CN108832223A - 高导热性电池底托板及锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高导热性电池底托板，其材料为复合陶瓷材料，复合陶瓷材料包括塑料和高导热系数材料，高导热系数材料的导热系数范围是7—490W/mk，包括SiO2、SiC、Al2O3、AlN、MgO、BN中的一种或多种，占比复合材料的质量比例包括：10％—60％。一种锂离子电池，包括底托板，底托板采用上面所述的高导热性电池底托板，厚度为0.8mm，上面设有通孔。该锂离子电池还包括外壳、防爆顶盖、裸电芯、绝缘膜、电解液和感温线。
Description
技术领域
本发明涉及到锂离子电池领域，特别是涉及到一种高导热性电池底托板及锂离子电池。
背景技术
锂离子电池具有工作电压高、比能量高、循环寿命长、环保无污染等优点，是新能源的主要发展方向。随着新能源汽车应用领域和区域的拓展，锂离子电池技术得到持续发展，同时也对锂离子电池的循环寿命、功率、能量密度、安全性能等提出了更高的要求。
锂离子电池在长循环、大倍率工作过程中，电芯会有不同程度的温升。温度升高会造成电解液分解产气、体系副反应增加、电芯内阻增大，从而加快电芯衰减。电芯工作过程中的热量通过上部与防爆顶盖连接散热，下部则通过底托板传导至外壳散热。因此，底托板的热传导性能至关重要。目前，底托板主要采用耐电解液的塑料，导热系数为0.2-0.5W/mk，导热系数较低。因此目前电池底托板的导热能力较低，对电芯内部温升的抑制不够，电芯下部的散热能力还有较大的提升空间。采用导热系数较高的材料制作底托板，制成高导热性电池底托板，将会大大增加电芯下部的散热能力，从而有效疏散电芯工作过程中产生的热量，减低电芯内部温升，提高电芯的循环寿命。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种高导热性电池底托板及锂离子电池，把高导热性电池底托板应用在锂离子电池中，解决电芯工作过程中电芯内部温升过高的问题。
本发明提出了一种高导热性电池底托板，高导热性电池底托板的材料为复合陶瓷材料，复合陶瓷材料包括塑料和高导热系数材料，高导热系数材料的导热系数范围是7—490W/mk，高导热系数材料占比复合材料的质量比例为10％—60％。
进一步地，高导热系数材料包括SiO2、SiC、Al2O3、AlN、MgO、BN中的一种或多种。
进一步地，塑料是PP，高导热系数材料是Al2O3、SiO2或BN中的一种，PP与Al2O3的质量比为9:1，PP与SiO2的质量比为9:1，PP与BN的质量比为9:1。
进一步地，塑料是PP，高导热系数材料是BN，PP与BN的质量比为4:6。
本发明还提供了一种锂离子电池，包括底托板，底托板采用上述任意一项所述的高导热性电池底托板。
进一步地，高导热性底托板上设有通孔。
进一步地，高导热性底托板的厚度为0.5—5mm。
进一步地，还包括外壳、防爆顶盖、裸电芯、绝缘膜和电解液；外壳为一端开口的长箱体；裸电芯置于外壳内；绝缘膜包裹在裸电芯外表面；电解液存储在外壳内并吸附在裸电芯内；高导热性电池底托板置于外壳内，高导热性电池底托板与外壳开口端相对，高导热性电池底托板位于绝缘膜和外壳之间，高导热性电池底托板与绝缘膜和外壳分别贴合；防爆顶盖与外壳的开口端固定连接。
进一步地，裸电芯包括两个卷芯，卷芯通过极耳连接；裸电芯包括正极极耳与负极极耳,裸电芯上的正极极耳与负极极耳分别与防爆顶盖上的正极极柱和负极极柱相连。
进一步地，还包括感温线。
与现有技术相比，本发明高导热性电池底托板及锂离子电池的有益效果是：
