负热膨胀电流断续器的制作方法
相关申请
本申请要求于2017年5月1日提交的、名称为“具有内部负热膨胀电流断续器的电池”(batterywithinternalnegativethermalexpansioncurrentinterrupter)的美国临时专利申请no.62/492,827的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
本文描述的主题总体上涉及电力系统，并且更具体地涉及用于电力系统的负热膨胀电流断续器。
背景技术：
电力系统在操作期间会遇到许多风险，包括例如过热、过充电、短路等。例如，过电流可以指这样的情况，其中大于预期的电流流过电力系统，例如，电路、耗电器具、发电机、能量存储系统等。由于电流过载、短路、设计缺陷、接地故障、电弧故障等可能会导致过电流。过量电流产生的热量可能会带来重大风险，包括例如火灾、爆炸和电力系统损坏。
技术实现要素：
提供了包括电池和电池部件的系统、方法和制品。在当前主题的一些实现方式中，提供了一种电池。电池可以包括第一电流断续器。第一电流断续器可以包括负热膨胀材料，使得第一电流断续器响应于温度的升高而收缩。第一电流断续器的收缩可以在电池内形成非导电间隙。非导电间隙的形成会破坏电池内的电流流动。
在一些变型中，本文公开的包括以下特征的一个或多个特征可以可选地包括在任何可行的组合中。电池可以进一步包括第一电极。第一电流断续器可以设置在第一电极的表面上。
在一些变型中，电池可以进一步包括集电器。第一电流断续器可以插入在第一电极和集电器之间。非导电间隙的形成可至少通过使第一电极和集电器电去耦来破坏电流流动。
在一些变型中，电池可以进一步包括第二电极和第二电流断续器。第二电流断续器可以插入在第一电极和第二电极之间。第二断续器可包括负热材料，使得第二电流断续器响应于温度的升高而收缩。第二电流断续器的收缩会在电池内形成另一个非导电间隙。另一非导电间隙的形成可至少通过使第一电极和第二电极电去耦来进一步破坏电流流动。
在一些变型中，电池可以进一步包括分离器。电流断续器可以插入在分离器和第一电极之间。非导电间隙的形成可以至少通过使分离器和第一电极电去耦来破坏电流流动。
在一些变型中，负热膨胀材料可包括一种或多种氧化物。负热膨胀材料可以包括硅酸盐、钨酸锆、氰化物、钌酸盐、硅质八面沸石、fe3pt、钙钛矿氧化物、抗钙钛矿、沸石、钐富勒酸盐、lacu3fe4o12、因瓦合金、金属氧化物、低维材料、金属氟化物、机械响应性聚合物、多孔聚丙烯酰胺、二苯并环辛二烯(dbcod)和/或含有二苯并环辛二烯(dbcod)的聚丙烯酰胺膜。负热膨胀材料可以包括一种或多种负热膨胀材料的复合物。
在一些变型中，第一电极可以是电池的阴极或阳极。第一电极可以包括锂(li)。
在当前主题的一些实现方式中，提供了一种熔断器。熔断器可以包括插入在第一金属板和第二金属板之间的负热膨胀板。负热膨胀板可包括负热膨胀材料，使得负热膨胀板的至少一部分可响应于温度的升高而收缩。负热膨胀板的收缩可以在第一金属板和第二金属板之间形成非导电间隙。非导电间隙的形成会破坏流过与熔断器耦接的电力系统的电流。
在一些变型中，负热膨胀板可包括配置为提供结构支撑的非导电材料。非导电材料可以包括正温度系数材料，使得负热膨胀板的另一部分响应于超过阈值的温度而经历相变。相变可导致负热膨胀板的另一部分膨胀。非导电间隙还可以通过负热膨胀板的另一部分的膨胀而形成。
在一些变型中，正温度系数材料可包括聚乙烯、聚偏二氟乙烯(pvdf)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)热塑性塑料、玻璃和/或纤维增强的丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)、乙缩醛、琥珀、苯并环丁烯、醋酸纤维素(ca)、醋酸丁酸纤维素(cab)、硝酸纤维素(cn)、氯化聚醚、氯化聚氯乙烯(cpvc)、乙烯丙烯酸乙酯(eea)、乙烯醋酸乙烯酯(eva)、氟乙烯丙烯(fep)、萤石、caf2、杜仲胶、尼龙模制和/或挤压化合物、石蜡、聚丁烯(pb)、聚酰胺(pa)、聚酯和/或聚丙烯(pp)。
在一些变型中，电力系统可以是电路、耗电器具、发电机和/或能量存储系统。熔断器可以设置在电力系统的内部。熔断器可以通过外部连接与电力系统耦接。
在一些变型中，负热膨胀材料可包括一种或多种氧化物。负热膨胀材料可以包括硅酸盐、钨酸锆、氰化物、钌酸盐、硅质八面沸石、fe3pt、钙钛矿氧化物、抗钙钛矿、沸石、钐富勒酸盐、lacu3fe4o12、因瓦合金、金属氧化物、低维材料、金属氟化物、机械响应性聚合物、多孔聚丙烯酰胺、二苯并环辛二烯(dbcod)和/或含有二苯并环辛二烯(dbcod)的聚丙烯酰胺膜。负热膨胀材料可以包括一种或多种负热膨胀材料的复合物。
在附图和以下描述中阐述了本文描述的主题的一个或多个变型的细节。从说明书和附图以及从权利要求书中，本文描述的主题的其他特征和优点将是显而易见的。尽管出于与web应用程序用户界面有关的说明性目的描述了当前公开主题的某些特征，但应易于理解，这些特征并非旨在进行限制。本公开之后的权利要求旨在限定受保护主题的范围。
附图说明
结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本文所公开的主题的某些方面，并且与说明书一起帮助解释了与所公开的实现方式相关的一些原理。在图纸中，
图1描绘了示出与当前主题的实现方式一致的具有负热膨胀部件的电池单元的实例的示意图；
图2描绘了示出与当前主题的实现方式一致的具有负热膨胀部件的电池单元的另一实例的示意图；
图3描绘了示出与当前主题的实现方式一致的具有负热膨胀部件的电池单元的另一实例的示意图；
