[0001] 本发明涉及可再充电电池的热管理，并且更具体地涉及包括具有热失控抑制功能的导热填料材料的可再充电电池。

[0002] 电池是一种通过电化学还原‑氧化(氧化还原)反应将化学能转化为电能的装置。在二次或可再充电电池中，这些电化学反应是可逆的，这允许电池经历多次充电和放电循环。电动车辆，包括混合动力电动车辆，由电动马达或发电机提供动力，电动马达或发电机又通常由车载可充电电池提供动力。这种电池通常包括多个单独的电化学电池单元(在本文称为电池单元)，这些电化学电池单元串联和/或并联布置并且彼此相邻定位以形成电池模块和/或电池组，当这些电池模块和/或电池组被结合到电动车辆的电池系统中时，为车辆提供高电压和高容量的组合。

[0003] 在电动车辆中采用的可再充电电池在正常的充电和放电操作下在内部产生热量。为了优化这种电池的性能和寿命，实现在操作期间能够有效地将热量从电池单元传递出去以将电池单元的温度维持在期望的操作温度范围内的冷却系统是有益的。当电池单元经受某些滥用操作或充电条件时，或者如果电池单元被制造成具有某些缺陷，则电池单元可能产生比冷却系统能够从电池单元有效地移除的热量更大的热量，这可能导致电池单元进入被称为热失控的条件。在热失控事件期间，由电池单元生成的热量可以是无限制的，并且可以进而导致相邻电池单元进入热失控，潜在地引起可能扩散通过整个电池系统的级联反应。此外，经历热失控的电池单元可能释放热的排出气体，有时在电池系统的其他部件附近，这可能受到排出气体的温度和/或组成的负面影响。

[0004] 为了防止相邻电池单元之间的热失控传播，热障可定位在电池单元的组之间，以将热失控事件期间产生的热量遏制到电池单元的小组。为了防止排出气体的积聚，并且为了保护电池系统部件免于暴露于这样的气体，电池壳体可以包括通气系统，该通气系统被配置成引导和控制排出气体通过和离开电池系统的流动。

[0052] 当前公开的填料材料可用于电池的壳体中以填充设置在壳体内的电池单元堆与壳体自身的内表面之间的间隙或空隙。填料材料可以是导热的，并且可以在电池单元堆的电池单元和与电池相关联的散热器之间提供导热路径。在各方面中，填料材料可以被配制为当暴露于热失控温度时热分解以形成阻止热失控传播通过电池单元堆的电池单元的热障。

[0053] 在下文中，术语“电池”是指包括串联和/或并联布置的多个互连的电化学单元(电池单元)的装置，并且可以指以电池模块和/或电池组的形式组合在一起的电池单元。术语“约”是指“在可接受的制造公差内”或“在0‑5%内”。

[0054] 图1示出了可以用在车辆14的电源12中的电池10，所述车辆是诸如电动车辆(EV)或混合电动车辆(HEV)，如图2中所示。电池10包括至少部分地限定内部18的壳体16、设置在壳体16的内部18内的电池单元堆20、以及填充壳体16的内表面26和电池单元堆20之间的间隙24的填料材料22 (图3和图4)。

[0055] 壳体16被配置为将电池单元堆20支撑在车辆14内并且保护电池单元堆20免于暴露于周围环境条件。壳体16可以包括顶部28、底部30和在壳体16的顶部28和底部30之间延伸的至少一个侧壁32。在各方面，通气口29可以在壳体16的顶部28中，其便于压力引起的气体从壳体16的内部18的排出。壳体16可以由导热材料制成，以允许热量在操作期间从电池单元堆20消散。壳体16可以由金属、金属合金或具有高热导率的聚合材料制成。例如，壳体16可以由铝(Al)和/或铜(Cu)制成。壳体16可以是多个部件的组件或者可以是整体的一件单件式结构。

