理系統(tǒng)包括浸沒在傳熱介質(zhì) 中的電化學(xué)電池陣列。圖2是熱管理系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，所述熱管理系統(tǒng)包括與換熱器相接觸 的電化學(xué)電池陣列。圖3A是管理系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的剖視圖，所述熱管理系統(tǒng)包括在容器中的電化 學(xué)電池陣列，所述容器至少部分地浸沒在傳熱介質(zhì)中。圖3B是顯示包括換熱器的熱管理系統(tǒng)的圖3A的實(shí)施例的分解圖。圖4A和4B是對照例(圖4A)和所提供的熱管理系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例(圖4B)的性 能特性圖。圖5A和5B是另一對照例(圖5A)和所提供的熱管理系統(tǒng)的另一實(shí)施例(圖5B) 的性能特性圖。圖6是所提供的熱管理系統(tǒng)的又一實(shí)施例的性能特性圖。
具體實(shí)施例方式所提供的鋰離子電化學(xué)電池的熱管理系統(tǒng)是被動系統(tǒng)。被動的意思是說，在系統(tǒng) 中沒有使用或需要機(jī)械能或電能的泵。在被動系統(tǒng)(如所提供的系統(tǒng))當(dāng)中，通過對流可 以發(fā)生傳熱介質(zhì)(另可稱為冷卻劑)的移動。使用被動式熱管理系統(tǒng)能夠避免在系統(tǒng)中使 用諸如泵和閥之類的復(fù)合硬件。通過熱量從電池到傳熱介質(zhì)的熱對流和熱量從傳熱介質(zhì)向 容器表面的傳遞，所提供的系統(tǒng)可以散去鋰離子電池(在鋰化或放電過程中)產(chǎn)生的余熱。 所提供的系統(tǒng)還可以通過在傳熱介質(zhì)接觸電池的位置處至少部分地蒸發(fā)傳熱介質(zhì)來散去 余熱。然后傳熱介質(zhì)的受熱蒸氣可以移動到換熱器的表面(也可以是容器的表面)，向換熱 器傳熱，冷凝，然后流回傳熱介質(zhì)儲存器。按此方式，可以通過對流和通過利用介質(zhì)的蒸發(fā) 熱來散去多余的熱量。所提供的系統(tǒng)可以包括非水傳熱介質(zhì)。傳熱介質(zhì)可以是液體?？捎玫氖纠苑撬?傳熱液體包括全氟化碳(PFC)、全氟聚醚(PFPE)、全氟胺(PFA)、全氟醚(PFE)、硅油和烴油。PFC、PFPE, PFA和PFE在大氣中顯示的壽命值超過500年，并且可長達(dá)5，000年。另外，這 些材料可顯示出高的溫室效應(yīng)潛能值(“GWP”)。GWP是在指定的整合時(shí)間范圍上相對于由 一 (1)千克CO2所致的變暖而言，由釋放一(1)千克樣品化合物所致的合計(jì)潛在變暖。另 外硅油和烴油可能易燃。所提供的用于電化學(xué)電池的熱管理系統(tǒng)可以包括不易燃的惰性非水傳熱介質(zhì)。不 易燃的意思表示，所述介質(zhì)不易助燃，特別是在熱失控事件的條件下。惰性的意思是，在電 池的正常工作條件下，所述介質(zhì)基本上不與電池的部件發(fā)生反應(yīng)。對于需要惰性流體的傳 熱操作來說，可以使用氟化碳流體。氟化碳流體具有低毒性，基本上不刺激皮膚，沒有化學(xué) 反應(yīng)性，不易燃，并且具有高絕緣強(qiáng)度。諸如全氟碳、全氟酮、全氟聚醚、氫氟醚之類的氟化 碳流體可以提供不消耗同溫層中的臭氧層的附加優(yōu)點(diǎn)。在一些實(shí)施例中，所提供的熱管理系統(tǒng)包括氫氟醚傳熱流體(或氫氟醚傳熱流體 的混合物)，它是惰性的，具有高絕緣強(qiáng)度、低電導(dǎo)率、化學(xué)惰性、熱穩(wěn)定性和有效的熱傳遞 性。另外，所提供的系統(tǒng)包含的傳熱流體是液體，在寬溫度范圍上具有良好的傳熱特性。可 適用于所提供的系統(tǒng)的實(shí)施例的示例性氫氟醚包括由如下結(jié)構(gòu)表示的化合物R1f-O-Rh-O-R1f'其中0是氧；R1f和R1f'獨(dú)立地為氟代脂族基團(tuán)，其中每個(gè)R1f和R1f'含有至少1 個(gè)氫原子；Rh是具有2至約8個(gè)碳原子和至少4個(gè)氫原子的直鏈、支鏈或環(huán)亞烷基基團(tuán)，其 中Rh可以含有一個(gè)或多個(gè)鏈中雜原子，且其中氫氟醚化合物不含-0-CH2-0-。這一結(jié)構(gòu)的 氫氟醚化合物公開在例如美國專利No. 6，953，082 ；No. 7，055，579 ；和No. 7，128，133 (均授 予Costello等人)和美國專利公開No. 2007/0018134 (costello等人)中。適用于所提供的系統(tǒng)的一些實(shí)施例的其它氫氟醚化合物包括環(huán)狀氫氟醚化合物， 如公開在美國專利公開No. 2007/0267464(Vitcat等人)中的那些。這些化合物可以由通 式⑴和(II)表示