图4a描绘了示出与当前主题的实现方式一致的与电力系统耦接的负热膨胀熔断器的示意图；
图4b描绘了与当前主题的实现方式一致的负热膨胀熔断器的实例的截面图；
图4c描绘了与当前主题的实现方式一致的负热膨胀熔断器的实例的分解图；
图5描绘了示出与当前主题的实现方式一致的混合式负热膨胀部件的示意图；
图6描绘了示出制备层叠有与当前主题的实现方式一致的负热膨胀部件的电极的过程的流程图；
图7描绘了示出用于组装与当前主题的实现方式一致的电池单元的过程的流程图；
图8描绘了示出用于形成与当前主题的实现方式一致的负热膨胀熔断器的过程的流程图；
图9描绘了示出与当前主题的实现方式一致的具有负热膨胀部件的电池单元在不同放电率下的电池容量的表格；
图10描绘了示出在与当前主题的实现方式一致的具有负热膨胀部件的电池单元的冲击测试期间测量的电池单元温度和电池单元电压的表格；
图11描绘了示出在与当前主题的实现方式一致的具有负热膨胀部件的电池单元的过充电测试期间测量的电池单元温度和电池单元电压的表格；
图12描绘了示出在没有与当前主题的实现方式一致的负热膨胀部件情况下参考电池单元在不同放电速率下的电池容量的表格；
图13描绘了示出在没有与当前主题的实现方式一致的负热膨胀部件情况下参考电池单元的过充电测试期间测量的电池单元温度和电池单元电压的表格；和
图14描绘了示出与当前主题的实现方式一致的负温度膨胀材料的实例的表格。
在实际中，相似的附图标记表示相似的结构、特征或元件。
具体实施方式
电力系统在操作期间会过充电、过热和/或短路。例如，当电池单元被过充电和/或发生内部短路时，过电流会在诸如电池单元的能量存储系统中发生。由于对电池单元的压缩冲击和/或在电池单元的电极之间形成低阻抗路径的树枝状晶体的生长，电池单元可能产生内部短路。同时，当过量电流施加到电池单元时，例如，当电池单元处于完全充电状态时，电池单元可能变得过充电。内部短路和过充电都会对电池单元造成不可逆转的损坏。此外，内部短路和过充电会导致热逸散，这是一种危险情况，在这种情况下，来自过热电池单元的未耗散热量会加速电池单元内的放热反应，从而进一步提高电池温度。热逸散的后果可能尤其可怕，包括例如火灾，爆炸等。这样，在当前主题的一些实现方式中，电力系统可以与负热膨胀部件耦接，以消除与电力系统过热、过充电和/或短路相关的危险。
在当前主题的一些实现方式中，负热膨胀部件可以由具有负热膨胀特性的材料形成。例如，当温度升高时，负热膨胀部件会收缩。负热膨胀部件的收缩会产生非导电间隙，该间隙会中断电流流动通过电力系统。这样，负热膨胀部件可以防止电力系统暴露于过量电流。这样做，负热膨胀部件可以消除与过电流相关的危害，包括例如火灾、爆炸和/或对电力系统的损坏。
在当前主题的一些实现方式中，负热膨胀部件可以被集成到电力系统中，如所指出的，电力系统可以是电路、耗电器具、发电机、能量存储系统等。例如，负热膨胀部件可包括一层或多层负热膨胀材料，其设置在电池单元的电极、集电器和/或分离器之间。替代地和/或附加地，负热膨胀部件可以被实现为熔断器，其可以被部署在电力系统的内部和/或外部上。如上所述，负热膨胀部件在暴露于温度升高时会收缩。负热膨胀部件的收缩可以形成非导电间隙，该间隙会中断流过电力系统的电流。
如上所述，负热膨胀部件可以由具有负热膨胀特性的材料形成。根据当前主题的一些实现方式，负热膨胀部件可以由表现出负热膨胀特性的一种或多种氧化物形成。应当理解，氧化物可以承受极高的电压，例如超过10,000伏特，而不会发生结构退化。这样，负热膨胀部件可被部署在高压应用中，包括例如电动车辆、电网等。
在当前主题的一些实现方式中，负热膨胀部件可以由以下形成：硅酸盐(例如，lialsio4(β-锂霞石)、li2al2sino4+2n(β-锂辉石)、mg2al4si5o18(堇青石)等)、钨酸锆(例如，zrw2o8、zrw2o7等)、氰化物(例如，cd(cn)2、reo3、(hfmg)(wo4)3等)、钌酸盐(ca2ruo4·y)、硅质八面沸石、fe3pt、钙钛矿氧化物(例如，镍基钙钛矿氧化物bi0.95la0.05nio3等)、抗钙钛矿(例如，ni3ax、ni3mgc、ni3znn1-δ等)、沸石、钐富勒酸盐(sm2.75c60)、lacu3fe4o12、因瓦合金(例如，fe-ni-co等)、金属氧化物(例如，am2o8、am2o7、a2m3o12等)、低尺寸材料(例如，零维富勒烯和团簇、一维碳纳米管和二维石墨和/或石墨烯等)、金属氟化物(例如，scf3等)、机械响应性聚合物、多孔聚丙烯酰胺(paam)、二苯并环辛二烯(dbcod)、含有二苯并环辛二烯(dbcod)的聚丙烯酰胺膜等。替代地和/或附加地，负热膨胀部件可以由包含至少一种负热膨胀材料的复合物形成，所述负热膨胀材料包括例如zrw2o8/铜、zrw2o8/铝、zrw2o8/酚醛树脂、zrw2o8/聚酰亚胺、β-锂霞石/铜等。
例如，钙钛矿氧化物(bi.0.95la0.05nio3)在320开尔文(k)和380开尔文(k)之间的温度toper下可以表现出-82ppmk-1的负热膨胀系数。由钙钛矿氧化物(bi.0.95la0.05nio3)形成且原始长度为1毫米的负热膨胀部件在温度增加100开尔文(k)时会收缩并形成8.2微米的非导电间隙。替代地和/或附加地，在环境温度和/或接近环境温度下，二苯并环辛二烯(dbcod)和/或含有二苯并环辛二烯(dbcod)的聚丙烯酰胺膜可以具有-1200ppmk-1的负热膨胀系数。因此，当温度升高100开尔文(k)时，由二苯并环辛二烯(dbcod)和/或含有二苯并环辛二烯(dbcod)且原始长度为1毫米的聚丙烯酰胺膜形成的负热膨胀部件，其会收缩并形成120微米的非导电间隙。如所指出的，当电力系统受到电压、电流和/或温度的冲击时，非导电间隙的形成可以破坏流过电力系统(例如，电路、耗电器具、发电机、能量存储系统等)的电流，从而防止热逸散。
