CN105720321A - 一种热辐射保温系统及其在全固态锂或锂离子电池的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全固态锂或锂离子电池恒温热辐射技术，具体的说是一种固态锂或锂离子动力电池恒温热辐射自控温度系统及其在固态锂或锂离子动力电池装置中的应用。根据不同运行工况要求，将n个动力电池单体进行串并联组成标准的电池模组，每个模组由外壳、电池单体、电源管理系、柔性恒温热辐射单元等组成，多个模组组成完整的动力装置。本发明所制造的自控温度恒温热辐射系统具有高能效、高安全、高保温、自控温等特点，可根据需要为全固态锂或锂离子电池创造50～120℃的应用环境，大大提高固态电解质的离子导电性能，是全固态锂或锂离子电池的应用伴侣。
Description
技术领域
本发明涉及一种全固态电池恒温热辐射保温技术，具体的说是一种固态锂或锂离子动力电池恒温热辐射自控温度系统及其在固态锂或锂离子动力电池装置中的应用。
背景技术
在储能行业，锂离子电池在过去的二十年中取得了突飞猛进的发展。目前商用液态锂离子电池由于采用含有易燃有机溶剂的液体电解质,存在着安全隐患，发展全固态锂或锂离子电池是提升电池安全性和能量密度的可行技术途径之一。然而，由于固态锂或锂离子电池所采用的固体电解质在常温或低温下离子导电率较低，常温下无法达到液态锂离子电池的功率密度，开发常温用高性能离子导电率固体电解质成为各研究机构及厂商的重要课题，此问题至今未得到很好的解决，极大的阻碍了全固态电池的商业化应用。
为解决上述问题，在没有完成高性能离子导电率固体电解质开发之前，通常采取的解决方案有两种：一种是整组电池采用热风循环加热方式提升电池单体的温度，第二种是通过普通电热膜对单体电池分别加热的方式进行温度提升。前者存在热能效利用率低，电池升温不一致，电池组内温度一致性差，局部过热等问题，易出现热失控。后者存在由于单体电热膜过多导致电池组内部接线杂乱，温度控制受到温度传感器布局方案的影响度高，温度一致性难以控制等问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种热辐射保温系统及其在全固态锂或锂离子电池装置中的应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种全固态电池热辐射保温系统，由至少1个电池模组组成，电池模组主要由模组外壳、柔性恒温热辐射自控制单元、电池单体、电源管理系统组成。
在上述的全固态电池热辐射保温系统中，所述模组外壳材质采取耐高温绝缘树脂或金属外壳，其壁厚≥1mm，外壳内壁通过纳米隔热涂层处理，或者表面同时贴敷其他绝热、反辐射材料提高保温效果。所述的耐高温绝缘树脂为PC、ABS、PP、PET中的一种或者多种，金属外壳为铝合金、各类钢材料中的一种。
在上述的全固态电池热辐射保温系统中，所述柔性恒温热辐射单元，具有自控制功能，该单元由安全直流电压驱动型PTC热辐射膜组成，该电热膜可弯曲，为柔性状态。
在上述的全固态电池热辐射保温系统中，所述安全直流电压驱动型PTC热辐射膜由3-4层膜组成，在第1层和第3层之间设有热辐射层。
在上述的全固态电池热辐射保温系统中，所述柔性PTC热辐射膜的驱动电压为直流电压，且不高于48V。
在上述的全固态电池热辐射保温系统中，所述柔性PTC热辐射膜的厚度不超过0.5mm，第1层与第3层均采用PET基材。
在上述的全固态电池热辐射保温系统中，所述柔性PTC热辐射膜第1层与第3层之间的热辐射层采用“炭晶-热敏电阻”复合材料，具有自控温特性。
在上述的全固态电池热辐射保温系统中，PTC热辐射膜通过背胶方式固定于模组外壳内壁。所述背胶层工作温度范围为-40～120℃。
一种全固态电池热辐射保温系统在全固态锂或锂离子电池装置中的应用，具体步骤如下：
1）根据应用领域需求，设计出单元模组规格及尺寸；
2）根据模组规格尺寸设计柔性PTC热辐射膜；
3）将模组外壳（保温处理）、柔性PTC热辐射膜、全固态电池组合单体、电源管理系统等组装成单一模组；
4）将多个模组通过串并联进行组装，形成成品电池包。
一种全固态电池热辐射保温系统特别适用于全固态锂或锂离子电池中。其中全固态电池单体由正极、负极、固态电解质（膜）、外壳组成。
上述正极活性物质为钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、锰酸锂、镍锰酸锂、富锂锰基、三元材料、硫、硫复合物、硫酸铁锂、锂离子氟磷酸盐、锂钒氟磷酸盐、锂铁氟磷酸盐、锂锰氧化物、导电聚合物中的一种或几种。