[0056] 电池单元堆20包括邻近壳体的顶部28的上端34和支撑在壳体16的底部30上并与其热接触的下端36。壳体16的底部30可以与散热器38热接触，该散热器在电池10的操作期间将热能(即，热量)从电池单元堆20传递到热传递流体(例如，空气或液体冷却剂)。散热器38可以包括一个或多个通道40，该通道在电池10的操作期间促进热传递流体连续地流过散热器38。在各方面，散热器38可以由壳体16的底部30限定。电池单元堆20设置在壳体16的内部18内，使得电池单元堆20与壳体16的顶部28或侧壁32中的至少一者间隔开。例如，如图4中最佳示出的，电池单元堆20可以设置在壳体16的内部18内，使得在电池单元堆16的侧壁
32和壳体16的至少一个之间限定间隙24。如图3中最佳示出的，电池单元堆20可以被设置在壳体16的内部18内，使得增压室42被限定在壳体16的顶部28和电池单元堆20的上端34之间。

[0057] 在图1和图3中，散热器38被设置成与壳体16的底部30相邻并热接触；然而，其他布置也是可能的。例如，散热器38可以设置成与顶部28和/或壳体16的至少一个侧壁32相邻并热接触。

[0058] 电池单元堆20包括并排布置的多个电池单元44以及可选地一个或多个分隔件46，所述分隔件将电池单元堆20的电池单元44分成多组电池单元44。在图1、图3和图4中，分隔件46将电池单元堆20的电池单元44分成由三个相邻电池单元44构成的组；然而，每组电池单元44中的电池单元44的数量可以小于或大于三个。电池单元堆20中的每个电池单元44包括电极组件48 (包括夹设在正电极和负电极之间的分离器)，该电极组件被电解质(未示出)渗透并密封在外壳50内(图3和图4)。每个电池单元44的外壳50限定电池单元44的相对的第一端52和第二端54 (图1)以及相对的上侧56和下侧58。一对导电的正和负电极接线片60、62电耦接到电极组件48并且从电极组件48延伸到外壳50的外部。在图1、图3和图4中，正和负电极接线片60、62分别从电池单元44的相对的第一和第二端52、54延伸到壳体16的侧壁32与电池单元堆20之间的间隙24中；然而，其他布置也是可能的。例如，在各方面中，正和负电极接线片60、62两者可以从电池单元44的同一端延伸，即从电池单元44的第一端52或第二端54延伸。替代地，正和负电极接线片60、62可以从电池单元44的上侧56延伸到壳体16的顶部28与电池单元堆20的上端34之间的增压室42中。

[0059] 电池单元44可以是锂离子电池单元。例如，如图1、图3和图4中所示，电池单元44可以是袋型锂离子电池单元。在其他方面，电池单元44可以是棱柱形或罐型锂离子电池单元。

[0060] 可选的分隔件46可以被配置为帮助控制电池单元堆20中的电池单元44的温度，可以补偿电池单元44中的体积变化，并且可以阻止通过电池单元堆20的电池单元44的热失控传播。分隔件46可以被夹设在电池单元堆20中的相邻的电池单元44的组之间，并且可以包括与壳体的底部30热接触的下端70和在电池单元44的上侧56上方朝向壳体16的顶部28延伸的相对的上端72。在各方面，分隔件46可以呈现为层压结构，包括导热层、隔热层和压缩层(未示出)中的一者或多者。导热层可与散热器38热接触，并且可在电池10的操作期间帮助将热量从相邻的电池单元44转移出去，隔热层可帮助阻止热失控温度和/或燃烧反应通过分隔件46的扩散。压缩层可以帮助补偿电池单元44在电池10的操作期间可能经历的膨胀、收缩和形状的其他物理变化，并且可以帮助维持电池单元44的面对表面之间的接触压力。分隔件46可以被构造和布置在电池单元堆20内，使得如果在定位在分隔件46之一的第一侧上的第一组电池单元44中发起热失控事件，则分隔件46可以帮助防止热失控事件从第一组电池单元44传播到分隔件46的相对的第二侧上的第二相邻组电池单元44。

