CN108134158A - 一种热管理组件及其制备方法与应用 - Google Patents

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李鹏
张洪涛
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Abstract

本发明公开了一种热管理组件及其制备方法与应用，其中，热管理组件包括石墨膜，和设置在所述石墨膜两端的相变材料层。本发明发热管理组件不仅具有良好的散热功能，而且具有温度控制功能，使发热组件内部温度更趋向一致。

Description

一种热管理组件及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及热界面材料领域，尤其涉及一种热管理组件及其制备方法与应用。
背景技术
锂电池在电动汽车、无人机、数码产品如手机、笔记本电脑等产品中具有广泛的使用，并在逐步向其领域发展。而且随着产品功能的多样化以及对续航能力的要求，通常需要将多个电芯串并联成锂电池组。例如无人机锂电池组多为3串、4串及6串的锂电池组，随着电池组的增多，锂电池发热更多，整体温度也会上升很快，最高可达到90度。长时间在高温下工作，电池组的单次使用时间、使用寿命和电池组安全性能会受到很大影响。
现有的锂电池组散热的技术方案，一般是采用金属外壳、界面材料或在外壳上开槽的方式散热，然而在高负荷运行时温度依然会上升至60-90度，目前尚无对锂电池组进行热管理的解决方案。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种热管理组件及其制备方法与应用，旨在解决现有技术还不能对发热组件进行有效的热管理。
本发明的技术方案如下：
一种热管理组件，包括石墨膜，和设置在所述石墨膜两端的相变材料层。
所述的热管理组件，其中，所述相变材料层的厚度为1-5 mm。
所述的热管理组件，其中，所述石墨膜的厚度为0.05-0.3 mm。
所述的热管理组件，其中，所述相变材料层由石墨基有机相变材料制成。
所述的热管理组件，其中，所述相变材料层中还含有阻燃剂和绝缘填料。
一种如上所述的热管理组件的制备方法，包括步骤：
制作相变材料层，然后在所述石墨膜的两端贴附所述相变材料层；
或者，将相变材料颗粒熔融并布置在所述石墨膜的两端，通过双辊挤压在所述石墨膜的两端形成双层结构。
所述的热管理组件的制备方法，其中，所述相变材料层通过模压成型制得。
所述的热管理组件的制备方法，其中，所述模压成型的步骤中，模压压力为8-12吨，模压温度为120-140 ℃。
所述的热管理组件的制备方法，其中，所述模压成型的步骤中，模压时间为25-35min。
一种如上所述的热管理组件在锂电池组中的应用，其特征在于，用所述热管理组件将锂电池组中各个电芯进行蜿蜒缠绕，并且缠绕后所述相变材料层位于石墨膜上与发热组件相对的另一面。
有益效果：本发明的热管理组件，石墨膜在两端与相变材料复合，中间为单层石墨膜，其中，石墨膜具有良好的导热性能，相变材料具有良好的吸热和温度控制功能。这样当发热组件产生的热量较大时，可以通过中间部分单层石墨膜快速散发，并且可以利用两端的相变材料吸收石墨膜传导过来的热量，并对温度进行控制，使发热组件内部温度更趋向一致，本热管理组件不仅具有良好的散热功能，而且具有温度控制功能。
附图说明
图1为本发明一种热管理组件的较佳实施例的结构图；
图2为本发明另一种热管理组件的较佳实施例的结构图；
图3为图1中的热管理组件应用时的效果图；
图4为图2中的热管理组件应用时的效果图。
具体实施方式
本发明提供了一种热管理组件及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的热管理组件，包括石墨膜，和设置在所述石墨膜两端的相变材料层。
上述热管理组件中，石墨膜在两端与相变材料复合，中间为单层石墨膜，其中，石墨膜具有良好的导热性能，相变材料具有良好的吸热和温度控制功能。这样当发热组件产生的热量较大时，一方面可以通过中间部分单层石墨膜散发，另一方面，石墨膜将热量快速传导到两端，并且传导过来的热量被位于石墨膜两端的相变材料迅速吸收，从而将温度控制在相变材料的相变温度以内，使发热组件内部温度更趋向一致，本热管理组件不仅具有良好的散热功能，而且具有温度控制功能。
需要强调的是，本发明的热管理组件，石墨膜将发热组件缠绕后，相变材料位于石墨膜上与发热组件相对的另一面，之所以如此限定，原因在于：相变材料导热系数小于20w/m.k，一般在5 w/m.k左右，石墨膜导热系数大于1000 w/m.k，石墨膜紧贴电池，可以很好的均衡电池组内部温度，并将热量快速传导至相变材料上，相变材料可以很好的控制内部温度，同时相变材料也有充俗的时间向外散热，充分发挥了两种材料的特点。若将相变材料附在石墨膜内侧与发热组件接触，电池产生的热量虽然可以被相变材料吸收，储热，但由于导热系数远小于石墨膜，相变材料吸收的热量无法快速散发，电池组内部温度在一致性上要远低于相变材料位于石墨膜外侧，并且也无法发挥出石墨膜的导热优势。