上述负极活性材料为金属锂、金属锂合金、石墨、硬碳、二硫化钼、钛酸锂、碳硅复合材料、碳锗复合材料、碳锡复合材料、氧化锑、锑碳复合材料、锡锑复合材料、锂钛氧化物、锂金属氮化物中的一种或几种；
上述固态电解质包括无机固态电解质或聚合物固态电解质。
无机固态电解质为氧化物固态电解质或硫化物固态电解质。包括Li2O、Na2O或它们与MgO、CaO、La2O3、TiO2、ZrO2、M3N、MF、MCl、MBr、MI中的一种或多种形成的固溶体、复合物、非晶、非晶与晶态的复合物，其中M为Li、Na、K；或MgS、CaS、La2S3、TiS2、ZrS2、ZnS、P2S5、MgO、CaO、Al2O3、Ga2O3、SiO2、GeO2、SnO2、La2O3、TiO2、ZrO2、Nb2O5、ZnO、Na2O、K2O、M3N、MF、MCl、MBr、MI中的一种或多种与M2S形成的固溶体、复合物、非晶、非晶与晶态的复合物，其中M为Li、Na、K；或MxAⅡy（ZO4）z、MxAⅢy（ZO4）z、MxAⅣy（ZO4）z中的一种或多种的固溶体、复合物、非晶、非晶与晶态的复合物，其中在MxAⅡy（ZO4）z中，M为Li、Na、K、Rb、Cs，AⅡ为Mg、Ca、Sr、Ba、Zn，Z为P、Si、S，x+2y=3z，且0<x<10，0<y<10，0<z<10；在MxAⅢy（ZO4）z中，M为Li、Na、K，AⅢ为Sc、Y、La、B、Al、Ga、In，Z为P、Si、S，x+3y=3z，且0<x<10，0<y<10，0<z<10；在MxAⅣy（ZO4）z中，M为Li、Na、K，AⅣ为Ti、Zr、Hf、Ce、Si、Ge、Sn，Z为P、Si、S，x+4y=3z，且0<x<10，0<y<10，0<z<10。
聚合物固态电解质由聚合物、锂盐及纳米无机填充材料组成。其中聚合物有：聚碳酸亚乙烯酯PVCA、聚氧乙烯PEO、聚丙烯腈PAN、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚偏氟乙烯PVDF、聚碳酸丙细酯PPC、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物PVDF-HFP、聚氯乙烯PVC及其共聚物或复合物；其中锂盐主要有：六氟磷酸锂LiPF6、高氯酸锂LiClO4、双草酸硼酸锂LiBOB、四氟硼酸锂LiBF4、六氟砷酸锂LiAsF6、双三氟甲基磺酰亚胺锂LiN(SO2CF3)2、双氟磺酰亚胺锂LiFSI、二氟草酸硼酸锂LiDFOB、三氟甲磺酸锂LiCF3SO3中的一种或几种；其中纳米无机填充材料主要有：上述无机固态电解质纳米颗粒、SiO2、TiO2、SnO2、Al2O3及其复合材料中的一种或几种；
本发明所具有的优点：
本发明采用“炭晶-热敏电阻”复合材料自控温热辐射技术、标准化模组壳体纳米保温等技术，实现在安全直流电压下为全固态电池营造温度均匀、高效、自控温、安全、低成本的高温应用环境，提高了全固态锂或锂离子电池的放电性能，为其产业化应用提供了可靠高效的应用方案，可促进全固态电池的产业化步伐。
附图说明
图1为本发明的单一模组结构示意图。
图2为本发明的温度自控制原理图。
图3为本发明的多模组应用示意图。
具体实施方式
下面结合图1、图2、图3对本发明专利进行详细说明：
首先，按照全固态锂或锂离子电池生产工艺将正极、负极、电解质（膜）、外壳组装出若干全固态锂或锂离子电池单体。然后根据需求设计并完成系统组装。
如图1，全固态电池热辐射保温系统，由至少一个电池模组组成，包括模组外壳1、绝热或反辐射层2、柔性恒温热辐射自控制单元3、电池单体4、电源管理系统5等组成。
当全固态锂或锂离子电池应用时，将安全直流电源接入本系统，柔性恒温热辐射自控制单元3进行通电，开始源源不断的向模组中众多电池单体4提供热辐射，模组内温度逐渐上升；为降低模组散热率，模组外壳1的内壁进行纳米涂层绝热处理，同时于模组外壳1内部贴敷绝热或反辐射层2，进一步提升模组外壳的保温性；随着温度的提升，柔性恒温热辐射自控制单元3进行热敏阻变，在温度达到设定需求温度时热辐射功率随阻值的增大而下降，确保温度达到设定的高温环境温度。
电源管理系统5通过对电池单体4的温度检测对外部电源进行开关控制。柔性恒温热辐射自控制单元3即使持续接通外部电源亦可确保安全、可靠的运行。多模组通过合理的串并联实现不同领域的应用需求。
应用实例1
48V20Ah系统电动车恒温动力系统