[0061] 在组装中，电池单元堆20的电池单元44可以被电耦接到电池管理系统(BMS) 64，该电池管理系统可以包括一个或多个集成电路(IC)，该一个或多个集成电路被配置为测量电池单元44的某些操作参数(例如，单元电压和/或温度)，控制所述电池单元44的操作(例如，充电和放电)，和/或将电池单元44耦接到车辆14的电源12和/或外部电源。如图1和图4中所示，在各方面中，电池管理系统64可以定位在壳体16的内部18内，在电池单元堆20与壳体16的侧壁32之间的间隙24中。或者，电池管理系统64可以定位在壳体16的外部并且由壳体16的顶部28或侧壁32支撑。在各方面中，电池管理系统64的一部分可以位于壳体16的内部18内，并且电池管理系统64的另一部分可以延伸到壳体16的外部。电池管理系统64相对于壳体16的位置可以基于电池单元44在壳体16内的取向(和/或基于正和负电极接线片60、62相对于壳体16的顶部28和/或侧壁32的位置)来选择。如图4中所示，电连接器66可用于例如经由母线68以串联或并联布置分别将电池单元44的正电极接线片60和负电极接线片62彼此耦接。

[0062] 填料材料22被配置成在电池10的正常操作期间帮助将热量从电池单元44转移出去，并且在热失控事件期间，填料材料22被配置成防止热失控传播通过电池单元堆20的电池单元44并且减轻对电池10的其他部件的损坏。为了实现这一点，填料材料22可由导热材料制成，该导热材料在暴露于热失控温度(例如，大于或等于约200℃的温度)时热分解以形成热和物理屏障，该热和物理屏障阻止热失控温度传播通过电池单元堆20的电池单元44并且通过电池10的周围部件。例如，填料材料22可在暴露于热失控温度时热分解以形成热和物理屏障，该热和物理屏障阻止电池单元堆20的电池单元44之间和/或电池10的各种部件之间的对流、传导和/或辐射热传递。

[0063] 如图3中所示，在各方面中，填料材料22可填充由在壳体16的顶部28与电池单元堆20的上端34之间延伸的增压室42限定的壳体16的内部18的区域(在电池单元44的上侧56上方和分隔件46的上端72上方)。在这种情况下，在电池10的正常操作期间，填料材料22可在相邻电池单元44与壳体16的顶部28之间提供导热路径，这可帮助减小电池单元44之间的热梯度并帮助经由壳体16的顶部28将热量传递离开电池单元44。并且在热失控事件期间，填料材料22可热分解以在电池单元44的上侧56上方和分隔件46的上端72上方形成热和物理屏障，该热和物理屏障防止热失控温度在分隔件46的相对侧上的相邻组的电池单元44之间传播。

[0064] 如图4中所示，在各方面中，填料材料22可填充由壳体16的侧壁32与电池单元44的第一端52和/或第二端54之间的间隙24限定的壳体16的内部18的区域。填料材料22可围绕电池单元44的正电极接线片60和负电极接线片62，使得正电极接线片60和负电极接线片62 (以及电连接器66)被完全封装在填料材料22中。另外，填料材料22可沿着壳体16的侧壁32从壳体的底部30延伸到壳体16的顶部28或朝向该顶部延伸。在这种布置中，在电池10的正常操作期间，填料材料22可在电池单元44的正电极接线片60和负电极接线片62与壳体16的底部30 (以及散热器38)之间提供导热路径，这可在电池10的操作期间改善远离正电极接线片60和负电极接线片62的热传递并且减小电池单元44内的热梯度。在各方面中，填料材料22可围绕和封装母线68、电池管理系统64和/或电池10的设置在壳体16的内部18内并且电耦接到电池单元44的正电极接线片60和/或负电极接线片62的其他电气部件。在这种情况下，填充材料22可以在母线68、电池管理系统64和/或其他电气部件与和壳体16相关联的散热器38之间提供导热路径。