相比于传统的塑料底托板的导热系数为0.3W/mk左右，改进之后的高导热性电池底托板的导热系数高达2-30W/mk，导热性能提升了几十倍，能够把产生的热量快速地传导至外壳，进行发散，使工作温度稳定在正常范围，从而提升电芯的循环寿命。
附图说明
图1为本发明一种锂离子电池的分解结构示意图。
图2为本发明一种锂离子电池另一个方向的分解结构示意图。
图3为本发明一种锂离子电池的正面简易透视图。
图4为本发明一种锂离子电池的双JR展开平面图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，所述的连接可以是直接连接，也可以是间接连接。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
一种高导热性电池底托板，其材料为复合陶瓷材料，复合陶瓷材料包括塑料和高导热系数材料，高导热系数材料的导热系数范围是7—490W/mk，高导热系数材料占比复合材料的质量比例是10％—60％，包括了SiO2、SiC、Al2O3、AlN、MgO、BN中的一种或多种。当塑料是PP，高导热系数材料是Al2O3、SiO2或BN中的一种时，PP与Al2O3的质量比为9:1，PP与SiO2的质量比为9:1，PP与BN的质量比为9:1。当塑料是PP，高导热系数材料是BN时，PP与BN的质量比为4:6。高导热性底托板的厚度为0.5—5mm，还设有通孔。相对于普通的塑料电池底托板，高导热性电池底托板的导热系数的范围为2—30W/mk,导热性能提升了几十倍。一种锂离子电池，底托板采用上述的高导热性电池底托板，能够通过高导热性底托板把电芯产生的热量快速地传导至外壳，进行发散，使工作温度稳定在正常范围，从而提升电芯的循环寿命。该锂离子电池还包括外壳、防爆顶盖、裸电芯、绝缘膜和电解液；外壳为一端开口的长箱体；裸电芯置于外壳内；绝缘膜包裹在裸电芯外表面；电解液存储在外壳内并吸附在裸电芯内；高导热性电池底托板置于外壳内，高导热性电池底托板与外壳开口端相对，高导热性电池底托板位于绝缘膜和外壳之间，高导热性电池底托板与绝缘膜和外壳分别贴合；防爆顶盖与外壳的开口端固定连接。裸电芯包括两个卷芯，卷芯通过极耳连接；裸电芯包括正极极耳与负极极耳,裸电芯上的正极极耳与负极极耳分别与防爆顶盖上的正极极柱和负极极柱相连。最后锂离子电池还包括感温线，用于测量电芯工作过程中的温升情况。
高导热性电性底托板的制备过程以及应用如下：
向导热系数为0.23W/mk的PP中掺入导热系数范围为7—490W/mk的高导热系数材料，高导热系数材料占总质量比的10％—60％，制备得到塑料陶瓷复合材料。其过程为先将PP原材料采用粉碎机粉碎成直径小于1mm的颗粒,然后采用热熔机器加热到170±5℃将其融化,按照比例加入粒径为100～500微米的高导热材料，搅拌1h使得两种材料均匀混合。经过送料系统，进入挤出成型机，制备成厚度为0.5-5mm的复合材料面板,然后使用切割机将其切割成尺寸与电池尺寸配套的片,按照预定设计，使用冲孔磨具在表面冲出穿孔,然后抛光机进行抛光处理，使其表面和切割边缘光滑。
取五片上述材料为陶瓷复合材料的底托板浸泡在电解液中，在60℃的恒温箱中放置7天，观察底托板的耐腐蚀性。其表面光洁，无腐蚀痕迹，无变色现象则表示该材料的底托板耐电解液腐蚀。经测试，该材料耐电解液腐蚀。
取五片上述材料为陶瓷复合材料的底托板，在500V的直流电压下，测试其绝缘电阻，绝缘电阻大于200Mohm可视为具有较好的绝缘性。经测试，该材料绝缘。
