CN105185966A - 用于锂离子动力电池的散热材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于锂离子动力电池的散热材料，由热电材料与锂电材料复合而成。其中，热电材料是Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3和/或Sb2Se3热电材料，进一步优选，热电材料是Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3和/或Sb2Se3热电材料所对应的P型热电材料或N型热电材料；锂电材料包括锂离子电池正极材料和锂离子电池负极材料。本发明的散热材料是由热电材料与锂电材料通过球磨法与高温熔融法结合制备，所制备散热材料组装成的全电池，其散热性能明显优于同批次的其它全电池，保证了电池的安全性能和循环寿命。

Description

用于锂离子动力电池的散热材料
技术领域
本发明涉及一种用于锂离子动力电池的散热材料。
背景技术
自从锂离子动力电池开始广泛应用以来，由于使用不当而引发电池自燃甚至发生爆炸事件的报道频繁不断。电池的使用安全性问题是电动汽车发展的一大瓶颈，亟待解决。其中，热失控是最大的安全问题之一。
锂离子动力电池发生热失控的的主要原因是在其充放电过程中会产生大量的热使得电池温度急剧升高，若这些热量不能及时散失掉将导致电池组内部温度急剧升高及温度分布不均匀，引起电池内部一系列的反应，如电解液的分解反应、电池正极材料的分解反应、SEI膜分解反应，嵌锂碳与电解液的反应等。这些反应会影响到电动汽车的整车性能、可靠性及安全性。
目前最常采用的方式是优化外部散热条件采用热管理系统进行监控。中国专利申请号200910095317.7公开了一种电池组散热系统，该电池组散热系统通过压缩气体对动力电池组进行散热降温。中国专利申请号200910115205.3公开了一种具有散热装置的电池组，通过在相邻单体电池的空隙处增设散热装置，提高电池的稳定性和使用寿命。
本发明从材料本身出发解决电池散热问题。热电材料的赛贝克效应(Seebeckeffect)表明两种不同半导体或导体构成的闭合回路中，当两个连接点处有温差存在时，就会在回路中产生电势差，回路中就会有电流流过。采用热电材料与锂电材料复合，利用热电材料的温差发电将这些废热直接转换成电能利用。电池自身产生的热量及时转化成电能再利用在一定程度上保障了电池的安全性能和循环寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于锂离子动力电池的散热材料。
本发明要解决的另外一个技术问题是提供一种用于锂离子动力电池的散热材料的制备方法。
对于散热材料，本发明采用的技术方案是：用于锂离子动力电池的散热材料，由热电材料与锂电材料复合而成。
作为优选，热电材料是Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3和/或Sb2Se3热电材料。
作为进一步优选，热电材料是Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3和/或Sb2Se3热电材料所对应的P型热电材料；或
热电材料是Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3和/或Sb2Se3热电材料所对应的N型热电材料。
作为更进一步的优选，P型热电材料包括BixSb2-xTe3、CdxSb2-xTe3、PdxSb2-xTe3、SnxSb2-xTe3、CdxBi2-xTe3、PdxBi2-xTe3、SnxBi2-xTe3、CdxBi2-xSe3、PdxBi2-xSe3、SnxBi2-xSe3、BixSb2-xSe3、CdxSb2-xSe3、PdxSb2-xSe3、SnxSb2-xSe3中的一种或多种混合，其中，0＜x＜2；或
N型半导体包括Bi2Te3-ySey、Bi2Te3-yIy、Bi2Te3-yBry、Bi2Te3-yAly、Bi2Te3-yLiy、Sb2Te3-ySey、Sb2Te3-yIy、Sb2Te3-yBry、Sb2Te3-yAly、Sb2Te3-yLiy、Bi2Se3-yIy、Bi2Se3-yBry、Bi2Se3-yAly、Bi2Se3-yLiy、Sb2Se3-yIy、Sb2Se3-yBry、Sb2Se3-yAly、Sb2Se3-yLiy中的一种或多种混合，其中0＜y＜3。
作为优选，锂电材料包括锂离子电池正极材料和锂离子电池负极材料；所述锂离子电池正极材料为磷酸铁锂、三元镍钴锰、锰酸锂、钴酸锂、高电压镍锰材料、富锂材料中的一种或几种混合；所述锂离子电池负极材料为石墨、钛酸锂、硅基负极材料、锡基负极材料中的一种或几种混合。
作为优选，散热材料由P型热电材料与锂离子电池正极材料复合而成；或
散热材料由N型热电材料与锂离子电池负极材料复合而成。
作为优选，P型热电材料与锂离子电池正极材料的质量比为1∶80～100，最终成品料的粒径尺寸D50为5～8μm；或
