CN109830774B

CN109830774B - 自冷却散热集流体及动力电池电芯

Info

Publication number: CN109830774B
Application number: CN201910024197.5A
Authority: CN
Inventors: 李强; 段继祥; 杨从强; 张耀
Original assignee: Sunwoda Electronic Co Ltd
Current assignee: Xinwangda Power Technology Co ltd
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2039-01-10
Also published as: CN109830774A

Abstract

本发明揭示了一种自冷却散热集流体及动力电池电芯，其中：自冷却散热集流体，包括蓄热涂层和导热材料制成的集流体基材，蓄热涂层涂覆在集流体基材的表面。动力电池电芯，包括正电极、负电极以及自冷却散热集流体，自冷却散热集流体包括正极自冷却散热集流体和负极自冷却散热集流体；正极自冷却散热集流体连接正电极形成正极连接体，负极自冷却散热集流体连接负电极形成负极连接体；正极连接体和负极连接体叠放后卷绕设置，且正极自冷却散热集流体和负极自冷却散热集流体两者位于卷绕后的外侧。本发明的自冷却散热集流体及动力电池电芯可用于解决锂电池内部热量分布不均且难以散出的问题，具有热量传导快的特点。

Description

自冷却散热集流体及动力电池电芯

技术领域

本发明涉及到动力电池技术领域，特别是涉及到一种自冷却散热集流体及动力电池电芯。

背景技术

近年来，新能源行业在国内的快速发展，其中，新能源汽车发展尤为迅速，随之锂电池的应用也越来越普及。因此，市场对锂电池产品的要求越来越高，如：新能源汽车要求使用更加安全的方形动力电池(锂电池)，该电池的使用寿命要在8年左右，且该电池不能有安全隐患等。锂电池的最佳的工作温度范围为15～35℃，在该工作温度范围内其寿命长的性能才能得到最好的发挥。但是，锂离子电池普遍充放电时间较长，且因为锂电池在充放电过程中阻抗、倍率大，锂电池自身会产生很多热量，导致电池本身发热不均、电池充放电时温度较高，从而，锂电池很难保持处于最佳的工作温度范围内，造成电池寿命降低的现象。

为解决上述问题，目前主流方法是在电池壳外或者电池组内安装导热、散热介质管道进行辅助散热，或者，借助风冷、水冷系统对电池进行散热，但这些方法仅在电池外部对电池进行均热，当电池尺寸更大时，电池内部热量难以散出到电池表面。此外，由于动力电池尺寸较大，其内部温度分布不均匀问题会更加严峻。

因此，如何在锂电池的使用过程中将电池内部产生的热量快速传导出去，使电池温度可以保持在最佳的工作温度范围，成为了锂电行业的一个难题。

发明内容

本发明的主要目的为提供一种自冷却散热集流体及动力电池电芯，可用于解决锂电池内部热量分布不均且难以散出的问题，具有热量传导快的特点。

本发明提出一种自冷却散热集流体，包括蓄热涂层和导热材料制成的集流体基材，所述蓄热涂层涂覆在所述集流体基材的表面。

进一步的，所述蓄热涂层包括蓄热材料、碳材料和粘接剂，所述蓄热材料、碳材料和粘接剂三者相互混合制成所述蓄热涂层。

进一步的，所述蓄热材料、碳材料和粘结剂三者的质量百分比为50～85％：10～40％：5～10％。

进一步的，所述碳材料为活性炭、多孔石墨和石墨烯中的多种混合或一种。

进一步的，所述蓄热材料为改性石蜡、高分子聚合物类相变材料和多元醇类相变材料中的多种混合或一种。

进一步的，所述高分子聚合物类相变材料为PEG型聚氨酯；所述多元醇类相变材料为季戊四醇、新戊二醇和三羟甲基乙烷中的多种混合或一种。

进一步的，所述粘接剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、丙烯腈多元聚合物、羟甲基纤维素钠、SBR橡胶中的多种混合或一种。