将上述经过绝缘和耐电解液腐蚀测试的高导热性底托板应用到锂离子电池中，常温条件下，测试电芯在3C和4C电流下放电时的温升，以及电芯在3C/1C和4C/1C下的循环寿命。
如表1所示，为一种采用了高导热性电池底托板的锂离子电池的四个实施例的实验数据，其高导热性底托板分别采用Al2O3、SiO2、BN和PP复合而成，及三个对比例的实验数据，其底托板的材料分别是PP、PE和PET。其中PP指的是聚丙烯，PE指的是聚乙烯，PET指的是聚酯。除了底托板之外,四个实施例和三个对比例中所用到的锂离子电池结构和材料完全相同，其结构如图1、图2、图3和图4所示。
表1
实施例1
如表1所示，先将PP原材料采用粉碎机粉碎成直径小于1mm的颗粒,然后采用热熔机器加热到170±5℃将其融化,按照比例加入粒径为100～500微米的Al2O3，搅拌1h使得两种材料均匀混合。经过送料系统，进入挤出成型机，制备成厚度为0.5-5mm的复合材料面板,此复合材料导热系数约为3W/mk。然后使用切割机将其切割成尺寸与电池尺寸配套的片,经过冲孔磨具按照设计在表面冲出穿孔,最后使用抛光机进行抛光处理，使其表面和切割边缘光滑。将其加工成底托板，表面开设穿孔。常温条件下，测试电芯在3C和4C电流下放电时的温升，以及电芯在3C/1C和4C/1C下的循环寿命。
取五片90％PP+10％Al2O3的复合材料的底托板浸泡在电解液中，在60℃的恒温箱中放置7天，观察底托板的耐腐蚀性。其表面光洁，无腐蚀痕迹，无变色现象则表示该材料的底托板耐电解液腐蚀。经测试，该材料耐电解液腐蚀。
取五片90％PP+10％Al2O3的复合材料的底托板，在500V的直流电压下，测试其绝缘电阻，绝缘电阻大于200Mohm可视为具有较好的绝缘性。经测试，该材料绝缘。
测试结果显示，使用90％PP+10％Al2O3复合而成的高导热性电池底托板的电芯在3C和4C的放电电流下的温升则分别为21℃和37℃。而3C/1C和4C/1C电流下的循环性能则分别为80％@1900以及80％@1750。结果表明，使用90％PP+10％Al2O3复合而成的高导热性电池底托板能够快速传导电芯工作时内部产生的热量，使得电芯的工作温度维持在正常范围，从而提升电芯的循环性能。
实施例2
如表1所示，先将PP原材料采用粉碎机粉碎成直径小于1mm的颗粒,然后采用热熔机器加热到170±5℃将其融化,按照比例加入粒径为100～500微米的SiO2，搅拌1h使得两种材料均匀混合。经过送料系统，进入挤出成型机，制备成厚度为0.5-5mm的复合材料面板,此复合材料导热系数约为7W/mk。然后使用切割机将其切割成尺寸与电池尺寸配套的片,经过冲孔磨具按照设计在表面冲出穿孔,最后使用抛光机进行抛光处理，使其表面和切割边缘光滑。将其加工成底托板，表面开设穿孔。常温条件下，测试电芯在3C和4C电流下放电时的温升，以及电芯在3C/1C和4C/1C下的循环寿命。
取五片90％PP+10％SiO2的复合材料的底托板和浸泡在电解液中，在60℃的恒温箱中放置7天，观察底托板的耐腐蚀性。其表面光洁，无腐蚀痕迹，无变色现象则表示该材料的底托板耐电解液腐蚀。经测试，该材料耐电解液腐蚀。
取五片90％PP+10％SiO2的复合材料的底托板，在500V的直流电压下，测试其绝缘电阻，绝缘电阻大于200Mohm可视为具有较好的绝缘性。经测试，该材料绝缘。
测试结果显示，使用90％PP+10％SiO2复合而成的高导热性电池底托板的电芯在3C和4C的放电电流下的温升则分别为18℃和35℃。而3C/1C和4C/1C电流下的循环性能则分别为80％@2000以及80％@1780。结果表明，使用90％PP+10％SiO2复合而成的高导热性电池底托板能够快速传导电芯工作时内部产生的热量，使得电芯的工作温度维持在正常范围，从而提升电芯的循环性能。
