CN107871916A - 一种用于锂离子电池的温控装置及锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于锂离子电池的温控装置及锂离子电池。本申请的用于锂离子电池的温控装置，包括密封的空心壳体，以及填充于空心壳体中的温控材料，温控材料包括相变储能材料，相变储能材料包括碳酸乙烯酯。本申请的用于锂离子电池的温控装置，利用碳酸乙烯酯由固态变为液态的吸热过程，带走电池中过多的热量，起到缓冲电池升温的作用。本申请的温控装置结构简单、成本低廉、吸热效果好，能够适用于各种锂离子电池，具有很好的实用性。

Description

一种用于锂离子电池的温控装置及锂离子电池

技术领域

本申请涉及锂离子电池领域，特别是涉及一种用于锂离子电池的温控装置及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池由于其电压高、能量密度高等突出优势，在化学电源中一枝独秀，近十年来得到了快速的发展，广泛应用于移动电器、动力工具等各行业，并在电动汽车驱动方面也得到了一定的应用，市场仍在迅速增长之中。锂离子电池电解液相当于锂离子电池的“血液”，在电池反应中具有电路连接/离子传导/散热/容纳添加剂等诸多重要作用。目前锂离子电池电解液，通常以六氟磷酸锂为主要电解质，碳酸酯类为主要溶剂，此外还加入少量添加剂以提升其性能。由于六氟磷酸锂对温度较为敏感，在过热的情况下，会分解生成氟化锂和高度活性的五氟化磷，导致电解液的劣化和电池性能的退化。另外，温度过高也会导致电解液的挥发，电池内压上升以至容易变形，这对软包装电池尤为明显。因此，在锂离子电池的使用中，对电池的温度进行管控至关重要。

电池的热量主要来自两个方向，一个是电池的外部，如环境温度高时，热量从外部传入锂电池。另一个是电池的内部发热，主要是工作电流作用在电池的内阻/导线/极箔等部分产生的焦耳热。控制电池的温度，通常也是从这两个角度入手，外部对电池的环境进行温度控制，如外部制冷或加强散热。内部则主要通过改进电池设计降低内阻，降低工作电流，优化电池结构设计，加强内部导热能力等方式。这些手段都各有优劣、各具特点，从而适应于不同的场合。

电池内部的设计改进，虽然在一定程度上缓解了电池内部发热的问题，但是还未达到避免电解液分解、产气的效果。因此，如何进一步降低电池的热量，提高电池的安全性能和使用寿命，仍然是本领域的重要研究课题之一。

发明内容

本申请的目的是提供一种用于锂离子电池的温控装置，以及采用该温控装置的锂离子电池。

为了实现上述目的，本申请采用了以下技术方案：

本申请的一方面公开了一种用于锂离子电池的温控装置，该温控装置包括密封的空心壳体，以及填充于空心壳体中的温控材料，温控材料包括相变储能材料，相变储能材料包括碳酸乙烯酯。其中，空心壳体的作用是将碳酸乙烯酯等温控材料密封，避免碳酸乙烯酯在相变时流出；当然，为了更好的导热，本申请优选的方案中对空心壳体的材料进行了限定，这将在后续的方案中详细介绍。

需要说明的是，本申请的温控装置，采用碳酸乙烯酯作为主要的温控材料，利用碳酸乙烯酯熔解吸热，带走电池中过多的热量。

可以理解，既然需要利用碳酸乙烯酯吸热带走热量，本申请的温控装置必然是与电池紧密接触的；本申请的一种优选方案中，温控装置为用于电池外壳的贴片或贴条，以方便吸走电池的热量。当然，以贴片或贴条形式使用是最简单直接的使用方法，并不排除其它的使用方法。

还需要说明的是，本申请的碳酸乙烯酯，成本低，且容易获取；并且，碳酸乙烯酯的熔点为35-38℃，将其以固态的形式贴在电池外壳上，当电池升温时，碳酸乙烯酯吸收热量，由固态变为液态，起到缓冲电池升温的作用。

优选的，贴片或贴条的厚度为1-2mm。

优选的温控材料中还包括导热材料，导热材料与相变储能材料共同密封于空心壳体中。

需要说明的是，导热材料的目的是更好的将碳酸乙烯酯吸收的热量传递出去，因此，一般是具有毛细管或毛细网作用的多孔材料或纤维材料，利用导热材料的毛细作用，将热量导出。

优选的导热材料包括金属丝棉、金属纤维网、泡沫金属薄板、石棉网、活性炭粉、活性碳布、棉花、棉布、碳纳米管形成的布状物、石墨烯形成的布状物、化纤棉和化纤网中的至少一种。

