電化學能量存儲器的製作方法
2023-05-04 21:31:51
專利名稱：電化學能量存儲器的製作方法
電化學能量存儲器描述本發明涉及電化學能量存儲器。關於該能量存儲器，防起火和/或消防是特別重要的。特別地，當這樣的能量存儲器在用於運送乘客的交通工具中使用，防起火或消防對於提高這樣的能量存儲器的安全是非常重要的方法。DE 10 2008 059 948 Al公開了用於交通工具，特別是機動交通工具的鋰離子電池的防起火和消防的方法和設備，其中具有單個電池單元的電池內部空間通過緊急電路與滅火劑存儲器相連接，以及其中，電池的內部空間和滅火劑存儲器通過緊急開口至少暫時地流體相連。DE102008059942A1公開了用於在具有冷卻劑迴路和滅火設備的交通工具中的防起火和/或消防的方法和設備。滅火設備設有緊急開口，這些開口在消防或防起火時被打開，並且滅火劑可通過這些開口被釋放出來。DE102008059968A1公開了用於操作交通工具的鋰離子電池的方法和設備，其中為了防起火和消防，具有單個電池單元的電池內部空間通過電路與電池的冷卻劑迴路流體相連，並在有需要時至少暫時地將冷卻劑從冷卻劑迴路引入所述內部空間。本發明的基本目的是，提出一種關於電化學能量存儲器的防起火和/或消防的技術指導，並因此儘可能地克服已知的解決方案的限制或缺點。該目的將通過根據獨立權利要求中任一項所述的電化學能量存儲器或其生產方法或與所述電化學能量存儲器相關的消防或防起火的方法來實現。藉助從屬權利要求，本發明的有利改進應獲得保護。根據本發明 ，設有殼體和在該殼體內安置的至少一個電化學單元的電化學能量存儲器，在其中，殼體的至少一個壁至少局部塗覆有或施加有滅火劑或滅火劑添加劑。此處，電化學能量存儲器被理解為將能量以化學形式存儲並將該能量以電形式提供給外部用電器的設備。該能量存儲器的重要的例子是燃料單元和伽伐尼單元，以及由多個這樣的單元構成的集合體。優選的是，這些單元是次級單元，也就是說，電化學能量存儲器不僅能夠將以化學形式存儲的能量以電的形式提供給用電器，而且還能夠以化學形式存儲按電能形式接收的能量，也就是說能夠被充電。用於電化學能量存儲器的殼體被理解為是，適合於並因此確定為，防止或阻礙電化學能量存儲器的組成部件和其周邊環境之間的物質傳輸的任何裝置。優選的是，殼體適合於或被確定為，防止或阻礙電化學能量存儲器與其周邊環境之間的不期望的能量交換，特別是此處的能量(特別是並非為電的形式的能量，比如熱能或機械能)以不期望的形式交換。殼體仍優選地用於保護電化學能量存儲器免受其周邊環境的不良影響，而另一方面同時還保護周邊環境不受可由電化學能量存儲器導致的汙染或危害。這樣的殼體通常(但並非一直)是完全封閉的，並且在一些情況下用於在能量存儲器和其周邊環境的可控的氣體交換。用於該能量存儲器的殼體的壁為適合於防止或阻礙能量存儲器和其周邊環境之間的不期望的物質交換或不期望的能量交換的組成部件。所述壁還特別包括將殼體的各部分彼此分開的殼體的那些組成部件。此處，起火被理解為，其中能量存儲器或能量存儲器的一些部分或其周邊環境以不期望的化學反應發生轉化或分解的每個過程。在這個意義上，起火特別是在能量存儲器的組件或器件或其周邊環境之間的放熱的化學反應，其往往隨著能量存儲器或其組件的過熱而發生。此處,滅火劑應被理解為具有滅火效果,優選為對起火有抑制效果和/或防止或阻礙起火的發生的物質或混合物質。關於本發明，滅火效果優選地應被理解為是抑制起火的效果，也就是說其能夠防止或減輕的起火的後果。滅火劑或其優選的包含物質的重要的例子是使得化學反應參與物遠離起火源(沒有該起火源，起火將不可維持)的物質，或抑制啟動或保持起火所必須的化學反應的物質。