应当理解，非导电间隙也可以由电流断续器释放的气体和/或液体形成。替代地和/或附加地，非导电间隙可以通过电流断续器的分解来形成。在国际专利公开号wo2016/086184中描述了包括释放气体和/或液体和/或分解的电流断续器的电池，其公开内容通过引用并入本文。
图1描绘了示出与当前主题的实现方式一致的具有负热膨胀部件的电池单元100的实例的示意图。如图1所示，电池单元100可以包括电极110和集电器120。电极110可以是电池单元100的阳极和/或阴极。尽管未示出，但是电池单元100可以包括另一个集电器和具有与电极110相反极性的另一电极。
再次参考图1，电池单元100可包括负热膨胀部件。例如，在当前主题的一些实现方式中，负热膨胀部件可以是插入在电极110和集电器120之间的负热膨胀电流断续器130。如图1所示，使电池单元100受热可以导致负热膨胀电流断续器130收缩。例如，当电池单元100过充电、过热和/或发生内部短路时，电池单元100的温度会升高。负热膨胀电流断续器130可以通过收缩来响应温度的升高。例如，负热膨胀电流断续器130可以在所有方向上各向同性地或均匀地收缩。替代地和/或附加地，负热膨胀电流断续器130可以在不同方向上各向异性地或不均匀地收缩。应当理解，负热膨胀电流断续器130收缩的方式(例如，各向同性和/或各向异性)可以取决于负热膨胀电流断续器130的设计(例如，尺寸、形状等)和/或用于形成负热膨胀电流断续器130的材料。
在当前主题的一些实现方式中，负热膨胀电流断续器130的收缩可以在电极110和集电器120之间形成非导电间隙。例如，当收缩的负热膨胀电流断续器130至少部分地与电极110和/或集电器120分离时，可以形成非导电间隙，从而使电极110和集电器120电去耦。应当理解，非导电间隙可以是电极110和集电器120之间的全部和/或部分间隙。此外，非导电间隙也可以由负热膨胀电流断续器130释放的气体和/或液体形成。替代地和/或附加地，由于负热膨胀电流断续器130的分解，可以形成非导电间隙。电极110和集电器120之间的非导电间隙的存在可以中断流过电池单元100的电流，从而抵消了与过电流相关的风险。
在当前主题的一些实现方式中，负热膨胀电流断续器130可以由具有负热膨胀特性的材料形成，包括例如一种或多种氧化物。例如，负热膨胀电流断续器130可以由以下形成：硅酸盐(例如，lialsio4(β-锂霞石)、li2al2sino4+2n(β-锂辉石)、mg2al4si5o18(堇青石)等)、钨酸锆(例如，zrw2o8、zrw2o7等)、氰化物(例如，cd(cn)2、reo3、(hfmg)(wo4)3等)、钌酸盐(ca2ruo4·y)、硅质八面沸石、fe3pt、钙钛矿氧化物(例如，镍基钙钛矿氧化物bi0.95la0.05nio3等)、抗钙钛矿(例如，ni3ax、ni3mgc、ni3znn1-δ等)、沸石、钐富勒酸盐(sm2.75c60)、lacu3fe4o12、因瓦合金(例如，fe-ni-co等)、金属氧化物(例如，am2o8、am2o7、a2m3o12等)、低尺寸材料(例如，零维富勒烯和团簇、一维碳纳米管和二维石墨和/或石墨烯等)、金属氟化物(例如，scf3等)、机械响应性聚合物、多孔聚丙烯酰胺(paam)、二苯并环辛二烯(dbcod)、含有二苯并环辛二烯(dbcod)的聚丙烯酰胺膜等。替代地和/或附加地，负热膨胀电流断续器130可以由包含至少一种负热膨胀材料的复合物形成，所述负热膨胀材料包括例如zrw2o8/铜、zrw2o8/铝、zrw2o8/酚醛树脂、zrw2o8/聚酰亚胺、β-锂霞石/铜等。在图15中示出了展现负热膨胀特性的材料的其他实例，其描绘了表1500，该表示出了与当前主题的实现方式一致的负热膨胀材料的实例。
在当前主题的一些实现方式中，电池单元100可以是锂(li)离子电池。负热膨胀电流断续器130可以通过将90％scf3、5％碳黑和5％聚偏二氟乙烯(pvdf)的混合物以2毫克/平方厘米(mg/cm2)的负载涂布在铝(al)箔上来形成。电极110可以是电池单元110的锂(例如，licoo2)阴极，其可以通过在scf3表面上涂布5％等离子体化学气相沉积(pcvd)和5％碳添加剂的混合物来形成。替代地和/或附加地，电极110可以是电池单元100的石墨(c)阳极。
图2描绘了示出与当前主题的实现方式一致的具有负热膨胀部件的电池单元100的实例的示意图。如图2所示，电池单元100还可以包括插入在电池单元100的两个电极之间的分离器140，所述两个电极包括例如电极110和具有与电极110相反的极性的另一个电极。电极110可以是电池单元100的阳极和/或阴极。尽管在图2中未示出，但是电池单元100可以包括另一个电极以及与两个电极耦接的集电器。
如所指出的，电池单元100可以包括负热膨胀电流断续器130。在当前主题的一些实现方式中，代替和/或除了插入在电极110和集电器120之间，负热膨胀电流断续器130可以插入电极110和分离器140之间。如图2所示，使电池单元100受热可导致负热膨胀电流断续器130收缩。例如，当电池单元100过充电、过热和/或发生内部短路时，电池单元100的温度会升高。负热膨胀电流断续器130可以通过各向同性和/或各向异性收缩来响应温度的升高。例如，负热膨胀电流断续器130收缩的方式(例如，各向同性和/或各向异性)可以取决于负热膨胀电流断续器130的设计(例如，尺寸、形状等)和/或用于形成负热膨胀电流断续器130的材料。