其中，导热性较好的金属丝棉、金属纤维网、泡沫金属薄板、活性碳布和碳纳米管布是优选的，金属丝棉比如铁丝绒、铜丝棉等；碳酸乙烯酯在液态化可以在其中充分浸润，因此，导热性较好的材料可以将热量运送到各处，起到均匀温度的作用。

相变储能材料除碳酸乙烯酯外，还包括二苯醚、环丁砜、二碳酸二叔丁酯、磷酸三苯酯、草酸二甲酯和丁二腈中的至少一种。

需要说明的是，碳酸乙烯酯作为主要材料，已经可以起到缓冲电池升温的作用；二苯醚、环丁砜、二碳酸二叔丁酯、磷酸三苯酯、草酸二甲酯和丁二腈这些材料与碳酸乙烯酯相比，各自具有不同的熔点，这些材料的熔点在20-60℃之间，而碳酸乙烯酯的熔点在35-38℃，因此，将这些材料与碳酸乙烯酯混合后，可以调节相变储能材料整体的相变温度，起到调整温控装置吸热能力的作用。

优选的，在相变储能材料不只碳酸乙烯酯一种时，以碳酸乙烯酯为第一相变储能材料，其它的，二苯醚、环丁砜、二碳酸二叔丁酯、磷酸三苯酯、草酸二甲酯和丁二腈中的至少一种为第二相变储能材料，第一相变储能材料与第二相变储能材料的质量比为20:1到1:1之间。

可以理解，第二相变储能材料与碳酸乙烯酯配合使用，其目的是调节温控装置吸热能力，根据不同的使用需求，可以自行调整两者的用量比例。

优选的，空心壳体的材质为铝、铜、铝塑复合膜、不锈钢或塑料薄膜。

需要说明的是，空心壳体的主要作用虽然是密封温控材料，避免相变储能材料在液态时流出。但是为了更好的导热，本申请的空心壳体优选采用铜箔或薄铜板、铝箔或薄铝板、铝塑复合膜、不锈钢箔或塑料薄膜中的至少一种。其中，导热性好、强度高的铜箔或薄铜板、铝箔或薄铝板、铝塑复合膜、不锈钢箔是最优的选择；导热性较差但较薄的材料如塑料薄膜也是允许的，塑料薄膜具有密封容易的优点，但强度和导热方面稍差一些，因而不是最优的选择。其中，塑料薄膜包括但不仅限于PE膜、PP膜。

本申请的另一面公开了本申请的温控装置在锂离子电池或储能容器中的应用。

可以理解，本申请的温控装置虽然是针对锂离子电池而研究的，但其并不仅限用于锂离子电池，其它需要降温或温度缓冲的储能材料也可以采用本申请的温控装置。

本申请的再一面公开了一种锂离子电池，该锂离子电池的外壳上具有本申请的温控装置。

由于采用以上技术方案，本申请的有益效果在于：

本申请的用于锂离子电池的温控装置，利用碳酸乙烯酯由固态变为液态的吸热过程，带走电池中过多的热量，起到缓冲电池升温的作用。本申请的温控装置结构简单、成本低廉、吸热效果好，能够适用于各种锂离子电池，具有很好的实用性。

具体实施方式

本申请将碳酸乙烯酯密封于铜箔、铝箔、铝塑复合膜、不锈钢箔等制成的空心壳体中，制成温控装置；并且在一种实现方式中，将本申请的温控装置制成贴片或贴条紧密的附着在电池外壳上。利用碳酸乙烯酯相变吸热的过程，吸收电池的热量，缓冲电池升温。

可以理解，本申请的关键在于利用碳酸乙烯酯相变吸热，对电池进行温度控制，至于本申请的温控装置具体设置于电池的什么地方，以及电池的具体形状或结构，可以根据具体的使用需求而定，在此不做具体限定。

另外，本申请的相变储能材料除了主要采用碳酸乙烯酯以外，还可以添加其它辅助材料，如二苯醚、环丁砜、二碳酸二叔丁酯、磷酸三苯酯、草酸二甲酯和丁二腈等，以调整相变储能材料整体的相变温度。这些物质都可以和碳酸乙烯酯实现良好的混熔，但是，值得注意的是，二种纯净物混合后，由于形成共溶液，其熔点可能实现大幅度的改变，要达到准确的相变温度控制，需要仔细计量，准确的控制投入量。