滅火劑優選為將滅火劑添加劑與溶劑或與載體物質相混合來生產。優選的是，關於本發明，滅火劑添加劑是所謂的凝膠形成劑，其與其他材料、溶劑或載體物質(比如優選為水)構建優選為粘稠的且優選為粘性的凝膠或者粘彈性的流體，其優選為在燃燒的物體和其表面間有高粘稠度的特點。優選地，凝膠形成劑例如用於滅火劑添加劑，其優選為基於所謂的超級吸收劑(Superabsorber)，以及優選為保持粉末或固態材料的形式，或也可作為乳液。超級吸收劑往往能夠吸收多倍於自身的重量或體積的水或其它載體物質。水基凝膠通過將相應的超級吸收劑與水混合而構成，其相比於傳統的泡沫覆蓋物(Schaumt印pich)(由氣密隔離層所構成)所具有的優點是，其比常規的泡沫覆蓋物保持水分的時間更長，並將明顯少得多的水分釋放到可燃材料中。關於本發明的描述，粘彈性的流體應理解為具有粘彈特性的流體。(理想的)流體被理解為是對於任意遲緩的剪切(幾乎)沒有抵抗度的物質。可壓縮的流體(氣體)和不可壓縮的流體(液體)是有區別的。上位概念「流體」被使用，這是因為大多數物理定律(近似)同樣地適用於氣體和液體，並且其許多特性只是定量地彼此區分，但不是根本定性地彼此區分。真實的流體可以根據其性質按「牛頓流體」和其所描述的流體力學，以及「非牛頓流體」和其所描述的流`動學加以劃分。此處，區別由介質的流動性質來確定，所述流動性質通過推動應力(Schubspannung)或剪切應力(Scherspannung)和形變速率(Verzerrungsgeschwindigkeit)或剪切速率(Schergeschwindigkeit)之間的函數關係來描述。例如聚合物熔體的流體或例如塑料的固體的與時間、溫度、和/或頻率相關的彈性被描述為粘彈性。粘彈性的特徵在於部分彈性，部分粘性的性質。該材料在移除外部作用力後不完全恢復到其原始狀態；剩餘能量以流動過程的形式被耗散。關於本發明的描述，凝膠應被理解為精細分散的系統，包括至少一個通常為固態的第一相，和至少一個通常為流體的第二相。凝膠通常表現為膠體(Kolloid)。其中，固態的相形成海綿狀的三維網絡，其孔通過液體或者通過氣體填充。其中，兩個相通常被完全穿過(durchdringen)。精細地分布在其他介質(固體、氣體或液體)，即分散介質中的顆粒或液滴被描述為膠體。根據本發明的一個優選實施方案，提供一種電化學能量存儲器，其具有多個電化學單元，在所述電化學單元之間至少局部地設有滅火劑或滅火劑添加劑。特別優選的是，這種電化學能量存儲器具有無框的、經由其側表面或接觸物電連接的稜柱狀電化學單元。
根據本發明的其他的優選實施方案，提供一種電化學能量存儲器，其中至少一個電化學單元至少局部地塗覆有或施加有滅火劑或滅火劑添加劑。其中特別優選的是電化學能量存儲器，其中電化學單元至少局部地以其側表面和滅火劑或滅火劑添加劑彼此形成薄層。根據本發明的其他的優選實施方案，提供一種電化學能量存儲器，其中滅火劑或滅火劑添加劑為固態或可彈性形變的材料，或者被包含在這樣的材料中。此處，術語固體也包括粉末或泡沫，特別是可彈性形變的泡沫材料的壓實的集合體。根據本發明的其他的 優選實施方案，提供一種電化學能量存儲器，其中滅火劑或滅火劑添加劑(例如以間隔物或邊緣保護板的形式)作為中間元件被設置在每兩個相鄰的電化學單元之間或在電化學單元和殼體壁之間。根據本發明的其他的優選實施方案，提供一種電化學能量存儲器，其中滅火劑或滅火劑添加劑能夠吸收或保持多倍於其體積的水。此處特別優選的是，基於凝膠形成劑的滅火劑包含特別是基於所謂的超級吸收劑的滅火劑添加劑。