在当前主题的一些实现方式中，负热膨胀电流断续器130的收缩可以在电极110和分离器140之间形成非导电间隙。例如，当收缩的负热膨胀电流断续器130至少部分地与电极110和/或分离器140分离时，可以形成非导电间隙，从而使电极110和分离器140电去耦。应当理解，非导电间隙可以是电极110和分离器140之间的部分和/或全部间隙。此外，非导电间隙也可以由负热膨胀电流断续器130释放的气体和/或液体形成。替代地和/或附加地，由于负热膨胀电流断续器130的分解，可以形成非导电间隙。电极110和分离器140之间的非导电间隙的存在可以中断流过电池单元100的电流，从而抵消了与过电流相关的风险。
在当前主题的一些实现方式中，负热膨胀电流断续器130可以由具有负热膨胀特性的材料形成，包括例如一种或多种氧化物。例如，负热膨胀电流断续器130可以由以下形成：硅酸盐(例如，lialsio4(β-锂霞石)、li2al2sino4+2n(β-锂辉石)、mg2al4si5o18(堇青石)等)、钨酸锆(例如，zrw2o8、zrw2o7等)、氰化物(例如，cd(cn)2、reo3、(hfmg)(wo4)3等)、钌酸盐(ca2ruo4·y)、硅质八面沸石、fe3pt、钙钛矿氧化物(例如，镍基钙钛矿氧化物bi0.95la0.05nio3等)、抗钙钛矿(例如，ni3ax、ni3mgc、ni3znn1-δ等)、沸石、钐富勒酸盐(sm2.75c60)、lacu3fe4o12、因瓦合金(例如，fe-ni-co等)、金属氧化物(例如，am2o8、am2o7、a2m3o12等)、低尺寸材料(例如，零维富勒烯和团簇、一维碳纳米管和二维石墨和/或石墨烯等)、金属氟化物(例如，scf3等)、机械响应性聚合物、多孔聚丙烯酰胺(paam)、二苯并环辛二烯(dbcod)、含有二苯并环辛二烯(dbcod)的聚丙烯酰胺膜等。替代地和/或附加地，负热膨胀电流断续器130可以由包含至少一种负热膨胀材料的复合物形成，所述负热膨胀材料包括例如zrw2o8/铜、zrw2o8/铝、zrw2o8/酚醛树脂、zrw2o8/聚酰亚胺、β-锂霞石/铜等。如所指出的，在图15的表1500中描绘了展现负热膨胀特性的材料的其他实例。
图3描绘了示出与当前主题的实现方式一致的具有负热膨胀部件的电池单元100的实例的示意图。如图3所示，电池单元100可以进一步包括具有与电极110相反的极性的另一电极150。此外，在当前主题的一些实现方式中，负热膨胀部件可以包括多个负热膨胀电流断续器，包括例如负热膨胀电流断续器130和另一个负热膨胀电流断续器160。尽管未示出，但是应当理解，电池单元100可以包括插入在电极110和另一个电极150之间的分离器。
在当前主题的一些实现方式中，负热膨胀电流断续器130可以插入电极110和集电器120之间。同时，另一个负热膨胀电流断续器160可以插入包括例如电极110和另一个电极150的电池单元100的两个电极之间。如图3所示，对电池单元100进行加热可导致负热膨胀电流断续器130和/或另一个负热膨胀电流断续器160收缩。例如，当电池单元100过充电、过热和/或发生内部短路时，电池单元100的温度会升高。负热膨胀电流断续器130和/或另一个负热膨胀电流断续器160可以通过各向同性和/或各向异性收缩来响应温度的升高。应当理解，负热膨胀电流断续器130和/或另一个负热膨胀电流断续器160收缩的方式(例如，各向同性和/或各向异性)可以取决于设计(例如，尺寸、形状等)和/或形成负热膨胀电流断续器130和/或另一个负热膨胀电流断续器160的材料。
在当前主题的一些实现方式中，负热膨胀电流断续器160的收缩可以在电极110和另一个电极150之间形成非导电间隙。替代地和/或附加地，另一个负热膨胀电流断续器130也可以收缩以在电极110和集电器120之间形成附加的非导电间隙。这些非导电间隙也可以由负热膨胀电流断续器130释放的气体和/或液体形成。替代地和/或附加地，非导电间隙可以由于负热膨胀电流断续器130的分解而形成。非导电间隙的存在会中断流过电池单元100的电流，从而抵消了当电池单元100过充电、过热和/或产生内部短路时出现的风险。
在当前主题的一些实现方式中，负热膨胀电流断续器130和/或另一个负热膨胀电流断续器160可以由具有负热膨胀特性的材料形成，包括例如一种或多种氧化物。例如，负热膨胀电流断续器130可以由以下形成：硅酸盐(例如，lialsio4(β-锂霞石)、li2al2sino4+2n(β-锂辉石)、mg2al4si5o18(堇青石)等)、钨酸锆(例如，zrw2o8、zrw2o7等)、氰化物(例如，cd(cn)2、reo3、(hfmg)(wo4)3等)、钌酸盐(ca2ruo4·y)、硅质八面沸石、fe3pt、钙钛矿氧化物(例如，镍基钙钛矿氧化物bi0.95la0.05nio3等)、抗钙钛矿(例如，ni3ax、ni3mgc、ni3znn1-δ等)、沸石、钐富勒酸盐(sm2.75c60)、lacu3fe4o12、因瓦合金(例如，fe-ni-co等)、金属氧化物(例如，am2o8、am2o7、a2m3o12等)、低尺寸材料(例如，零维富勒烯和团簇、一维碳纳米管和二维石墨和/或石墨烯等)、金属氟化物(例如，scf3等)、机械响应性聚合物、多孔聚丙烯酰胺(paam)、二苯并环辛二烯(dbcod)、含有二苯并环辛二烯(dbcod)的聚丙烯酰胺膜等。替代地和/或附加地，负热膨胀电流断续器130和/或另一个负热膨胀电流断续器160可以由包含至少一种负热膨胀材料的复合物形成，所述负热膨胀材料包括例如zrw2o8/铜、zrw2o8/铝、zrw2o8/酚醛树脂、zrw2o8/聚酰亚胺、β-锂霞石/铜等。如所指出的，在图15的表1500中描绘了展现负热膨胀特性的材料的其他实例。
