电化学装置以及应用其的用电装置

本申请涉及电池技术领域，尤其涉及一种电化学装置以及应用其的用电装置。

在电化学装置的生产、运输、存储以及使用等场景中，由于物理冲击、热、电等因素的影响，存在热失控的风险。这种热失控一般是电池包内一个电芯先出现热失控，随后火焰和热量向周围电芯传导，进而引发周围电芯的连续热失控，造成人员伤亡和财产损失。现有技术中，针对热失控的三种主要解决方案及缺陷为：(1)提升电芯化学体系的稳定性，但，高稳定性的电化学体系只是一定程度上提高了电芯的热稳定性，却并不能有效的阻止热失控的蔓延，且会导致能量密度下降、动力学性能下降；(2)在电池包内设置灭火装置，但，一方面电芯热失控中阴极材料可通过相变来释放氧气助燃，另一方面电池包内灭火剂的量有限，导致其吸热能力有限；(3)使用电池管理系统(BMS)探测电池包内的温度并进行监控及预警，但，当电池管理系统故障，或者，面对由外部机械滥用诱发的电芯热失控时，无法通过电池管理系统对电池包进行保护。

如何解决上述问题，提供一种对电芯能量密度影响较小、隔热效果更好的电芯隔热方案，是本领域技术人员需要考虑的。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本申请提供一种隔热效果明显且对电芯能量密度损耗影响较小的电化学装置。

本申请实施例提供了一种电化学装置，包括至少两个间隔设置的电芯，至少两个所述电芯沿第一方向堆叠设置，所述电化学装置还包括复合单元，至少两个相邻的所述电芯之间设有所述复合单元，所述复合单元包括：弹性材料层；隔热材料层，所述隔热材料层的熔点大于320℃，且导热系数小于或等于0.2W/mK；以及沿所述第一方向，所述弹性材料层与所述隔热材料层层叠设置。在该实施方式中，隔热材料层具有良好的隔热性能，弹性材料层与相邻两个电芯中的至少一个之间间隔设置有隔热材料层，即，弹性材料层的至少一侧被隔热材料层保护，以减缓或隔绝热失控由一个电芯向另一个电芯的蔓延，当其中一个电芯发生热失效时可有效隔离热量传递，从而减缓或隔绝热失控在电化学装置内部的蔓延；且设于电芯之间的复合单元具有弹性，可为在电化学循环过程中发生膨胀的电芯提供缓冲空间，避免电芯之间过度挤压，且可吸来自外部的物理冲击以保护电芯，使复合单元在具备隔热功能的同时具备缓冲件的功能，提升电化学装置内部空间的利用率，降低电化学装置能量密度的损耗。

在一种可能的实施方式中，所述弹性材料层与所述隔热材料层连接，沿所述第一方向，所述隔热材料层的正投影覆盖至少部分所述弹性材料层的正投影。在该实施方式中，沿所述第一方向，所述隔热材料层的正投影覆盖所述弹性材料层的正投影使得两个电芯之间的弹性材料层的至少一侧被隔热材料层保护。

在一种可能的实施方式中，沿所述第一方向，所述隔热材料层 的正投影大于或等于所述复合单元与所述电芯的接触面的正投影。在该实施方式中，相邻两个电芯的间隔面之间均填充有具备隔热功能的隔热材料层，可进一步提升电化学装置的隔热能力。

在一种可能的实施方式中，所述弹性材料层与一个所述电芯接触，所述隔热材料层与另一所述电芯接触。在该实施方式中，弹性材料层与隔热材料层为双层结构，弹性材料层主要用于提供缓冲空间，隔热材料层主要用于隔热，同时也可提供一定的缓冲空间，该双层结构可由两层尺寸相当的弹性材料层及隔热材料层连接形成，工艺难度较低。

在一种可能的实施方式中，所述隔热材料层的数量为两个，所述弹性材料层设于两个所述隔热材料层之间，每个所述隔热材料层分别与一个所述电芯接触。在该实施方式中，该三层结构中弹性材料层两侧均设置有弹性材料层及隔热材料层，复合单元两侧任一电芯发生热失控时，隔热的隔热材料层不仅可以减缓或隔绝热量传递，还可尽量避免弹性材料层融化以保护电化学装置内部结构。