根據本發明的其他的優選實施方案，提供一種電化學能量存儲器，其中滅火劑或滅火劑添加劑包含至少一種聚合物，優選為共聚物，特別優選為丙烯醯胺共聚物或丙烯酸鈉共聚物。根據本發明的其他的優選實施方案，提供一種電化學能量存儲器，其中滅火劑或滅火劑添加劑包含至少一種脂肪酸酯。根據本發明的其他的優選實施方案，提供一種電化學能量存儲器，其中滅火劑或滅火劑添加劑包含至少一種表面活性劑。根據本發明的其他的優選實施方案，提供一種電化學能量存儲器，其中滅火劑或滅火劑添加劑包含由水和至少一種脂肪酸酯，至少一種聚合物，優選為共聚物，特別優選為丙烯醯胺共聚物或丙烯酸鈉共聚物所構成的至少一種混合物或乳液。根據本發明的其他的優選實施方案，提供一種電化學能量存儲器，其中滅火劑包含由約28%的至少一種聚合物，約6%的至少一種表面活性劑，約23%的至少一種酯油，以及約43%的水所構成的混合物或乳液。根據本發明的其他的優選實施方案，提供一種電化學能量存儲器，其中滅火劑添加劑與水一起使用，並包含由約50%的至少一種聚合物，約10%的至少一種表面活性劑，及約40%的至少一種酯油所構成的混合物或乳液。根據本發明的其他的優選實施方案，載體物質是一種冷卻劑，其中滅火劑添加劑可以通過載體物質與滅火劑相混合，並且其中所述冷卻劑在能量存儲器正常工作期間封閉的冷卻劑迴路中流動，所述冷卻劑迴路被設計為，在起火情況下，冷卻劑可以在特定位置從封閉的冷卻劑迴路排出，並在這些位置上發揮滅火效果。以這種方式，可實現在遇到起火的位置發揮滅火效果，同時可保持冷卻劑的效果。在本發明框架內，冷卻劑應被理解為是指可流動的材料，特別是氣態的或液體的熱傳輸介質，其能夠從周邊環境吸收熱量，該熱量通過流動傳輸，並且該熱量還可被釋放到其周邊環境，且由於其物理性質使得其適合於將熱量經由氣體動力學或流體動力學，特別是經由對流流動，通過熱傳導和/或熱傳輸在熱傳輸介質中傳輸熱量。對於通常在應用熱傳輸介質的技術中重要的例子是例如空氣或水或其它可用的冷卻劑。根據其應用的背景，其它氣體或液體也是可用的，如化學惰性的(弱反應性)的氣體或液體，例如具有高的熱容量和/或熱導率的惰性氣體或液化的惰性氣體或物質。此處，關於可流動的材料應該被理解為通過其可以形成空氣動力學或流體動力學的意義上的流動，或者通過其可以保持這樣的流動的任何材料。關於這樣的材料的例子特別為氣體和液體。然而在這個意義上，還在由液體或氣體和精細分布的固體構成的混合物，即所謂的氣溶膠中，或在膠體溶液中，可以保持或形成流動。根據本發明的特別優選的設備包括當在起火情況下冷卻劑在某些位置上從冷卻劑迴路被排出時，用於穩定冷卻劑壓力的設備。當冷卻劑由某些位置由冷卻劑迴路排出時，本發明的實施方案可以儘可能地或完全地保持冷卻劑的壓力，並因此關連冷卻作用，以在這些位置發揮滅火效果。優選的還有，根據本發明的實施方案，其中使用水作為冷卻劑，並且其中該冷卻劑流過在能量存儲器正常工作期間封閉的冷卻劑迴路中流動，所述冷卻劑迴路被設計為，在起火情況下可將水從特定的位置由封閉的冷卻劑迴路排出，並且在從冷卻劑迴路排出時與滅火劑添加劑混合，形成凝膠或粘彈性流體。其中，特別優選的是，使用由至少一種聚合物、至少一種表面活性劑和至少一種酯油所構成的滅火劑添加劑。此外特別優選的是，添加劑由約50%的至少一種聚合物、約10%的至少一種表面活性劑，及約40%的至少一種酯油所構成的混合物組成。在測量該混合物的比例時，最好要注意的是，冷卻混合物和滅火混合物或者添加劑的有利效果是基於冷卻和滅火混合物的粘彈性，以及其與水結合的能力。因此，可提高冷卻劑即使在光滑表面上的粘合力。