进一步的，所述蓄热涂层的面密度为5～50mg/cm²，所述蓄热涂层的厚度为50～300μm。

本发明还提出一种动力电池电芯，包括正电极、负电极以及所述的自冷却散热集流体，所述自冷却散热集流体包括正极自冷却散热集流体和负极自冷却散热集流体；所述正极自冷却散热集流体连接所述正电极形成正极连接体，所述负极自冷却散热集流体连接所述负电极形成负极连接体；所述正极连接体和负极连接体叠放后卷绕设置，且所述正极自冷却散热集流体和负极自冷却散热集流体两者位于卷绕后的外侧。

进一步的，所述负极自冷却散热集流体的所述集流体基材为铜集流体基材，所述铜集流体基材的厚度为6～16μm；所述正极自冷却散热集流体的所述集流体基材为铝集流体基材，所述铝集流体基材的厚度为8～18μm。

本发明的自冷却散热集流体及动力电池电芯具有以下有益效果：

本发明的自冷却散热集流体包括蓄热涂层和导热材料制成的集流体基材；通过导热材料制成的集流体基材可快速传导锂电池内部的热量，即可将锂电池内部的热量向外层传导；通过蓄热涂层可吸收集流体基材的热量，使集流体基材的热量传导速度更快；从而当锂电池设置有本发明的自冷却散热集流体后，其内部热量可通过自冷却散热集流体向外部快速散发，再通过外部散热结构进行外部散热；因此，本发明的自冷却散热集流体具有可使锂电池内部热量分布均匀、利于锂电池内部热量散出的特点；

本发明的动力电池电芯包括正电极、负电极以及自冷却散热集流体；正极自冷却散热集流体连接正电极形成正连接体，负极自冷却散热集流体连接负电极形成负连接体，可通过自冷却散热集流体与电极的连接快速传导并散发电极产生的热量，并且，正极自冷却散热集流体和负极自冷却散热集流体两者位于正电极和负电极两者的外侧，即电极位于卷绕设置的正连接体和负连接体的中部，自冷却散热集流体位于卷绕设置的正连接体和负连接体的外层，使本发明的动力电池电芯包的电极周围因充放电反应产生的热量可通过自冷却散热集流体快速向外散出；因此，本发明的动力电池电芯具有可使锂电池内部热量分布均匀、利于锂电池内部热量散出的特点。

附图说明

图1为本发明的动力电池电芯的结构示意图。

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。

本发明的一种自冷却散热集流体，包括蓄热涂层和导热材料制成的集流体基材，上述蓄热涂层涂覆在上述集流体基材的表面。

通过导热材料制成的集流体基材可快速传导锂电池内部的热量，即可将锂电池内部的热量向外层传导。通过蓄热涂层可吸收集流体基材的热量，使集流体基材的热量传导速度更快。从而，当锂电池设置有本发明的自冷却散热集流体后，其内部热量可通过自冷却散热集流体向外部快速散发，再通过外部散热结构进行外部散热，因此，本发明的自冷却散热集流体具有可使锂电池内部热量分布均匀、利于锂电池内部热量散出的特点，从而可使锂电池的使用寿命延长。

本实施例中，蓄热涂层包括蓄热材料、碳材料和粘接剂，蓄热材料、碳材料和粘接剂三者相互混合制成所述蓄热涂层。

其中，蓄热材料用于吸收和存储热量；碳材料作为导热介质，并且，碳材料还作为负载上述蓄热材料的基体，用于提升蓄热材料与集流体基材之间的热量传导性能；粘接剂用于把蓄热材料与碳材料与集流体基材紧密粘合在一起。此外，蓄热涂层还可以是其他能够存储热量且能够直接与集流体基材贴合的材料制成。

本实施例中，集流体基材为金属材料制成；更具体的，集流体基材为铜或铝制成。铜、铝作为集流体基材，具有导热性能好的特点；其导热性能与蓄热材料的吸热性能结合，得到本发明的自冷却散热集流体的热量传导快的效果。利用该自冷却散热集流体可将锂电池内部的热量通过铜铝集流体快速传导到蓄热涂层，通过自冷却散热集流体的蓄热涂层把热量吸收后，再通过锂电池壳体把热量散发出去，从而达到电芯自冷却散热和延长锂电池使用寿命的目的。

蓄热材料、碳材料和粘结剂三者的质量百分比为50～85％：10～40％：5～10％。蓄热材料、碳材料和粘结剂三者的质量百分比可在上述范围内随意选取，均具有导热性能好、散热快的特点。