下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。

实施例

本例采用方型铝壳锂电池424043(800mAh)进行试验。

具体试验过程包括：在方型铝壳电池外壳的侧面紧贴安装一个热敏电阻型温度探头；然后将本例的温控装置制成贴条，在方型铝壳电池外紧密包裹一层，温度探头位于温控装置贴条和电池壳之间；对电池进行4A充放电循环1小时后，记录温度探头的温度。

作为对比，本例还记录了相同条件下，不包裹温控装置贴条的情况下，温度探头记录的温度。即采用相同的方型铝壳电池外壳，在相同的位置，采用相同的方法固定相同的热敏电阻型温度探头，然后电池进行4A充放电循环1小时后，记录温度探头的温度。

本例的温控装置制成的贴条，其具体制备方法包括：将碳酸乙烯酯或者碳酸乙烯酯与其它辅助的相变储能材料的混合材料熔融，将铜丝网均匀浸润熔融的相变储能材料中，凝固后制备成厚度约0.8-1.8mm的条膜，切割成电池贴条大小后，采用0.1mm的铝塑复合膜密封，获得厚度约1.5mm的电池贴条，即本例的温控装置贴条。本例的各试验中，导热材料采用铜丝网，空心壳体采用铝塑复合膜；相变储能材料如表1所示。各试验测试结果也如表1所示。

表1相变储能材料及测试结果

根据表1的结果，可以看出，没有采用本例的温控装置的方型铝壳电池，其表面温度达到42℃，而采用了本例的温控装置的方型铝壳电池，表面温度大大降低。仅采用碳酸乙烯酯作为相变储能材料的试验1，电池表面温度可以降到36℃；而添加二苯醚、环丁砜、二碳酸二叔丁酯、磷酸三苯酯、草酸二甲酯或丁二腈后，电池表面温度控制点进一步下降，如试验13，电池表面温度上升到25度左右即可以得到控制。

在以上试验的基础上，本例对其它常见的壳体材料，如铜箔、薄铜板、铝箔、薄铝板、不锈钢箔、PE塑料薄膜和PP塑料薄膜进行了试验，替换试验中的铝塑复合膜。结果显示，铜箔、薄铜板、铝箔、薄铝板、不锈钢箔的导热性能良好，不会对温控装置的吸热效果造成影响；PE塑料薄膜和PP塑料薄膜虽然组装方便，但是，对温控装置吸热有细微的影响，并且强度比较弱，容易破损。此外，导热材料方面，除了铜丝网以外，其它的，如铁丝绒、石棉网、活性炭粉、活性碳布、棉花、棉布、碳纳米管形成的布状物、石墨烯形成的布状物、化纤棉或化纤网等也可以使用。至于温控装置的厚度，越厚其带走的热量越多，缓冲电池升温的效果越好；但是，作为电池贴片或贴条使用时，不能太厚，在1-2mm均可。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于锂离子电池的温控装置，其特征在于：所述温控装置包括密封的空心壳体，以及填充于空心壳体中的温控材料，所述温控材料包括相变储能材料，所述相变储能材料包括碳酸乙烯酯。

2.根据权利要求1所述的温控装置，其特征在于：所述温控装置为用于电池外壳的贴片或贴条。

3.根据权利要求2所述的温控装置，其特征在于：所述贴片或贴条的厚度为1-2mm。

4.根据权利要求1所述的温控装置，其特征在于：所述温控材料中还包括导热材料，所述导热材料与所述相变储能材料共同密封于所述空心壳体中。

5.根据权利要求4所述的温控装置，其特征在于：所述导热材料包括金属丝棉、金属纤维网、泡沫金属薄板、石棉网、活性炭粉、活性碳布、棉花、棉布、碳纳米管形成的布状物、石墨烯形成的布状物、化纤棉和化纤网中的至少一种。

6.根据权利要求1-5任一项所述的温控装置，其特征在于：所述相变储能材料还包括二苯醚、环丁砜、二碳酸二叔丁酯、磷酸三苯酯、草酸二甲酯和丁二腈中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的温控装置，其特征在于：所述碳酸乙烯酯为第一相变储能材料，所述二苯醚、环丁砜、二碳酸二叔丁酯、磷酸三苯酯、草酸二甲酯和丁二腈中的至少一种为第二相变储能材料；第一相变储能材料与第二相变储能材料的质量比为20:1到1:1之间。

8.根据权利要求1-5任一项所述的温控装置，其特征在于：所述空心壳体的材质为铝、铜、铝塑复合膜、不锈钢或塑料薄膜。

9.根据权利要求8所述的温控装置，其特征在于：所述塑料薄膜包括PE膜和/或PP膜。

10.一种锂离子电池，其特征在于：所述锂离子电池的外壳上具有权利要求1-9任一项所述的温控装置。