液體不會無效地流走。特別是當由聚合物，酯油，表面活性劑和水混合時，混合物比例的合適測量值在動能的影響下導致了粘度 比在靜止期間顯著地減少。因此，具有低粘度的該類混合物通過冷卻劑迴路流動，而同時在起火位置由冷卻劑迴路排出時具有高粘度。該混合物的流動性因此主要取決於流速。通過在凝膠結構中的流體的化學物理連接，液體的蒸發速率在相對高的溫度下顯著降低。因此，也能夠顯著減少液體的消耗。在起火位置，凝膠結構連接的流體可通過相對較高的層厚度和減少的蒸發速度發揮提高的冷卻效果。這種效果在撲滅具有非常高的溫度的起火時具有很重要的意義。在一些優選的實施方案中，滅火劑添加劑優選的形式是由相對於添加劑的總量，由重量百分比為P%的至少一種聚合物，重量百分比為T%的至少一種表面活性劑和重量百分比為E%的至少一種酯油構成的混合物構成，其中45 彡 P 彡 55，S ^ T ^ 12,35 ^ E ^ 45以及P+T+E=100在下文中，本發明將參考優選的實施例，以及藉助附圖被更詳細地描述。其中
圖1示出了本發明的第一實施方案；
圖2示出了本發明的第二實施方案；圖3示出了本發明的第三實施方案；圖4示出了本發明的第四實施方案；圖5示出了本發明的第五實施方案；圖6示出了本發明的第六實施方案；圖7示出了本發明的第七實施方案。在圖1中示意性地示出的根據本發明的電化學能量存儲器，其具有殼體1，該殼體的壁在其內側塗覆有或施加有滅火劑或滅火劑添加劑7、8，以及在其底部塗覆有或施加有滅火劑或滅火劑添加劑9。在本實施方案中，電化學能量存儲器具有多個(在本情況下為四個)電化學單元2，其導體，即其電連接器3藉助於電連接塊6相互電串聯連接，以使由殼體向外延伸的導體4和5上具有圖1所示的電化學單元2產生的電壓的總和。本實施例與已知的電化學能量儲存器類型相比具有的優點是，如果在殼體內發生起火時，當燃燒的或可燃的材料在重力的作用下下降到殼體I的底板上，施加於殼體的壁和底板上的滅火劑和滅火劑添加劑7、8和9發揮對於燃燒的或可燃的材料的阻燃效果，以使有效地抵消了起火或其發展。如果塗料7、8和9不是滅火劑而是滅火劑添加劑，則有利的是，如果與滅火劑添加劑相結合而產生滅火劑的物質在通過破壞或在破壞燃燒的電化學單元2時被釋放，其能夠與滅火劑添加劑混合得到滅火劑或可與滅火劑添加劑反應。在其他情況下，可在起火時或為了預防起火，從外部引入例如水的載體物質，其與滅火劑添加劑可以混合或結合形成滅火劑。優選的是，在本發明的這些實施例中，塗覆或施加在殼體壁的材料為複合材料，其部分地由滅火劑添加劑和載體物質所組成,所述載體物質與滅火劑添加劑相結合而產生滅火劑，以使得高複合材料在起火`的產生的高溫的影響下混合或發生化學反應，並通過這種方式產生滅火劑。其它優選的實施方案提供的是，滅火劑添加劑通過塗覆或以其它方式施加到殼體內壁或殼體外壁上，使得在從外部供給溶劑或其它載體物質(例如水)時，在殼體壁或殼體底部引入的滅火劑添加劑與從外部引入的溶劑(優選為水)結合，以反應形成滅火劑。優選的滅火劑添加劑是由至少一種聚合物、至少一種表面活性劑和至少一種酯油所組成的混合物或乳液。該類混合物或乳液與水混合以形成被持續保持在燃燒表面上的滅火劑，並因此具有比沒有滅火添加劑的水更加持久和有效的阻燃和冷卻效果。其中，滅火劑添加劑含有優選約50%的至少一種聚合物，優選約10%的至少一種表面活性劑，和優選約40%的至少一種酯油。在滅火劑添加劑已經與其溶劑或其載體物質相結合，特別是與水相結合，作為混合物或乳液被施加到殼體壁或殼體底部或電化學能量存儲器的其它組成部件上的情況下，滅火劑優選為類似凝膠的、特別是粘稠的，以及由優選約28%的至少一種聚合物，優選約6%的至少一種表面活性劑，約23%的至少一種酯油，和約43%的水所構成。結合所有被示出的或描述的本發明的實施例或實施方案，其特徵的其餘部分也能夠有利地相互結合，滅火劑或滅火劑添加劑優選為凝膠或粘性流體。本發明的其它實施方案提供了一種滅火劑或滅火劑添加劑，該滅火劑或滅火劑添加劑是固體的或可彈性形變的材料，或被包含在這樣的固體的或可彈性形變的材料中。