碳材料为活性炭、多孔石墨和石墨烯中的多种混合或一种。

蓄热材料为改性石蜡、高分子聚合物类相变材料和多元醇类相变材料中的多种混合或一种。高分子聚合物类相变材料为PEG型聚氨酯；多元醇类相变材料为季戊四醇、新戊二醇和三羟甲基乙烷中的多种混合或一种。

粘接剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、丙烯腈多元聚合物、羟甲基纤维素钠、SBR橡胶中的多种混合或一种。

蓄热涂层的面密度为5～50mg/cm²，蓄热涂层的厚度为50～300μm。在本发明的自冷却散热集流体的制作中，达到蓄热涂层的面密度为5～50mg/cm²，蓄热涂层的厚度为50～300μm，其改善锂电池的散热性能的效果更好。本实施例中，蓄热涂层是通过涂布或者喷涂的方式涂覆在集流体基材上。

本实施例中，蓄热涂层适用的温度范围为-20～80℃，可适用于大部分锂电池的大部分应用条件。

如图1，本发明的一种动力电池电芯，包括正电极1、负电极2以及本发明的自冷却散热集流体，上述自冷却散热集流体包括正极自冷却散热集流体3和负极自冷却散热集流体4；正极自冷却散热集流体3连接正电极1形成正极连接体，负极自冷却散热集流体4连接负电极2形成负极连接体；正极连接体和负极连接体叠放后卷绕设置，且正极自冷却散热集流体3和负极自冷却散热集流体4两者位于位于卷绕后的外侧。

本发明的动力电池电芯可通过自冷却散热集流体与电极的连接快速传导并散发电极产生的热量，并且，正极自冷却散热集流体3和负极自冷却散热集流体4两者位于正电极1和负电极2两者的外侧，即电极位于卷绕设置的正连接体和负连接体的中部，自冷却散热集流体位于卷绕设置的正连接体和负连接体的外层，使本发明的动力电池电芯包的电极周围因充放电反应产生的热量可通过自冷却散热集流体快速向外散出。因此，本发明的动力电池电芯具有可使锂电池内部热量分布均匀、利于锂电池内部热量散出的特点。

正极自冷却散热集流体3为用于连接正电极1的自冷却散热集流体；负极自冷却散热集流体4为用于连接负电极2的自冷却散热集流体。

上述正电极1和负电极2之间、上述正极自冷却散热集流体3和负极自冷却散热集流体4之间均设有隔离膜5。隔离膜5用于隔离正电极1和负电极2、正极自冷却散热集流体3和负极自冷却散热集流体4、正电极1和负极自冷却散热集流体4、负电极2和正极自冷却散热集流体3的直接接触。

本实施例中，隔离膜5还包括包覆在自冷却散热集流体外侧的部分，这部分隔离膜5用于将电池电芯的内部与外界隔开。本发明的一种动力电池电芯还包括电解质，电解质填充在正电极1和负电极2之间。

上述负极自冷却散热集流体4的集流体基材为铜集流体基材，上述铜集流体基材的厚度为6～16μm；上述正极自冷却散热集流体3的集流体基材为铝集流体基材，上述铝集流体基材的厚度为8～18μm。铜集流体基材和铝集流体基材均具有导热性能好的特点。

正电极1和负电极2均包括电极集流体基材和涂覆在电极集流体基材表面的活性物质层。正电极1的电极集流体基材为铝电极集流体基材，负电极2的电极集流体基材为铜电极集流体基材。

本实施例中，正电极1的电极集流体基材与正极自冷却散热集流体3的集流体基材为一体式结构，负电极2的电极集流体基材与负极自冷却散热集流体4的集流体基材为一体式结构。即，本实施例中，自冷却散热集流体的集流体基材和电极的电极集流体基材为一体式结构，提高了自冷却散热集流体与电极之间的导热性能和强度性能。

本发明的一种动力电池电芯在应用时，其与电池保护板连接构成动力电池，动力电池电芯外设有电池外壳。与以往技术相比，应用了本发明的动力电池只需安装普通锂电池外壳即可实现动力电池自冷却散热，而且，不需要昂贵的导热、散热装置和设备进行均热/散热，动力电池制造成本更低。