權(quán)利要求
一種用于電化學(xué)電池的被動熱管理系統(tǒng)，其包括非水傳熱介質(zhì)；具有內(nèi)部和外部的容器，其中所述內(nèi)部容納所述傳熱介質(zhì)；和至少一個(gè)或多個(gè)至少部分地浸沒在所述介質(zhì)中的電化學(xué)電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述傳熱介質(zhì)的沸點(diǎn)低于80°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述傳熱介質(zhì)包含氟化碳流體，任選其中所述流 體是不易燃的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述氟化碳流體包含氫氟醚。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述容器包括通口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述容器的內(nèi)部基本上處于大氣壓力下。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述容器包括冷凝面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其還包括冷凝器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電化學(xué)電池的被動熱管理系統(tǒng)，其中所述傳熱介質(zhì)包含 一種或多種氫氟醚。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述氫氟醚的沸點(diǎn)低于80°C。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述容器包括通口。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述電池基本上浸沒在所述介質(zhì)中。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其還包括冷凝器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池包括鋰離子電池。
15.一種用于電化學(xué)電池的被動熱管理系統(tǒng)，其包括 傳熱流體；一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池；和換熱器，其至少部分地填充以所述傳熱流體，其中至少一個(gè)電池與所述換熱器是熱接觸的。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述流體是非水的。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述流體包含氫氟醚。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其還包括 容器；和非水傳熱介質(zhì)，其中所述容器至少部分地填充以所述介質(zhì)，其中至少一個(gè)所述電池至少部分地浸沒在 所述介質(zhì)中，且其中所述介質(zhì)與所述換熱器是熱接觸的。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述介質(zhì)包含氫氟醚。
20.一種電化學(xué)電池的被動熱管理方法，該方法包括 提供至少部分地填充以傳熱介質(zhì)的容器；使至少一個(gè)電化學(xué)電池部分地浸沒在所述介質(zhì)中； 對所述電池進(jìn)行充電或放電以產(chǎn)生受熱的電池； 從所述受熱的電池向所述介質(zhì)傳熱；以及 利用來自所述受熱的電池的熱量蒸發(fā)所述介質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明所提供的系統(tǒng)和方法通常涉及可充電電化學(xué)電池的被動雙相熱管理。所提供的系統(tǒng)和方法可以包括非水傳熱介質(zhì)，如氟化碳流體。諸如氫氟醚的氟化碳流體可用于所提供的系統(tǒng)。
文檔編號H01M10/50GK101960657SQ200880127749
公開日2011年1月26日 申請日期2008年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月4日
發(fā)明者江俊偉, 道格拉斯·C·馬格努森 申請人:3M創(chuàng)新有限公司