[0065] 在热失控事件期间，填料材料22可热分解以在电池单元44的相邻正极和/或负极接线片60、62之间形成热和物理屏障，该热和物理屏障防止接线片60、62之间和周围的热传递。另外，在热失控事件期间，填料材料22可热分解以在正极和/或负极接线片60、62与位于电池单元堆20与壳体16的侧壁32之间的间隙24中的电池管理系统64之间形成热和物理屏障。在热失控事件期间在电池单元44的正极和/或负极接线片60、62与电池管理系统64之间形成热和物理屏障可有助于防止从正极和/或负极接线片60、62到电池管理系统64的热传递，并且还可有助于将由电池单元44产生的排出气体朝向壳体16的顶部28中的通气口29引导(而不是允许气体通过电池管理系统64和/或通过壳体16的侧壁32排出)。

[0066] 填料材料22呈现复合结构，该复合结构包括分布在整个聚合物基质组分中的导热颗粒组分。聚合物基质组分可包括连续的整体式三维网络，颗粒组分嵌入或分散在该网络中。术语“整体”是指在性质上不是颗粒的三维结构。颗粒组分在电池10的正常操作期间为填料材料22提供高热导率，并且基质组分允许填料材料22渗入壳体16中的间隙24和/或增压室42，并且为填料材料22提供当暴露于热失控温度时热分解或焦化的能力，以形成帮助遏制热失控事件的热和物理屏障。可引发填料材料22的基质组分的热分解的“热失控温度”可包括大于电池10的电池单元44的操作温度上限的温度，例如大于或等于约200℃的温度。可引发填料材料22的基质组分的热分解的热失控温度可显著低于在热失控事件期间在电池10内可达到的温度，例如大于900℃的温度。

[0067] 聚合物基质组分可以是多孔的、固体的或凝胶状的，并且可以包含聚合物或基本上由聚合物组成，例如具有共价键合的碳主链的有机聚合物和/或具有硅‑氧主链的无机有机硅聚合物(聚硅氧烷)。示例聚合物包括：环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、聚氨酯、脲醛树脂、聚乙烯、聚乙烯‑乙酸乙烯酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氯丁二烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚乳酸、聚(甲基丙烯酸甲酯)、硅酮、天然橡胶、三元乙丙(EPDM)橡胶、丁苯橡胶和/或丁腈橡胶。在其中聚合物基质组分是多孔的方面中，聚合物基质组分可表现出约16%至约50%范围内的孔隙率。

[0068] 聚合物基质组分可表现出小于约1W/m·K的热导率。例如，聚合物基质组分可表现出约0.1W/m.K至约0.5W/m.K范围内的热导率。

[0069] 导热颗粒组分可为填料材料22提供约3W/m·K的热导率。在各方面，导热颗粒组分可为填料材料22提供约3W/m·K至约10W/m·K范围内的热导率。

[0070] 导热颗粒组分可以占填料材料22的按体积计小于50%，例如。导热颗粒组分可以占填料材料22的按体积计大于5%、10%或20%，占填料材料22的按体积计小于50%、40%或30%，或者占填料材料22的按体积计为5‑50%、10‑40%或20‑30%。

[0071] 导热颗粒组分可由陶瓷基材料制成，并且可包括氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、沸石、氮化铝、碳化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼、氮化硅和/或氧化铍的微粒。

[0072] 所述导热颗粒组分可由平均粒径为0.2微米至100微米的范围内的微粒构成。

[0073] 在电池10完全或部分组装后，可将填料材料22引入壳体16的内部18。例如，通过制备包括液体聚合物前体以及导热颗粒组分的微粒的混合物，可将填料材料22引入壳体16的内部18。可以使用机械、物理和/或化学发泡技术在液体聚合物前体中产生气体，并且然后允许聚合物前体稳定并固化。

[0074] 鉴于上述公开，本领域的普通技术人员将容易地理解这些和其他益处。

[0075] 虽然已经详细描述了一些最佳模式和其他实施例，但是存在各种替代设计和实施例用于实施在所附权利要求中限定的本教导。本领域技术人员将认识到，在不偏离本公开的范围的情况下，可以对所公开的实施例进行修改。此外，本构思明确地包括所描述的元件和特征的组合和子组合。具体实施方式和附图对于本教导而言是支持性和描述性的，其中本教导的范围仅由权利要求限定。