在一种可能的实施方式中，所述弹性材料层的数量为两个，所述隔热材料层设于两个所述弹性材料层之间，每个所述弹性材料层分别与一个所述电芯接触。在该实施方式中，该三层结构中的隔热材料层可减缓或隔绝相邻两个电芯之间的热传递，两侧的弹性材料层可提供更多的缓冲空间。

在一种可能的实施方式中，所述隔热材料层设于所述弹性材料层表面并包裹所述弹性材料层。在该实施方式中，隔热材料层可对弹性材料层进行全方位包裹，隔热材料层在减缓或隔绝热量由一个电芯向相邻的另一个电芯之间传递的同时，还可以降低弹性材料层 受热融化的风险，未融化的弹性材料层亦可提供部分的隔热效果以提升复合单元的隔热性能。

在一种可能的实施方式中，所述电芯包括顶部及底部，所述顶部为所述电芯的设置有极耳的一端，所述底部为所述电芯中与所述顶部相背的一端，所述隔热材料层覆盖所述弹性材料层临近所述顶部的一端的表面。在该实施方式中，顶部的封装结合端相较于底部更易被明火或热流冲破，即，热失控以顶部为主要传递方向的概率较大，以隔热材料层保护弹性材料层靠近顶部的端部，可以降低弹性材料层受热融化的风险，未融化的弹性材料层亦可提供部分的隔热效果以提升复合单元的隔热性能。

在一种可能的实施方式中，沿所述第一方向，所述隔热材料层的厚度小于或等于所述电芯的厚度的20％。

在一种可能的实施方式中，所述隔热材料包括玻纤气凝胶、硅酸钙、硅酸镁复合纤维或芳纶中的至少一种。

在一种可能的实施方式中，所述隔热材料层的导热系数小于或等于0.07W/mK。

本申请另一实施例还提供了一种用电装置，所述用电装置包括前述的电化学装置和负载，所述电化学装置用于为所述负载供电。

相比于现有技术，本申请实施例的电化学装置，其复合单元同时兼具隔热及缓冲的功效，在提升安全性的同时亦可降低能量密度的损耗。具体的，隔热材料层具有良好的隔热性能，沿所述第一方向，所述隔热材料层的正投影覆盖所述弹性材料层的正投影使得两个电芯之间的弹性材料层的至少一侧被隔热材料层保护，当其中一个电芯发生热失效时可有效隔离热量传递，从而减缓或隔绝热失控 在电化学装置内部的蔓延；且设于电芯之间的复合单元具有弹性，可为在电化学循环过程中发生膨胀的电芯提供缓冲的形变空间，避免电芯之间过度挤压，且可吸来自外部的物理冲击以保护电芯，使复合单元在具备隔热功能的同时具备缓冲功能，提升电化学装置的空间利用率，降低电化学装置能量密度的损耗。

图1为本申请一实施例的电化学装置的示意图。

图2为本申请一实施例的复合单元的截面示意图。

图3为本申请另一实施例的复合单元的截面示意图。

图4为本申请又一实施例的复合单元的截面示意图。

图5为本申请又一实施例的复合单元的截面示意图。

图6为本申请又一实施例的复合单元的截面示意图。

图7为本申请实施例电化学装置在热失控试验下的温度变化曲线图。

图8为本申请一实施例的用电装置的示意图。

主要元件符号说明

电化学装置10

电芯11

顶部111

底部112

复合单元12

弹性材料层121

隔热材料层122

用电装置1

负载101

第一方向X

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。

以下描述将参考附图以更全面地描述本申请内容。附图中所示为本申请的示例性实施例。然而，本申请可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被解释为限于在此阐述的示例性实施例。提供这些示例性实施例是为了使本申请透彻和完整，并且将本申请的范围充分地传达给本领域技术人员。类似的附图标记表示相同或类似的组件。

本文使用的术语仅用于描述特定示例性实施例的目的，而不意图限制本申请。如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一”，“一个”和“该”旨在也包括复数形式。此外，当在本文中使用时，“包括”和/或“包含”和/或“具有”，整数，步骤，操作，组件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征，区域，整数，步骤，操作，组件，组件和/或其群组。

除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本申请所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。此外，除非文中明确定义，诸如在通用字典中定义的那些术语应该被解释为具有与其在相关技术和本申请内容中的含义一致的含义，并且将不被解释为理想化或过于正式的含义。