实施例3
如表1所示，先将PP原材料采用粉碎机粉碎成直径小于1mm的颗粒,然后采用热熔机器加热到170±5℃将其融化,按照比例加入粒径为100～500微米的BN，搅拌1h使得两种材料均匀混合。经过送料系统，进入挤出成型机，制备成厚度为0.5-5mm的复合材料面板,此复合材料导热系数约为6W/mk。然后使用切割机将其切割成尺寸与电池尺寸配套的片,经过冲孔磨具按照设计在表面冲出穿孔,最后使用抛光机进行抛光处理，使其表面和切割边缘光滑。将其加工成底托板，表面开设穿孔。常温条件下，测试电芯在3C和4C电流下放电时的温升，以及电芯在3C/1C和4C/1C下的循环寿命。
取五片90％PP+10％BN的复合材料的底托板浸泡在电解液中，在60℃的恒温箱中放置7天，观察底托板的耐腐蚀性。其表面光洁，无腐蚀痕迹，无变色现象则表示该材料的底托板耐电解液腐蚀。经测试，该材料耐电解液腐蚀。
取五片90％PP+10％BN的复合材料的底托板，在500V的直流电压下，测试其绝缘电阻，绝缘电阻大于200Mohm可视为具有较好的绝缘性。经测试，该材料绝缘。
测试结果显示，使用90％PP+10％BN复合而成高导热性电池底托板的电芯在3C和4C的放电电流下的温升则分别为20℃和36℃。而3C/1C和4C/1C电流下的循环性能则分别为80％@1930以及80％@1750。结果表明，使用90％PP+10％BN复合而成的高导热性电池底托板能够快速传导电芯工作时内部产生的热量，使得电芯的工作温度维持在正常范围，从而提升电芯的循环性能。
实施例4
如表1所示，先将PP原材料采用粉碎机粉碎成直径小于1mm的颗粒,然后采用热熔机器加热到170±5℃将其融化,按照比例加入粒径为100～500微米的BN，搅拌1h使得两种材料均匀混合。经过送料系统，进入挤出成型机，制备成厚度为0.5-5mm的复合材料面板,此复合材料导热系数约为27W/mk。然后使用切割机将其切割成尺寸与电池尺寸配套的片,经过冲孔磨具按照设计在表面冲出穿孔,最后使用抛光机进行抛光处理，使其表面和切割边缘光滑。将其加工成底托板，表面开设穿孔。常温条件下，测试电芯在3C和4C电流下放电时的温升，以及电芯在3C/1C和4C/1C下的循环寿命。
取五片40％PP+60％BN的复合材料的底托板浸泡在电解液中，在60℃的恒温箱中放置7天，观察底托板的耐腐蚀性。其表面光洁，无腐蚀痕迹，无变色现象则表示该材料的底托板耐电解液腐蚀。经测试，该材料耐电解液腐蚀。
取五片复合材料的底托板，在500V的直流电压下，测试其绝缘电阻，绝缘电阻大于200Mohm可视为具有较好的绝缘性。经测试，该材料绝缘。
测试结果显示，使用40％PP+60％BN复合而成高导热性电池底托板的电芯在3C和4C的放电电流下的温升则分别为11℃和25℃。而3C/1C和4C/1C电流下的循环性能则分别为80％@2550以及80％@2100。结果表明，使用40％PP+60％BN复合而成的高导热性电池底托板能够快速传导电芯工作时内部产生的热量，使得电芯的工作温度维持在正常范围，从而提升电芯的循环性能。
对比例1
除了不加高导热系数材料以及分散剂,其余与实施例1同。
如表1所示，使用导热系数为0.23W/mk的PP加工成底托板，表面开设穿孔。测试电芯在3C和4C电流下放电时的温升，以及电芯在3C/1C和4C/1C下的循环寿命。
取五片PP底托板浸泡在电解液中，在60℃的恒温箱中放置7天，观察底托板的耐腐蚀性。其表面光洁，无腐蚀痕迹，无变色现象则表示该材料的底托板耐电解液腐蚀。经测试，PP材料耐电解液腐蚀。