图1-3描绘了负热膨胀部件，其被集成到诸如电池单元、电池组等的电力系统中。然而，如所指出的，在当前主题的一些实现方式中，负热膨胀部件也可以被实现为熔断器，其可以被耦接至电力系统的外部和/或内部。为了进一步说明，图4a描绘了说明与当前主题的实现方式一致的与电力系统450耦接的负热膨胀熔断器400的示意图。如图4a所示，负热膨胀熔断器400可以耦接到电力系统450的正端子。然而，应当理解，负热膨胀熔断器400也可以耦接到电力系统450的负端子。此外，电力系统450可以是任何类型的电力系统，包括例如电路、耗电器具、发电机、能量存储系统等。例如，电力系统450可以是电池、转换器(例如，dc/dc电压转换器、ac/dc转换器、dc/ac转换器等)等。负热膨胀熔断器400可以安装在发电机(例如，太阳能电池、太阳能电池板等)和包含可再充电电池、超级电容器、液流电池、燃料电池等的能量存储系统之间。
图4b描绘了与当前主题的实现方式一致的负热膨胀熔断器400的实例的截面图。同时，图4c描绘了与当前主题的实现方式一致的负热膨胀熔断器400的实例的分解图。参照图4a-c，负热膨胀熔断器400可以包括第一金属板410a和第二金属板410b。此外，负热膨胀熔断器400可以包括插入在第一金属板410a和第二金属板410b之间的负热膨胀板420。尽管图4c将负热膨胀熔断器400描绘为具有环形和/或盘状配置，但是应当理解，负热膨胀熔断器400可以具有与所示的不同的形状和/或配置，包括例如三角形、矩形等。
在当前主题的一些实现方式中，第一金属板410a和/或第二金属板410b可以由诸如镍(ni)等的金属制成。同时，负热膨胀板420可以是包括负热膨胀部分422和非导电部分424的混合式负热膨胀部件。根据当前主题的一些实现方式，非导电部分424可以被配置为提供结构支持。替代地和/或附加地，非导电部分424可以由任何非导电材料和/或非导电复合物形成，包括例如非导电氧化物(例如，氧化铝、氧化铁等)、非导电陶瓷(例如氧化硅、硼玻璃等)、非导电聚合物(例如聚乙烯、聚偏二氟乙烯(pvdf)等)、具有正热系数(ptc)的材料等。在负热膨胀板420的非导电部分424由正温度系数(ptc)材料形成的情况下，当经受超过阈值的温度时，非导电部分424可以经历相变。
负热膨胀部分422可以由具有负热膨胀特性的任何材料形成，包括例如硅酸盐(例如，lialsio4(β-锂霞石)、li2al2sino4+2n(β-锂辉石)、mg2al4si5o18(堇青石)等)、钨酸锆(例如，zrw2o8、zrw2o7等)、氰化物(例如，cd(cn)2、reo3、(hfmg)(wo4)3等)、钌酸盐(ca2ruo4·y)、硅质八面沸石、fe3pt、钙钛矿氧化物(例如，镍基钙钛矿氧化物bi0.95la0.05nio3等)、抗钙钛矿(例如，ni3ax、ni3mgc、ni3znn1-δ等)、沸石、钐富勒酸盐(sm2.75c60)、lacu3fe4o12、因瓦合金(例如，fe-ni-co等)、金属氧化物(例如，am2o8、am2o7、a2m3o12等)、低尺寸材料(例如，零维富勒烯和团簇、一维碳纳米管和二维石墨和/或石墨烯等)、金属氟化物(例如，scf3等)、机械响应性聚合物、多孔聚丙烯酰胺(paam)、二苯并环辛二烯(dbcod)、含有二苯并环辛二烯(dbcod)的聚丙烯酰胺膜等。替代地和/或附加地，负热膨胀板420可以由包含至少一种负热膨胀材料的复合物形成，所述负热膨胀材料包括例如zrw2o8/铜、zrw2o8/铝、zrw2o8/酚醛树脂、zrw2o8/聚酰亚胺、β-锂霞石/铜等。如所指出的，图15所示的表1500示出了与当前主题的实现方式一致的负热膨胀材料的其他实例。
再次参考图4b，当负热膨胀熔断器400受热时，负热膨胀板420的负热膨胀部分422可以收缩。替代地和/或附加地，当非导电部分424包括正温度系数(ptc)材料时，当温度超过阈值时，非导电部分424可以经历相变。应当理解，非导电部分424可以由任何正温度系数(ptc)材料形成，包括例如聚乙烯、聚偏二氟乙烯(pvdf)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)热塑性塑料、玻璃和/或纤维增强的丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)、乙缩醛、琥珀、苯并环丁烯、醋酸纤维素(ca)、醋酸丁酸纤维素(cab)、硝酸纤维素(cn)、氯化聚醚、氯化聚氯乙烯(cpvc)、乙烯丙烯酸乙酯(eea)、乙烯醋酸乙烯酯(eva)、氟乙烯丙烯(fep)、萤石、caf2、杜仲胶、尼龙模制和/或挤压化合物、石蜡、聚丁烯(pb)、聚酰胺(pa)、聚酯、聚丙烯(pp)等。
负热膨胀熔断器400可能由于流过电力系统450的电流大于预期电流而产生的过量热量而暴露于升高的温度下。在当前主题的一些实现方式中，随着温度继续升高，负热膨胀板420的负热膨胀部分422可以继续收缩。同时，一旦温度达到阈值，负热膨胀板420的非导电部分424就可以经历相变。应当理解，该相变可以包括固相到液相的转变、固相到气相的转变、液相到气相的转变等。非导电部分424可以由于经历相变而膨胀。
负热膨胀板420的负热膨胀部分422的收缩可使负热膨胀板420至少部分地与第一金属板410a和/或第二金属板410b分离，从而形成第一金属板410a和第二金属板410b之间的非导电间隙。替代地和/或附加地，负热膨胀板420的非导电部分424的膨胀可以通过进一步将负热膨胀板420与第一金属板410a和/或第二金属板410b分开来扩大非导电间隙。第一金属板410a和第二金属板410b之间的导电间隙可以是部分和/或全部间隙。在当前主题的一些实现方式中，第一金属板410a和第二金属板410b之间的该非导电间隙可以用作断路器，以中断流过电力系统450的电流。这样，负热膨胀熔断器400可以消除当电力系统450过热、过充电和/或发生短路时出现的危险。