N型热电材料与锂离子电池负极材料的质量比为1∶80～100，最终成品料的粒径尺寸D50为5～8μm。
对于散热材料的制备方法，本发明采用的技术方案包括以下几个步骤：
(1)将热电材料和锂电材料以1∶80～100的质量比，采用球磨法干法研磨混合均匀，球料比为15～5∶1，使用聚四氟乙烯球和二氧化锆罐进行研磨，球磨时间6～10h，球磨转速为180～250rpm，得到料A；
(2)将料A于惰性气氛熔炼炉中烧结，升温速率为0.5～1℃/min，升温至600～700℃，煅烧4～8h，退火12～18h至400～450℃，得到成品块体B；
(3)最后采用球磨法湿法研磨，将成品块体B粉碎，分散剂为无水乙醇，固含量为40～60％，球料比为20～5∶1，使用钢球和钢罐进行研磨，球磨时间6～10h，球磨转速为300～360rpm，粒径尺寸为5～8μm，于真空干燥箱中80～100℃烘干，制得锂电/热电复合的散热材料。
作为优选，在步骤(1)中，热电材料的粒径尺寸为0.5～50μm，其中0.5～30μm较优，优选0.5～5μm；热电材料与锂电材料的混合球料比为10～5∶1，优选为5∶1。
本发明的有益效果是：
此散热材料是通过球磨法与高温熔融法结合制备得到，用该散热材料组装成的全电池，其散热性能明显优于同批次的其它全电池，保证了电池的安全性能和循环寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明用于锂离子动力电池的散热材料实施例1和对比例1所对应的1965140型方形铝壳电池55℃1C循环性能对比图。
具体实施方式
实施例1
正极材料选取三元材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2与P型热电材料Bi0.2Sb1.8Te3进行复合，其质量比为80∶1，两者以200rpm的球磨转速，8h的球磨时间和5∶1的球料比进行机械混合。以0.8℃/min的升温速率升温至650℃，煅烧6h，退火18h至400℃。将熔融而成的成品块体材料进行高能机械球磨，无水乙醇为分散剂，球料比为10∶1，球磨转速330rpm，球磨时间10h，固含量为48％进行成品块体材料的机械粉碎，研磨后，粒径尺寸D50为6μm。负极选用人造石墨。做成全电池并组装成电池组进行验证。电池制作完成后测试电池的55℃1C循环性能。活性物质充放电过程中产生热量，热量分布不均匀导致温差产生，P型材料低温端空穴堆积，形成高电位点，由外端电路直接导出，热能转化成电能直接利用。保障了电池的循环稳定性。
对比例1
三元材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2为正极材料。负极选用人造石墨。做成全电池并组装成电池组进行验证。电池制作完成后测试电池的55℃1C循环性能。图1是实施例1以及对比例1所对应的1965140型方形铝壳电池55℃1C循环性能对比图。
实施例2
正极材料选取三元材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2与P型热电材料Bi0.5Sb1.5Te3的进行复合，其质量比为80∶1，两者以200rpm的球磨转速，8h的球磨时间和5∶1的球料比进行机械混合。以0.8℃/min的升温速率升温至680℃，煅烧5h，退火18h至450℃。将熔融而成的成品块体材料进行高能机械球磨，无水乙醇为分散剂，球料比为10∶1，球磨转速350rpm，球磨时间10h，固含量为50％进行成品块体材料的机械粉碎，研磨后，粒径尺寸D50为5μm。
负极选取钛酸锂与N型热电材料Bi2Te2.85Sb0.15的复合材料，其质量比为100∶1，两者以180rpm的球磨转速，6h的球磨时间和5∶1的球料比进行机械混合。以1℃/min的升温速率升温至650℃，煅烧5h，退火16h至400℃。将熔融而成的成品块体材料进行高能机械球磨，无水乙醇为分散剂，球料比为10∶1，球磨转速330rpm，球磨时间10h，固含量为46％进行成品块体材料的机械粉碎，研磨后，粒径尺寸D50为6μm。
做成全电池并组装成电池组进行验证。电池制作完成后测试5个并联电池组倍率放电(以0.5C、1C、2C和3C倍率放电，均以0.33C充电。)条件下电池外壳及相邻单体电池间隙处的温度变化。活性物质充放电过程中产生热量，热量分布的不均匀产生温差，P型材料低温端空穴堆积，形成高电位点；N型材料低温端电子堆积，形成低电位点，由外端电路直接导出，热能转化成电能直接利用。使得所制备的全电池具有很好的散热效果。
对比例2
正极材料选用高电压镍锰材料LiNi0.5Mn1.5O4，负极选用钛酸锂。做成全电池并组装成电池组进行验证。电池制作完成后测试5个并联电池组倍率放电(以0.5C、1C、2C和3C倍率放电，均以0.33C充电。)条件下电池外壳及相邻单体电池间隙处的温度变化。
表1是实施例2和对比例2所对应的5个1965140型方形铝壳电池常温并联倍率放电(以0.5C、1C、2C和3C倍率放电，均以0.33C充电)条件下电池外壳及相邻单体电池间隙处的温度对比。