在圖2中示意性地示出的本發明的實施例中，除了設置在殼體壁上的滅火劑或滅火劑添加劑7、8，以及設在殼體底部的滅火劑或滅火劑添加劑9之外，在電化學單元2之間還設置有滅火劑或滅火劑添加劑10，其中滅火劑或滅火劑添加劑的設置優選是局部地進行的，如圖2中示意性示出的。圖3示出了本發明的實施例，其中電化學單元2沒有由單元殼體或由單元包封伸出的電導體3，而是在電化學單元2通過其單元壁或單元包封側表面11發生接觸，以使通過其可實現多個單元2的電串聯，以使導電的或至少部分導電的單元壁彼此接觸，如圖3中所
/Jn o在由多個單元2所構成的單元堆棧的端部是電導體4和5，其由殼體I伸出，接觸外側電化學單元的單元壁。在本實施例中，滅火劑或滅火劑添加劑被局部地設置到單元壁
7、8或施加到底板9上。在圖3中所示的單元堆棧包括兩個部分堆棧，其中每個部分堆棧都包含三個單元，這部分堆棧通過電導體3和6保持連接。電連接塊6被實現為，在兩個部分單元堆棧之間可局部地設置滅火劑或滅火劑添加劑10。圖4以示意性的方式示出了本發明的一個實施例，在電化學單元或其側壁上至少局部地塗覆有滅火劑或滅火劑添加劑12。當單元包封破裂時，可通過設置在單元包封壁上的滅火劑或滅火劑添加劑抑制由於燃燒的或可燃的材料的洩漏所引起的起火。圖5示出了本發明的一個實施例，在其中，電化學單元2至少局部地以其側表面彼此層壓滅火劑13或滅火劑添加劑13而形成滅火劑13或滅火劑添加劑13的薄層。在單元壁未設有滅火劑或滅火劑添加劑13的區域中，優選地設有由導電材料14構成的接觸元件或接觸層，其實現了單元彼此的電互連。在電化學單元之間未設置有電接觸14且在這些電化學單元之間優選地設置有滅火劑或滅火劑添加劑10之處，由單元殼體或由單元包封伸出的單元的導體3，可如本發明的其它實施例，經由導電連接塊6相互連接。
圖6示出了圖5中所示的實施例的一個實施變體，其中壁塗層7和8以及底部塗層9通過滅火劑或滅火劑的添加劑延伸，使得這些塗料達到電化學電池的邊緣和壁。在部分單元堆棧之間設置的滅火劑或滅火劑添加劑10延伸，使得在電化學單元之間的空間和電化學單元下部的空間幾乎完全被充滿。在本發明的本實施方案中，滅火劑的阻燃和冷卻效果直接作用到電化學單元2的殼體或包封壁上。圖7示出了在圖5和6中所示的本發明的實施粒的其他的實施變體，其中單元殼體邊緣上部和下部的空間區域(優選為在導體由單元殼體或包封向外伸出的位置處)還由滅火劑或滅火劑添加劑15、16及17填充。根據本發明的描述，在附圖中使用下列參考標記I殼體2電化學單元3電化學單元的電接口(導體)4、5由殼體伸出的導體6在導體之間的導電連接7、8設置在殼體壁的內側的滅火劑或滅火劑添加劑9設置在殼體底部的滅火劑或滅火劑添加劑10設置在電化學單元之間的滅火劑或滅火劑添加劑
11有接觸的單元壁12單元壁的滅火劑或滅火劑添加劑的塗層13在電化學單元之間設置的滅火劑或滅火劑添加劑或形成薄層的滅火劑或滅火劑添加劑
14在單元壁之間的導電連接15、16、17設置在單元邊緣的滅火劑或滅火劑添加劑
權利要求