图5描绘了示出与当前主题的实现方式一致的混合式负热膨胀部件500的另一实例的示意图。参照图1-3和图4a-c，混合式负热膨胀部件500可以实现负热膨胀电流断续器130、负热膨胀电流断续器160和/或负热膨胀板420。
在当前主题的一些实现方式中，混合式负热膨胀部件500可以包括由当暴露于超过阈值的温度时经历相变的材料形成的相变层510。例如，当相变层510暴露于超过阈值的温度时，相变层510可以经历固相到液相的转变、固相到气相的转变、液相到气相的转变等。相变可引起相变层510响应于超过阈值的温度而膨胀。应当理解，相变层510可以由响应于暴露于超过阈值的温度而经历相变的任何材料形成。例如，相变层510可以由正温度系数(ptc)材料形成，例如，聚乙烯、聚偏二氟乙烯(pvdf)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)热塑性塑料、玻璃和/或纤维增强的丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)、乙缩醛、琥珀、苯并环丁烯、醋酸纤维素(ca)、醋酸丁酸纤维素(cab)、硝酸纤维素(cn)、氯化聚醚、氯化聚氯乙烯(cpvc)、乙烯丙烯酸乙酯(eea)、乙烯醋酸乙烯酯(eva)、氟乙烯丙烯(fep)、萤石、caf2、杜仲胶、尼龙模制和/或挤压化合物、石蜡、聚丁烯(pb)、聚酰胺(pa)、聚酯、聚丙烯(pp)等。
在当前主题的一些实现方式中，相变层510可以与负热膨胀层520耦接。负热膨胀层520可以由具有负热膨胀特性的材料形成。这样，负热膨胀层520在暴露于升高的温度时可以收缩。此外，负热膨胀层520的收缩可以是连续的。即，随着温度持续升高，负热膨胀层250可以继续收缩。相反，应当理解，相变层510可以在阈值温度下经历单个离散的相变。
在当前主题的一些实现方式中，负热膨胀层520可以插入在相变层510和另一个相变层530之间。但是，应当理解，相变层530是可选的。替代地和/或附加地，混合式负热膨胀部件500可以包括多层相变材料和负热膨胀材料。根据当前主题的一些实现方式，负热膨胀层520可以响应于温度升高而收缩，而当温度超过阈值时，相变层510和/或相变层530可以膨胀。负热膨胀层520的收缩可以形成非导电间隙，其可以通过相变层510和/或相变层530的膨胀而进一步扩大。
图6描绘了示出制备层叠有与当前主题的实现方式一致的负热膨胀材料的电极的过程600的流程图。参考图1-3和6，可以执行过程600以在电极110的顶部上形成负热膨胀电流断续器130。
可以形成负热膨胀电流断续器130(602)。例如，负热膨胀电流断续器130可以通过将粘合剂溶解在溶剂中来形成。可以将导电添加剂和负热膨胀材料添加到粘合剂溶液中以形成浆液。可以将浆液涂布到金属箔的表面上。使浆液干燥可导致在金属箔的表面上形成负热膨胀电流断续器130。
电极110可以形成在负热膨胀电流断续器130的顶部(604)。例如，可以通过将粘合剂溶解在溶剂中来形成电极110。可以将导电添加剂添加到粘合剂溶液中以形成浆液。此外，可以在将浆液涂布到在操作602中形成的负热膨胀电流断续器130上并压缩成期望的厚度之前，将活性电极材料添加到浆液中。
图7描绘了流程图，其示出了用于组装与当前主题的实现方式一致的电池单元的过程700。参考图1-3和6-7，可以执行过程600以形成电池单元100。
电池单元的电极可通过将电极材料的片材冲压成适当形状和/或尺寸的片来形成(702)。例如，可以使用电极接线片将阴极材料和/或阳极材料的片材冲压成适当形状和/或尺寸的片。所得的电极可以被干燥(704)。例如，可以将电池单元的阴极在125℃下干燥10小时，而将电池单元的阳极在140℃下干燥10小时。
可以在电池单元的电极之间层压一层分离器，以形成扁平卷芯(706)。扁平卷芯可以放置在复合袋中(708)。例如，可以将在操作706中形成的扁平卷芯放置在铝(al)复合袋内。扁平卷芯可在复合袋内干燥(710)。例如，铝(al)复合袋内的扁平卷芯可以在70℃下干燥10小时。复合袋可以填充有电解质并且被密封以完成电池单元的组装(712)。
组装的电池单元可以被老化(714)。例如，在操作712中形成的电池单元可以被老化36小时。可以通过使电池单元经受形成过程来激活组装和老化的电池单元(716)。例如，电池单元可以经历形成过程，该形成过程是指被配置为激活电池单元的化学成分的受控的充电和放电循环。该形成过程可能需要通过暴露于逐渐增加的电流而不是恒定电流来对电池单元进行充电，从而使电池单元内的电压逐渐增加。应当理解，在形成过程完成之后，电池单元可以准备好分级和/或使用。
在当前主题的一些实现方式中，具有负热膨胀部件的电池单元(例如具有负热膨胀电流断续器130的电池单元100)可以免受过充电、过热和/或内部短路的有害影响。负热膨胀部件可以响应于温度的升高而收缩，从而形成一个或多个非导电间隙，该间隙阻断流过电池单元的电流。如图9和12所示，具有负热膨胀部件的电池单元可以具有与没有负热膨胀部件的电池相当的容量。然而，如图10所示，在电池单元中包含负热膨胀部件可以防止电池单元在受到冲击时着火和/或爆炸。例如，图10显示：使电池单元经受冲击(例如，从9.1公斤的钢棒)可能导致电池单元的电压降低至大约零伏，并且电池单元的温度升高至大约100℃。然而，由于存在负热膨胀部件，所以电池单元没有由于冲击而着火和/或爆炸。