表1

Claims (10)

1.用于锂离子动力电池的散热材料，其特征在于，所述散热材料由热电材料与锂电材料复合而成。
2.根据权利要求1所述的散热材料，其特征在于：所述热电材料是Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se和/或Sb2Se3热电材料。
3.根据权利要求2所述的散热材料，其特征在于：所述热电材料是Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3和/或Sb2Se3热电材料所对应的P型热电材料；或
所述热电材料是Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3和/或Sb2Se3热电材料所对应的N型热电材料。
4.根据权利要求3所述的散热材料，其特征在于：
所述P型热电材料包括BixSb2xTe3、CdxSb2xTe3、PdxSb2xTe3、SnxSb2xTe3、CdxBi2-xTe3、PdxBi2-xTe3、SnxBi2-xTe3、CdxBi2-xSe3、PdxBi2-xSe3、SnxBi2-xSe3、BixSb2xSe3、CdxSb2xSe3、PdxSb2xSe3、SnxSb2xSe3中的一种或多种混合，其中，0＜x＜2；或
所述N型半导体包括Bi2Te3-ySey、Bi2Te3-yIy、Bi2Te3-yBry、Bi2Te3-yA1y、Bi2Te3yLiy、Sb2Te3ySey、Sb2Te3yIy、Sb2Te3yBry、Sb2Te3-yAly、Sb2Te3yLiy、Bi2Se3yIy、Bi2Se3yBry、Bi2Se3yAly、Bi2Se3yLiy、Sb2Se3yIy、Sb2Se3yBry、Sb2Se3yAly、Sb2Se3yLiy中的一种或多种混合，其中0＜y＜3。
5.根据权利要求1或3所述的散热材料，其特征在于：所述锂电材料包括锂离子电池正极材料和锂离子电池负极材料；所述锂离子电池正极材料为磷酸铁锂、三元镍钴锰、锰酸锂、钴酸锂、高电压镍锰材料、富锂材料中的一种或几种混合；所述锂离子电池负极材料为石墨、钛酸锂、硅基负极材料、锡基负极材料中的一种或几种混合。
6.根据权利要求5所述的散热材料，其特征在于：
所述散热材料由P型热电材料与锂离子电池正极材料复合而成；或
所述散热材料由N型热电材料与锂离子电池负极材料复合而成。
7.根据权利要求6所述的散热材料，其特征在于：
所述P型热电材料与锂离子电池正极材料的质量比为1∶80～100，最终成品料的粒径尺寸D50为5～8μm；或
所述N型热电材料与锂离子电池负极材料的质量比为1∶80～100，最终成品料的粒径尺寸D50为5～8μm。
8.如权利要求1-4或6-7任何一项所述散热材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将热电材料和锂电材料以1∶80～100的质量比，采用球磨法干法研磨混合均匀，球料比为15～5∶1，使用聚四氟乙烯球和二氧化锆罐进行研磨，球磨时间6～10h，球磨转速为180～250rpm，得到料A；
(2)将料A于惰性气氛熔炼炉中烧结，升温速率为0.5～1℃/min，升温至600～700℃，煅烧4～8h，退火12～18h至400～450℃，得到成品块体B；
(3)最后采用球磨法湿法研磨，将成品块体B粉碎，分散剂为无水乙醇，固含量为40～60％，球料比为20～5∶1，使用钢球和钢罐进行研磨，球磨时间6～10h，球磨转速为300～360rpm，粒径尺寸为5～8μm，于真空干燥箱中80～100℃烘干，制得锂电/热电复合的散热材料。
9.如权利要求5所述散热材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将热电材料和锂电材料以1∶80～100的质量比，采用球磨法干法研磨混合均匀，球料比为15～5∶1，使用聚四氟乙烯球和二氧化锆罐进行研磨，球磨时间6～10h，球磨转速为180～250rpm，得到料A；
(2)将料A于惰性气氛熔炼炉中烧结，升温速率为0.5～1℃/min，升温至600～700℃，煅烧4～8h，退火12～18h至400～450℃，得到成品块体B；
(3)最后采用球磨法湿法研磨，将成品块体B粉碎，分散剂为无水乙醇，固含量为40～60％，球料比为20～5∶1，使用钢球和钢罐进行研磨，球磨时间6～10h，球磨转速为300～360rpm，粒径尺寸为5～8μm，于真空干燥箱中80～100℃烘干，制得锂电/热电复合的散热材料。
10.如权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述热电材料的粒径尺寸为0.5～50μm，其中0.5～30μm较优，优选0.5～5μm；所述热电材料与锂电材料的混合球料比为10～5∶1，优选为5∶1。
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