1.一種電化學能量存儲器，所述電化學能量存儲器具有殼體(I)和設置在所述殼體(I)內的至少一個電化學單元(2)， 其特徵在於， 所述殼體的至少一個壁至少局部地塗覆有或施加有滅火劑或滅火劑添加劑。
2.如權利要求1所述的電化學能量存儲器，所述電化學能量存儲器具有多個電化學單元，在所述多個電化學單元之間至少局部設置有滅火劑或滅火劑添加劑。
3.如權利要求2所述的電化學能量存儲器，所述電化學能量存儲器具有無框的、經由其側表面或接觸物電連接的稜柱狀電化學單元。
4.如前述權利要求中任一項所述的電化學能量存儲器，其中所述至少一個電化學單元至少局部地塗覆有或施加有滅火劑或滅火劑添加劑。
5.如權利要求3或4所述的電化學能量存儲器，其中所述電化學單元至少局部地以其側表面彼此層壓所述滅火劑或所述滅火劑添加劑而形成所述滅火劑或所述滅火劑添加劑的薄層。
6.如前述權利要求中任一項所述的電化學能量存儲器，其中所述滅火劑或所述滅火劑添加劑為凝膠或粘性流體。
7.如前述權利要求中任一項所述的電化學能量存儲器，其中所述滅火劑或所述滅火劑添加劑是固態的材料或可彈性形變的材料，或被包含在所述固態的材料或可彈性形變的材料中。
8.如前述權利要求中任一項所述的電化學能量存儲器，其中滅火劑或滅火劑添加劑作為中間元件被設置在每兩個相鄰的電化學單元之間或被設置在電化學單元和殼體壁之間。
9.如前述權利要求中任一項所述的電化學能量存儲器，其中所述滅火劑或所述滅火劑添加劑能夠吸收或保持多倍於其體積的水。
10.如前述權利要求中任一項所述的電化學能量存儲器，其中所述滅火劑或所述滅火劑添加劑包含至少一種聚合物，優選為包含共聚物，特別優選為包含丙烯醯胺共聚物或丙烯酸鈉共聚物。
11.如前述權利要求中任一項所述的電化學能量存儲器，其中所述滅火劑或所述滅火劑添加劑至少包含一種脂肪酸酯。
12.如前述權利要求中任一項所述的電化學能量存儲器，其中所述滅火劑或所述滅火劑添加劑包含至少一種表面活性劑。
13.如前述權利要求中任一項所述的電化學能量存儲器，其中所述滅火劑或所述滅火劑添加劑包含由水和至少一種脂肪酸酯，至少一種聚合物所構成的至少一種混合物或乳液，所述聚合物優選為共聚物，特別優選為丙烯醯胺共聚物或丙烯酸鈉共聚物。
14.如前述權利要求中任一項所述的電化學能量存儲器，其中所述滅火劑包含由 約28%的至少一種聚合物， 約6%的至少一種表面活性劑， 約23 %的至少一種酯油，和 約43%的水 所構成的混合物或乳液組成。
15.如前述權利要求中任一項所述的電化學能量存儲器，其中所述滅火劑添加劑與水一起使用，並包含由 約50%的至少一種聚合物， 約10%的至少一種表面活性劑和 約40%的至少一種酯油 所構成的混合物或乳液組成。
16.一種用於生產電化學能量存儲器，特別是生產根據上述權利要求中任一項所述的電化學能量存儲器的方法，其中所述電化學能量存儲器的殼體的至少一個壁至少局部地塗覆有或施加有滅火劑或滅火劑添加劑。
17.一種用於電化學能量存儲器的消防和防火的方法，其中所述電化學能量存儲器的殼體的至少一個壁至少局部地塗覆有或施加有滅火劑或滅火劑添加劑。
全文摘要
一種電化學能量存儲器，其具有殼體(1)和設置在殼體(1)內的至少一個電化學單元(2)，所述殼體(1)的至少一個壁至少局部地塗覆有或施加有滅火劑或滅火劑添加劑(7-9)。
文檔編號A62C3/16GK103069608SQ201180040111
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月17日 優先權日2010年8月19日
發明者蒂姆·謝弗, 艾哈德·施勒特雷爾, 克勞斯-魯伯特·霍恩桑納, 喬格·凱瑟 申請人:鋰電池科技有限公司