此外，如图11所示，具有负热膨胀部件的电池单元可以承受过充电而不会着火和/或爆炸。例如，图11显示了过充电电池单元的电压和温度在逐渐减小之前先形成尖峰，并在大约20分钟后趋于稳定，这表明大约20分钟标记处电池单元内的阻抗迅速增加。相比之下，图13显示了没有负热膨胀部件的过充电参考电池单元的温度逐渐升高，直到在48分钟标记处时超过400℃形成尖峰，此时参考电池单元进入热逸散状态。图13还示出了当参考电池单元进入热逸散状态时，参考电池单元的电压在尖峰之前相对稳定。与具有负热膨胀部件的电池单元不同，参考电池单元的阻抗并未增加以阻止参考电池单元进入热逸散状态。
例如，可以通过以1安培的电流将电池单元充电至4.2伏(v)3小时来测试电池单元对撞击的反应。充满电的电池单元可以放置在坚硬的表面上。此外，热电偶可以附接到电池单元的表面，而电压表可以耦接到电池单元的正端子和负端子。可以将直径为15.8毫米、长度为70毫米的钢棒穿过放置在电池单元的中心。然后，电池单元可能会受到9.1千克(kg)的钢块的撞击，其悬挂在电池单元上方610毫米的高度并从其释放。释放钢块以自由下落到位于穿过电池单元的钢棒上后，可以记录电池单元的电压和温度。内径为8厘米(cm)的控制管可用于引导钢块自由下落。
具有钨酸锆负热膨胀部件的实例的电池单元
在当前主题的一些实现方式中，电池单元可以包括负热膨胀部件，例如由钨酸锆形成的负热膨胀电流断续器(例如，zrw2o8、zrw2o7等)。此外，电池单元可以包括锂(li)镍钴锰(nmc)氧化物阴极和由中间相碳微球(mcmb)形成的阳极。根据当前主题的一些实现方式，可以执行过程600以制备层叠有钨酸锆作为负热膨胀材料的电极，同时可以执行过程700以组装电池单元。
在当前主题的一些实现方式中，可以通过将0.5克
在当前主题的一些实现方式中，可以通过将6克聚偏二氟乙烯(pvdf)溶解在75克n-甲基吡咯烷酮(nmp)中来形成电池单元的阴极。可以将所得混合物与6克碳黑结合，并以大约6500转/分钟(rpm)的速率混合15分钟。在这里，可以将188克镍、锰和钴(nmc)添加到混合物中，并以约6500转/分钟(rmp)的速率混合30分钟。可以添加一些额外的n-甲基吡咯烷酮(nmp)以调节混合物的粘度。可以使用自动涂布机将得到的浆液涂布到负热膨胀部件的表面上，其中第一加热区设定为约85℃，第二加热区设定为约135℃。蒸发n-甲基吡咯烷酮(nmp)后，最终干燥的固体的负载量(单面)约为19.4毫克/平方厘米(mg/cm2)。此外，可以将最终干燥的固体压缩至约119微米(μm)的厚度。
在当前主题的一些实现方式中，可以通过将14克羧甲基纤维素(cmc)溶解在大约1077克去离子水中来形成电池单元的阳极。然后可以将混合物与20克碳黑和8克石墨烯结合，然后以大约6500转/分钟(rpm)的速率混合15分钟。在此，混合物可以进一步与744.2克中间相碳微球(mcmb)和140克合成石墨(timcal)结合，并以约6500转/分钟(rpm)的速率混合30分钟。此外，可以将悬浮在水中的22克固含量为50％的苯乙烯丁二烯橡胶(sbr)和3克锂中和的聚酰亚胺添加到混合物中，并以大约6500转/分钟(rpm)的速率混合5分钟。可以在使用自动涂布机将浆液涂布到9毫米厚的铜(cu)箔上之前，调节所得浆液的粘度，其中第一加热区设置为约100℃，第二加热区设置为约130℃。一旦水从涂布在铜(cu)箔上面的浆液中蒸发掉，最终干燥的固体的负载量将约为11.2毫克/平方厘米(mg/cm2)。此外，可以将最终干燥的固体压缩至约170微米(μm)的厚度。
在当前主题的一些实现方式中，可以通过形成电池单元的阴极和阳极来组装电池单元，例如，通过使用电极接线片将锂(li)镍钴锰(nmc)氧化物阴极材料和中间相碳微球(mcmb)阳极材料的片材冲压成合适的形状和/或尺寸。阴极可以在125℃下干燥10小时，而阳极可以在140℃下干燥10小时。随后可以将分离器层压在阴极和阳极之间以形成扁平卷芯。可以将扁平卷芯放入铝(al)复合袋中，并在70℃的真空烘箱中干燥。此后，可以用包含六氟磷酸锂(lipf6)的有机碳酸盐基电解质填充铝(al)复合袋，密封并老化16小时。组装和老化的电池单元可以经受包括充电和放电循环的形成过程。例如，可以首先以0.02c的c速率将电池单元充电至4.2伏，持续8小时，然后以0.5c的c速率将电池充电2小时。充电的电池单元可以放置20分钟，然后以0.5c的c速率放电至2.8伏。
在当前主题的一些实现方式中，在完成形成过程之后，可以刺穿电池单元以释放在组装过程中累积并重新密封的任何气体。然后，电池单元可以准备好使用和/或分级，包括例如冲击测试、过充电测试、放电容量测试等。
参考电池单元
可以形成参考电池单元以用作提供基线性能统计数据的对照样品。参考电池单元可以不具有负热膨胀部件地形成并且因此可以缺少过电流保护。此外，参考电池单元可以包括锂(li)镍钴锰(nmc)氧化物阴极和中间相碳微球(mcmb)阳极。
在当前主题的一些实现方式中，可以通过将21克聚偏二氟乙烯(pvdf)溶解在262.5克n-甲基吡咯烷酮(nmp)中来形成参考电池单元的阴极。此外，可以将8.4克碳黑加入溶液中，并以约6500转/分钟(rpm)的速率混合15分钟。可以将混合物与570.6克的镍、锰和钴(nmc)结合，并以约6500转/分钟的速率混合30分钟，以形成可流动的浆液。可以在使用自动涂布机将浆液涂布到15毫米(mm)厚的铝(al)箔上之前，向浆液中添加附加的n-甲基吡咯烷酮(nmp)，以调节浆液的粘度。自动涂布机的第一加热区可设置为约80℃，自动涂布机的第二加热区可设置为约130℃，以将n-甲基吡咯烷酮(nmp)从涂布在铝(al)箔上的浆液中蒸发掉。得到的干燥固体可以压缩到大约124微米(μm)的厚度，该固体的负载量约为16.68毫克/平方厘米(mg/cm2)。