具体地，当热管理组件结构如图1所示时，即两端的相变材料1位于石墨膜2的同一面，石墨膜将发热组件3缠绕后的效果如图3所示（图中缠绕有一串电芯）；当热管理组件结构如图2所示时，即两端的相变材料1位于石墨膜2的不同面，石墨膜将发热组件缠绕方式如图4所示（图中缠绕有两串电芯），也就是说，本发明的热管理组件，始终确保相变材料位于石墨膜上与发热组件相对的另一面，不与发热组件直接接触。
优选地，相变材料层的厚度为1-5 mm，石墨膜的厚度为0.05-0.3 mm。
优选地，选用高潜热值（例如150-200 J/g）和导热系数（例如5-20 w/m.k）相对较高的相变材料，优选石墨基有机相变材料，不仅可以储热控制温度，还具有良好的温度传导性能。
优选地，所述相变材料中还可以添加阻燃剂和绝缘填料，以此来提高热管理组件的阻燃性能和绝缘性能。
本发明还提供了所述的热管理组件的制备方法，包括步骤：
制作片状的相变材料，然后在所述石墨膜的两端贴附所述片状的相变材料；或者，将相变材料颗粒熔融并布置在所述石墨膜的两端，通过双辊挤压在所述石墨膜的两端形成双层结构。
也就是说，本发明可以通过两种方式来制备所述的热管理组件。
其中的一种制备方法具体为：先通过模压将相变材料颗粒制作成片状的相变材料，优选的模压条件为：模压压力为8-12吨，模压温度为120-140 ℃，模压时间为25-35min。然后将片状的相变材料进行裁切，并用不干胶贴在石墨膜两端，就得到热管理组件。
另一种制备方法具体为：先将相变材料颗粒熔融，具体地在140-160 ℃下以25-35r/min的搅拌速度搅拌至熔融态，然后将熔融态的相变物料挤出到石墨膜两端，具体地，卷料批量生产时，可控制挤出头一段时间出料，一段时间不出料，接着依次进入一辊（压力0.8-1.2吨）初步辊压和二辊（压力3-8吨）最终辊压，最后裁切得到热管理组件。
本发明还提供了所述的热管理组件在锂电池组中的应用，具体地，用所述热管理组件将锂电池组中各个电芯进行蜿蜒缠绕，可参照图4，当缠绕的电芯为奇数个时，采用图1所示结构的热管理组件，当缠绕的电芯为偶数个时，采用图2所示结构的热管理组件，从而可以满足：缠绕后所述相变材料位于石墨膜上与发热组件相对的另一面。经实验测试，使用本发明的解决方案，可以将无人机锂电池组单次放电时间提高1-5min，使用寿命（锂电池组容量为初始容量的80%）从100次提升到130次，温度控制在相变温度之下，并且单电芯之间温差小于2度。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
在500 mm×500 mm的不锈钢带导流槽的凹形特制模具内腔底部（内腔深度5 mm），均匀铺覆石墨基相变复合粒料（粒料相变温度50-70℃之间），再把模具放在恒温箱中加热至130度，恒温45 min，接着把加热后的模具放入10吨模压机中压制，恒压30min，待模具温度降至室温，拆模，即可得到厚度在2 mm的片状相变材料，然后再进行裁切，将裁切后的片状相变材料用不干胶贴在0.1 mm的石墨膜两端，就得到热管理组件。
实施例2
先将相变材料颗粒熔融，具体地在150 ℃下以30 r/min的搅拌速度搅拌至熔融态，然后将熔融态的相变物料挤出到石墨膜两端，接着依次进入一辊（压力1吨）初步辊压和二辊（压力5吨）最终辊压，最后裁切得到热管理组件。
综上所述，本发明提供了一种热管理组件及其制备方法与应用，本发明的热管理组件中，石墨膜在两端与相变材料复合，中间为单层石墨膜，其中，石墨膜具有良好的导热性能，相变材料具有良好的吸热和温度控制功能。这样当热组件产生的热量较大时，可以通过中间部分单层石墨膜快速散发，并且可以利用两端的相变材料吸收石墨膜传导过来的热量，并对温度进行控制，本热管理组件不仅具有良好的散热功能，而且具有温度控制功能。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种热管理组件，其特征在于，包括石墨膜，和设置在所述石墨膜两端的相变材料层。
2.根据权利要求1所述的热管理组件，其特征在于，所述相变材料层的厚度为1-5 mm。
3.根据权利要求1所述的热管理组件，其特征在于，所述石墨膜的厚度为0.05-0.3 mm。
4.根据权利要求1所述的热管理组件，其特征在于，所述相变材料层由石墨基有机相变材料制成。
5.根据权利要求1所述的热管理组件，其特征在于，所述相变材料层中还含有阻燃剂和绝缘填料。
6.一种如权利要求1-5任一所述的热管理组件的制备方法，其特征在于，包括步骤：
制作相变材料层，然后在所述石墨膜的两端贴附所述相变材料层；
或者，将相变材料颗粒熔融并布置在所述石墨膜的两端，通过双辊挤压在所述石墨膜的两端形成双层结构。
7.根据权利要求6所述的热管理组件的制备方法，其特征在于，所述相变材料层通过模压成型制得。
8.根据权利要求7所述的热管理组件的制备方法，其特征在于，所述模压成型的步骤中，模压压力为8-12吨，模压温度为120-140 ℃。
9.根据权利要求8所述的热管理组件的制备方法，其特征在于，所述模压成型的步骤中，模压时间为25-35 min。
10.一种如权利要求1-5任一所述的热管理组件在锂电池组中的应用，其特征在于，用所述热管理组件将锂电池组中各个电芯进行蜿蜒缠绕，并且缠绕后所述相变材料层位于石墨膜上与发热组件相对的另一面。
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