以下内容将结合附图对示例性实施例进行描述。须注意的是， 参考附图中所描绘的组件不一定按比例显示；而相同或类似的组件将被赋予相同或相似的附图标记表示或类似的技术用语。

下面参照附图，对本申请的具体实施方式作进一步的详细描述。

如图1所示，本申请实施例提供了一种电化学装置10，包括多个间隔设置的电芯11及复合单元12，多个电芯11沿第一方向X堆叠设置，至少两个相邻的电芯11之间设有复合单元12。电芯11可以为锂离子电池。

如图2至图6所示，复合单元12包括弹性材料层121及隔热材料层122，弹性材料层121与隔热材料层122连接，进一步的，隔热材料层122可涂覆或贴附于弹性材料层121表面。沿第一方向X，弹性材料层121与隔热材料层122层叠设置。弹性材料层121包括弹性材料。隔热材料层122包括具有弹性的隔热材料，隔热材料层122的熔点大于320℃，且导热系数小于或等于0.2W/mK。

在该实施方式中，隔热材料层122具有良好的隔热性能，弹性材料层121与相邻两个电芯11中的至少一个之间间隔设置有隔热材料层122，即，弹性材料层121的至少一侧被隔热材料层122保护，以减缓或隔绝热失控由一个电芯11向另一个电芯11的蔓延。当其中一个电芯11发生热失效时可有效减缓或隔绝热量传递，从而减缓或隔绝热失控在电化学装置10内部的蔓延；且设于电芯11之间的复合单元12具有弹性，可为在电化学循环过程中发生膨胀的电芯11提供缓冲空间，避免电芯11之间过度挤压，且可吸来自外部的物理冲击以保护电芯11，使复合单元12在具备隔热功能的同时具备缓冲件的功能，提升电化学装置10内部空间的利用率，降低电化学装置10能量密度的损耗。

通常，本领域中常见的实心塑料件的导热系数往往大于0.2W/mK，在本申请实施例中，隔热材料层122的导热系数小于或等于0.2W/mK可具备较好的隔热效果。

包含弹性材料的弹性材料层121具备缓冲功能，弹性材料层121可通过自身形变吸收来自电化学装置10外部的物理冲击，或为电芯11电化学循环过程中的膨胀提供缓冲。于一实施例中，弹性材料层121可以为例如泡棉的有机材质，弹性材料层121在常温状态下具备稳定的物理形态，弹性材料层121内部可分布有孔隙，使其具备缓冲功能及一定的隔热性能。

包含具有弹性的隔热材料层122中，隔热材料层122的导热系数小于或等于0.1W/mK，进一步的，隔热材料层122的导热系数小于或等于0.07W/mK。进一步的，隔热材料层122包括玻纤气凝胶、硅酸钙、硅酸镁复合纤维或芳纶中的至少一种。隔热材料层122具有良好的隔热性能，当电芯11发生热失控(例如燃烧)时，隔热材料层122不会发生收缩、融化、燃烧等现象，可以在电芯11发生热失控时保持良好的物理形态并减缓或隔绝明火或热气流在电化学装置10内部的传导，进一步减缓或隔绝热失控的蔓延。

于一实施例中，沿第一方向X，隔热材料层122的厚度小于或等于电芯11的厚度的20％。例如，一般电芯11在电化学循环中体积膨胀比例约为10％，隔热材料层122的弹性系数通常小于弹性材料层121的弹性系数，但复合单元12的综合体积压缩比例大于50％，在隔热材料层122的厚度小于或等于电芯11的厚度的20％的情况下，可保证电芯11之间具备足够的缓冲空间，隔热材料层122或复合单元12厚度过大则造成能量密度损耗较大。

于一实施例中，沿第一方向X上，隔热材料层122的正投影大于或等于复合单元12与电芯11的接触面的正投影。在该实施方式中，相邻两个电芯11的间隔面之间均填充有具备隔热功能的隔热材料层122，可进一步提升电化学装置10的总体隔热能力。

于一实施例中，沿第一方向X，隔热材料层122的正投影覆盖弹性材料层121的正投影。在该实施方式中，沿第一方向X，隔热材料层122的正投影覆盖至少部分弹性材料层121的正投影使得两个电芯11之间的弹性材料层121的至少一侧被隔热材料层122保护。