由16串20Ah全固态锂电池串联，按照图1方式将48V电源管理系统、模组外壳（纳米陶瓷涂层）、热辐射单元及反射铝金属膜组装成为1个带有热辐射保温系统的全固态锂电池动力单元。此单元可以直接驱动48V电动车。常温20℃条件下，可在10分钟内达到所设计的自控温度75℃。在此条件下，全固态锂电池的放电性能提升了30%至70%。
应用实例2
96V300Ah新能源物流车恒温动力系统
由24串100Ah全固态锂电池串联，按照图1方式将24V电源管理系统、模组外壳（纳米陶瓷涂层）、热辐射单元及反射铝金属膜组装成为1个带有热辐射保温系统的全固态锂电池动力单元。采用4串3并的方式按照图3组装成1套全固态锂电池动力装置。常温20℃条件下，可在10分钟内达到所设计的自控温度85℃。在此条件下，全固态锂电池的放电性能提升了30%至80%。
Claims (10)
1.一种全固态电池热辐射保温系统，其特征在于：由至少1个电池模组组成，电池模组主要由模组外壳、柔性恒温热辐射自控制单元、电池单体、电源管理系统组成。
2.按权利要求1所述的一种全固态电池热辐射保温系统，其特征在于：其模组外壳材质采取耐高温绝缘树脂或金属外壳，其壁厚≥1mm，外壳内壁通过纳米隔热涂层处理，或者表面同时贴敷其他绝热、反辐射材料提高保温效果。
3.权利要求2所述的一种全固态电池热辐射保温系统，其特征在于：耐高温绝缘树脂为PC、ABS、PP、PET中的一种或者多种，金属外壳为铝合金、各类钢材料中的一种。
4.按权利要求1所述的全固态电池热辐射保温系统，其特征在于：柔性恒温热辐射单元具有自控制功能，该单元由安全直流电压驱动型PTC热辐射膜组成，该电热膜可弯曲，为柔性状态。
5.按权利要求4所述的全固态电池热辐射保温系统，其特征在于：所述安全直流电压驱动型PTC热辐射膜由3-4层膜组成，在第1层和第3层之间设有热辐射层。
6.按权利要求4所述的全固态电池热辐射保温系统，其特征在于：所述柔性PTC热辐射膜的驱动电压为直流电压，且不高于48V。
7.按权利要求4所述的全固态电池热辐射保温系统，其特征在于：所述柔性PTC热辐射膜的厚度不超过0.5mm，第1层与第3层均采用PET基材。
8.按权利要求4所述的全固态电池热辐射保温系统，其特征在于：所述柔性PTC热辐射膜第1层与第3层之间的热辐射层采用炭晶-热敏电阻复合材料，具有自控温特性。
9.一种权利要求1所述的全固态电池热辐射保温系统在全固态锂或锂离子电池中的应用，其特征在于：
1）根据应用领域需求，设计出单元模组规格及尺寸；
2）根据模组规格尺寸设计柔性PTC热辐射膜；
3）将保温处理的模组外壳、柔性PTC热辐射膜、全固态电池组合单体、电源管理系统组装成单一模组；
4）将多个模组通过串并联进行组装，形成成品电池包。
10.一种权利要求9所述的全固态电池热辐射保温系统在全固态锂或锂离子电池的应用，其中全固态电池单体由正极、负极、固态电解质（膜）、外壳组成，其特征在于：所述正极活性物质为钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、锰酸锂、镍锰酸锂、富锂锰基、三元材料、硫、硫复合物、硫酸铁锂、锂离子氟磷酸盐、锂钒氟磷酸盐、锂铁氟磷酸盐、锂锰氧化物、导电聚合物中的一种或几种；
所述负极活性材料为金属锂、金属锂合金、石墨、硬碳、二硫化钼、钛酸锂、碳硅复合材料、碳锗复合材料、碳锡复合材料、氧化锑、锑碳复合材料、锡锑复合材料、锂钛氧化物、锂金属氮化物中的一种或几种；
所述固态电解质为无机固态电解质或聚合物固态电解质；无机固态电解质为氧化物固态电解质或硫化物固态电解质；聚合物固态电解质由聚合物、锂盐及纳米无机填充材料组成；
其中所述聚合物为聚碳酸亚乙烯酯PVCA、聚氧乙烯PEO、聚丙烯腈PAN、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚偏氟乙烯PVDF、聚碳酸丙细酯PPC、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物PVDF-HFP、聚氯乙烯PVC及其共聚物或复合物中的一种；
其中所述锂盐为六氟磷酸锂LiPF6、高氯酸锂LiClO4、双草酸硼酸锂LiBOB、四氟硼酸锂LiBF4、六氟砷酸锂LiAsF6、双三氟甲基磺酰亚胺锂LiN(SO2CF3)2、双氟磺酰亚胺锂LiFSI、二氟草酸硼酸锂LiDFOB、三氟甲磺酸锂LiCF3SO3中的一种或几种；
其中所述纳米无机填充材料为无机固态电解质纳米颗粒、SiO2、TiO2、SnO2、Al2O3及其复合材料中的一种或几种。
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