取五片PP底托板，在500V的直流电压下，测试其绝缘电阻，绝缘电阻大于200Mohm可视为具有较好的绝缘性。经测试，PP材料绝缘。
测试结果显示，使用PP底托板的电芯在3C和4C的放电电流下的温升则分别为30℃和45℃。而3C/1C和4C/1C电流下的循环性能则分别为80％@1800以及80％@1600。结果表明，PP底托板的导热能力低于实施例1、实施例2和实施例3中的复合材料底托板，使得电芯的工作温度较高，从而电芯的循环性能较差。
对比例2
除了塑料原材料换成PE，其他与对比例1同。
如表1所示，使用导热系数为0.42W/mk的PE加工成底托板，表面开设穿孔。按照上面描述的电芯结构组装完整的锂离子电池。常温条件下，测试电芯在3C和4C电流下放电时的温升，以及电芯在3C/1C和4C/1C下的循环寿命。
取五片PE底托板浸泡在电解液中，在60℃的恒温箱中放置7天，观察底托板的耐腐蚀性。其表面光洁，无腐蚀痕迹，无变色现象则表示该材料的底托板耐电解液腐蚀。经测试，PE材料耐电解液腐蚀。
取五片PE底托板，在500V的直流电压下，测试其绝缘电阻，绝缘电阻大于200Mohm可视为具有较好的绝缘性。经测试，PE材料绝缘。
测试结果显示，使用PE底托板的电芯在3C和4C的放电电流下的温升则分别为30℃和44℃。而3C/1C和4C/1C电流下的循环性能则分别为80％@1850以及80％@1600。结果表明，PE底托板的导热能力低于实施例1、实施例2和实施例3中的复合材料底托板，使得电芯的工作温度较高，从而电芯的循环性能较差。
对比例3
除了塑料原材料换成PET，其余与对比例1同。
如表1所示，使用导热系数为0.2W/mk的PET加工成底托板，表面开设穿孔。常温条件下，测试电芯在3C和4C电流下放电时的温升，以及电芯在3C/1C和4C/1C下的循环寿命。
取五片PET底托板浸泡在电解液中，在60℃的恒温箱中放置7天，观察底托板的耐腐蚀性。其表面光洁，无腐蚀痕迹，无变色现象则表示该材料的底托板耐电解液腐蚀。经测试，PET材料耐电解液腐蚀。
取五片PET底托板，在500V的直流电压下，测试其绝缘电阻，绝缘电阻大于200Mohm可视为具有较好的绝缘性。经测试，PET材料绝缘。
测试结果显示，使用PET底托板的电芯在3C和4C的放电电流下的温升则分别为31℃和47℃。而3C/1C和4C/1C电流下的循环性能则分别为80％@1700以及80％@1580。结果表明，PET底托板的导热能力低于实施例1、实施例2和实施例3中的复合材料底托板，使得电芯的工作温度较高，从而电芯的循环性能较差。
在一些实施例及其对比例中，底托板的厚度为0.8mm，底托板表面所开设的通孔直径为2.5mm。
如图1、图2、图3和图4所示，锂离子电池还包括外壳1、防爆顶盖2、裸电芯3、绝缘膜4和电解液13；外壳1为一端开口的长箱体，用于呈放裸电芯3、绝缘膜4和电解液13；裸电芯3置于外壳1内；绝缘膜4包裹在裸电芯3外表面上；电解液13存储在外壳1内并吸附在裸电芯3内；底托板5置于外壳1内，底托板5与外壳1开口端相对，底托板5位于绝缘膜4和外壳1之间，对绝缘膜4以及绝缘膜内部裸电芯3起到承托作用，底托板5分别与绝缘膜13和外壳1贴合；防爆顶盖2与外壳1开口端紧密连接，保证锂离子电池的气密性，在一些实施例中，防爆顶盖2与外壳1开口端的连接方式为焊接。裸电芯3包括多个卷芯14、15，卷芯14、15通过极耳连接。在一些实施例中，卷芯14、15之间通过焊接极耳的方式连接；在一些实施例中卷芯的数量为两个。裸电芯3上的正极极耳11与负极极耳12通过焊接分别与防爆顶盖2上的正极极柱9和负极极柱10相连；防爆顶盖2包括防爆阀8，防爆阀8位于防爆顶盖2中部；绝缘膜4与底托板5紧密贴合面开孔，底托板5表面开孔6，以便位于壳体底部的电解液浸润，进入裸电芯3。电解液13可以传导锂离子，通过防爆顶盖2上的注液孔7注入装有裸电芯3的外壳1中。高散热性锂离子电池还包括感温线16，感温线16布设在两个卷芯14、15之间，位于其中一个卷芯14表面中部，用于测试电芯工作过程中的温升。