如图2所示，于一实施例中，弹性材料层121与一个电芯11接触，隔热材料层122与另一电芯11接触。在该实施方式中，弹性材料层121与隔热材料层122为双层结构，弹性材料层121主要用于提供缓冲空间，隔热材料层122主要用于隔热，同时也可提供一定的缓冲空间，该双层结构可由两层尺寸相当的弹性材料层121及隔热材料层122连接形成，工艺难度较低。

如图3所示，于一实施例中，隔热材料层122的数量为两个，弹性材料层121设于两个隔热材料层122之间，每个隔热材料层122分别与一个电芯11接触。即，复合单元12与任一相邻且接触的电芯11的接触的部分均为隔热材料层122，具有较好的隔热性能。

在该实施方式中，该三层结构中弹性材料层121两侧均设置有弹性材料层121及隔热材料层122，复合单元12两侧任一电芯11发生热失控时，隔热的隔热材料层122不仅可以减缓或隔绝热量传递，还可尽量避免弹性材料层121融化以保护电化学装置10内部结构。

如图4所示，于一实施例中，弹性材料层121的数量为两个，隔热材料层122设于两个弹性材料层121之间，每个弹性材料层121分别与一个电芯11接触。

在该实施方式中，该三层结构中的隔热材料层122可减缓或隔绝相邻两个电芯11之间的热传递，两侧的弹性材料层121可提供更多的缓冲空间。

如图1及5所示，于一实施例中，电芯11包括顶部111及底部112，顶部111为电芯11的设置有极耳的一端，底部112为电芯11中与顶部相背的一端，所述隔热材料层覆盖弹性材料层121临近顶部111的一端的表面。

在该实施方式中，顶部111的封装结合端相较于底部112更易被明火或热流冲破，即，热失控以顶部111为主要传递方向的概率较大，以隔热材料层122保护弹性材料层121临近顶部111的端部，可以降低弹性材料层121受热融化的风险，未融化的弹性材料层121亦可提供部分的隔热效果以提升复合单元12的隔热性能。

如图6所示，于一实施例中，隔热材料层122设于弹性材料层121表面并包裹弹性材料层121，可减缓或隔绝热失控所产的明火或热流从任意方向对弹性材料层121的侵蚀。

在该实施方式中，隔热材料层122可对弹性材料层121进行全面包裹，隔热材料层122在减缓或隔绝热量由一个电芯11向相邻的另一个电芯11之间传递的同时，还可以降低弹性材料层121受热融化的风险，未融化的弹性材料层121亦可提供部分的隔热效果以提升复合单元12的隔热性能。

如图7所示，为本申请一实施例的电化学装置10(实验标定参 数48V、12Ah)对一个电芯11诱发热失控时的电化学装置10的温度变化示意图。由图可知，正常工作状态下，电化学装置10的温度低于50℃，随着诱发热失控的过程继续，电化学装置10的温度逐渐升高，当热失控发生后，电化学装置10的温度迅速升高至320℃，保持该峰值一段时间(发生热失控的单个电芯11持续燃烧)，随后电化学装置10的温度逐步下降至正常范围。由图可知，本申请实施例的电化学装置10面临温度峰值为320℃的热失控时，可有效减缓或阻绝热失控进一步蔓延，避免其他电芯11被引燃，进而使电化学装置10的温度逐步下降至正常范围，本申请的电化学装置10具有良好的隔热功能。在其他实施例中，若电化学装置10为其他容量更大或能量密度更大的电化学装置，对应的热失控峰值温度可能更高，对应的，隔热材料层122的熔点(或燃点)应对应调高至例如330℃、350℃甚至更高，以满足电化学装置10的安全性需求。

如图8所示，为本申请实施例提供的用电装置1的示意图。本申请另一实施例还提供了一种用电装置1，该用电装置1包括电化学装置10和负载101，电化学装置10用于为负载101供电。本申请的用电装置1没有特别限定，其可以是用于现有技术中已知的任何用电装置。

在一些实施例中，用电装置1可以包括，但不限于，笔记本电脑、笔输入型计算机、移动电脑、电子书播放器、便携式通信设备、便携式复印机、便携式打印机、备用电源、电机、汽车、摩托车、电动自行车、照明器具、玩具、电动工具、家庭用大型蓄电池和锂离子电容器等。

上文中，参照附图描述了本申请的具体实施方式。但是，本领 域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本申请的精神和范围的情况下，还可以对本申请的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本申请所限定的范围内。