在当前主题的一些实现方式中，可以通过将13克羧甲基纤维素(cmc)溶解在大约764克去离子水中来形成参考电池单元的阳极。然后可以将混合物与20克碳黑结合，并以大约6500转/分钟(rpm)的速率混合15分钟。在此，混合物可以进一步与757.28克中间相碳微球(mcmb)以及188.72克合成石墨(timcal)结合，并以约6500转/分钟(rpm)的速率混合30分钟。另外，可以将悬浮在水中的21克的固体含量为50％的苯乙烯丁二烯橡胶(sbr)添加到混合物中，并以大约6500转/分钟(rpm)的速率混合5分钟。可以在使用自动涂布机将浆液涂布到9毫米厚的铜(cu)箔上之前，调节所得浆液的粘度，其中第一加热区设置为约95℃，第二加热区设置为约125℃。一旦水从铜(cu)箔上面的浆液中蒸发掉，最终干燥后的固体(其负载量约为11毫克/平方厘米(mg/cm2))可以压缩至约149微米(μm)的厚度。
在当前主题的一些实现方式中，可以通过形成参考电池单元的阴极和阳极来组装参考电池单元，例如，通过使用电极接线片将锂(li)镍钴锰(nmc)氧化物阴极材料和中间相碳微球(mcmb)阳极材料的片材冲压成近似的形状和/或尺寸。阴极可以在125℃下干燥10小时，而阳极可以在140℃下干燥10小时。随后可以将分离器层压在阴极和阳极之间以形成扁平卷芯。可以将扁平卷芯放入铝(al)复合袋中，并在70℃的真空烘箱中干燥。此后，可以用包含六氟磷酸锂(lipf6)的有机碳酸盐基电解质填充铝(al)复合袋，密封并老化16小时。组装和老化的电池单元可以经受包括充电和放电循环的形成过程。例如，可以首先以0.02c的c速率将参考电池单元充电至4.2伏，持续8小时，然后以0.5c的c速率将其充电2小时。充电的电池单元可以放置20分钟，然后以0.5c的c速率放电至2.8伏。
在当前主题的一些实现方式中，在完成形成过程之后，可以刺穿参考电池单元以释放在组装过程中累积的任何气体并重新密封。然后，参考电池单元可以准备好使用和/或分级，包括例如冲击测试、过充电测试、放电容量测试等。
图8描绘了示出用于形成与当前主题的实现方式一致的负热膨胀熔断器的过程800的流程图。参照图4a-c和图8，可以执行过程800以形成负热膨胀熔断器400，如上所述，其包括插入在第一金属板410a和第二金属板410b之间的负热膨胀板420。
可以形成负热膨胀板420的负热膨胀部分422(802)。例如，可以通过将0.05克的聚偏二氟乙烯(pvdf)溶解在6克的n-甲基吡咯烷酮(nmp)中来形成负热膨胀部分422。该溶液可以与5克负热膨胀材料和1克碳黑结合形成糊状物。此外，该糊状物可以在100℃下干燥24小时。应当理解，糊状物可以被干燥成任何形状和/或配置，包括例如环形、矩形等。
可以形成负热膨胀板420的非导电部分424(804)。例如，可以通过将5克蜡与5克聚偏二氟乙烯(pvdf)混合来形成非导电部分424。如所指出的，应当理解，非导电部分424可以形成为提供结构支撑和/或表现出正温度系数(ptc)特性。
负热膨胀部分422和非导电部分424可以被压缩以形成负热膨胀板420(806)。例如，负热膨胀部分422和非导电部分424可以被加载到两室模具中并被压缩以形成负热膨胀板420。
可以通过在第一金属板410a和第二金属板410b之间压缩负热膨胀板420来形成负热膨胀熔断器400(808)。例如，负热膨胀板420可以插入在第一金属板410a和第二金属板420之间，第一和第二金属板可以是具有大约0.2毫米(mm)的厚度的镍(ni)板。此外，可以将第一金属板410a和第二金属板410b之间的负热膨胀板420在60℃下压缩以形成负热膨胀熔断器400。
在当前主题的一些实现方式中，可以通过执行过程800形成的负热膨胀熔断器400可以被集成到诸如电力系统450的电力系统中。替代地和/或另外地，负热膨胀熔断器400可以通过外部连接耦接到电力系统。
在以上描述和权利要求中，可能出现诸如“至少一个”或“一个或多个”的短语，随后是元件或特征的组合列表。术语“和/或”还可以出现在两个或更多个元件或特征的列表中。除非与其使用的上下文隐含地或明显地相反，否则该短语旨在表示单独列出的任何元件或特征，或与任何其他所述的元件或特征组合使用任何所述的元件或特征。例如，短语“a和b中的至少一个；”、“a和b中的一个或多个；”和“a和/或b”分别旨在表示“单独一个a，单独一个b，或a和b一起”。类似的解释也适用于包含三个或更多项目的列表。例如，短语“a、b和c中的至少一个；”、“a、b和c中的一个或多个；”以及“a、b和/或c”中的每一个均旨在表示“仅a单独、b单独、c单独、a和b一起、a和c一起、b和c一起、或a和b和c一起”。上面和权利要求中的术语“基于”的使用旨在表示“至少部分基于”，这样也允许未引用的特征或元件。
根据期望的配置，所述主题可以体现在系统、装置、方法和/或制品中。前述描述中阐述的实现方式并不代表与所述主题一致的所有实现方式。相反，它们仅是与所述主题有关的方面一致的一些实例。尽管上面已经详细描述了一些变型，但是其他修改或添加是可能的。特别地，除了本文阐述的那些特征和/或变型之外，还可以提供其他特征和/或变型。例如，上述实现方式可以针对所公开的特征的各种组合和子组合和/或以上公开的若干其他特征的组合和子组合。另外，附图中描绘的和/或本文中描述的逻辑流程不一定需要所示的特定顺序或连续顺序来实现期望的结果。其他实现方式可以在所附权利要求的范围内。
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