综上所述，本发明为一种高导热性电池底托板及锂离子电池，底托板的复合材料制备工艺简单，成本低廉，简便易得；锂离子电池的底托板采用该高导热性复合材料制成，结构紧凑，装配简单，导热能力高，能够快速地把电芯工作过程中产生的热量传导至外壳，进行发散，使工作温度稳定在正常范围，提升了电芯的循环寿命。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种高导热性电池底托板，其特征在于，所述高导热性电池底托板的材料为复合陶瓷材料，所述复合陶瓷材料包括塑料和高导热系数材料，所述高导热系数材料的导热系数范围是7—490W/mk，所述高导热系数材料占比复合材料的质量比例包括：10％—60％。
2.根据权利要求1所述的高导热性电池底托板，其特征在于，所述高导热系数材料包括SiO2、SiC、Al2O3、AlN、MgO、BN中的一种或多种，所述塑料包括PP、PE和PET。
3.根据权利要求2所述的高导热性电池底托板，其特征在于，所述塑料是PP，所述高导热系数材料是Al2O3、SiO2或BN中的一种，所述PP与所述Al2O3的质量比为9:1，所述PP与所述SiO2的质量比为9:1，所述PP与所述BN的质量比为9:1。
4.根据权利要求2所述的高导热性电池底托板，其特征在于，所述塑料是PP，所述高导热系数材料是BN，所述PP与所述BN的质量比为4:6。
5.一种锂离子电池，包括底托板，其特征在于，所述底托板采用权利要求1至6任意一项所述的高导热性电池底托板。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述高导热性底托板上设有通孔。
7.根据权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述高导热性电池底托板的厚度为0.5—5mm。
8.根据权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，还包括外壳、防爆顶盖、裸电芯、绝缘膜和电解液；所述外壳为一端开口的长箱体；所述裸电芯置于所述外壳内；所述绝缘膜包裹在所述裸电芯外表面；所述电解液存储在所述外壳内并吸附在所述裸电芯内；所述高导热性电池底托板置于所述外壳内，所述高导热性电池底托板与所述外壳开口端相对，所述高导热性电池底托板位于所述绝缘膜和所述外壳之间，所述高导热性电池底托板与所述绝缘膜和所述外壳分别贴合；所述防爆顶盖盖合所述外壳的开口端。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，所述裸电芯包括多个卷芯，所述卷芯间通过极耳连接；所述裸电芯包括正极极耳和负极极耳,所述正极极耳与所述负极极耳分别与所述防爆顶盖上的正极极柱和负极极柱相连。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，还包括感温线,所述感温线设置于所述卷芯的中部。
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