下面是容量均为40Ah的传统的动力电池(对比例)与一些应用了本发明的一种动力电池电芯的动力电池(实施例)的技术方案：

对比例

其电池电芯采用传统的电池电芯(以NCM523材料作为正电极，石墨作为负电极，并采用正、负电极层叠后卷绕的方式制作)。其中，卷绕的正、负电极的最外层分别为正、负极活性涂层，涂层厚度为120μm。

实施例1

其电池电芯采用本发明的一种动力电池电芯。其中，蓄热涂层为PEG型聚氨酯、活性炭和聚偏氟乙烯的混合物，即蓄热材料为PEG型聚氨酯；混合质量百分比为80％：15％：5％；辊压后的蓄热涂层厚度为120μm。

实施例2

其电池电芯采用本发明的一种动力电池电芯。其中，蓄热涂层为PEG型聚氨酯、活性炭和聚偏氟乙烯的混合物，即蓄热材料为PEG型聚氨酯；混合质量百分比为80％：15％：5％；辊压后的蓄热涂层厚度为200μm。

实施例3

其电池电芯采用本发明的一种动力电池电芯。其中，蓄热涂层为PEG型聚氨酯、活性炭和聚偏氟乙烯的混合物，即蓄热材料为PEG型聚氨酯；混合质量百分比为80％：15％：5％；辊压后的蓄热涂层厚度为100μm。

实施例4

其电池电芯采用本发明的一种动力电池电芯。其中，蓄热涂层为改性石蜡、多孔石墨和SBR橡胶的混合物，即蓄热材料为改性石蜡；混合质量百分比为50％：40％：10％；辊压后的蓄热涂层厚度为120μm。

实施例5

其电池电芯采用本发明的一种动力电池电芯。其中，蓄热涂层为季戊四醇、石墨烯和丙烯腈多元聚合物的混合物，即蓄热材料为季戊四醇；混合质量百分比为85％：10％：5％；辊压后的蓄热涂层厚度为120μm。

实施例6

其电池电芯采用本发明的一种动力电池电芯。其中，蓄热涂层为新戊二醇、活性炭和聚偏氟乙烯的混合物，即蓄热材料为新戊二醇；混合质量百分比为70％：20％：10％；辊压后的蓄热涂层厚度为120μm。

上述制作出的动力电池按照以下方式进行效果验证：(1)在动力电池内部的裸电芯最内圈和电池壳体外表面分别安置感温线测试电池内外温度差异，电池进行4C倍率放电；(2)电池进行1C/1C充放电循环测试，测试循环1000周的容量保持率。上述传统的动力电池与一些应用了本发明的一种动力电池电芯的动力电池的实验结果如表1所示。

表1：

通过实施例1与对比例的比较可得：采用本发明的一种动力电池电芯的动力电池在4C倍率下放电的电池内外的最大温差为6℃，相比对比例中传统的动力电池的内外温差15℃降低了9℃，说明集流体基材和蓄热涂层可有效把热量吸收并向外散发，从而降低电池内部温度。1C/1C循环测试结果也显示，采用本发明的一种动力电池电芯的动力电池1000周的容量保持率还有93.5％，明显好于对比例传统的动力电池，主要原因是传统的动力电池在反复充放电过程中电池内部温度分布不均、热量难以散出，造成电池不可逆副反应增多，电池容量衰减快，而通过在电极外侧设置自冷却散热集流体，可有效把电池内部的热量吸收，从而降低电池内部温度和内外温差，有利于保持最佳的工作温度，所以循环多次后电池损耗较小，容量保持率更高。

通过实施例1、2和3的比较可得：随着蓄热涂层的加厚，对动力电池内部均热的效果和电池容量保持率的效果更好，不过改善幅度已不大。

通过实施例1、4、5、6的比较可得：采用不同蓄热材料对本发明的一种自冷却散热集流体的均热效果不同，不过相对于对比例，对电池内外温差和长期循环稳定性都有改善。

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

1.一种动力电池电芯，其特征在于，包括正电极、负电极以及自冷却散热集流体，所述自冷却散热集流体包括蓄热涂层和导热材料制成的集流体基材，所述蓄热涂层涂覆在所述集流体基材的表面；

所述自冷却散热集流体包括正极自冷却散热集流体和负极自冷却散热集流体；所述正极自冷却散热集流体连接所述正电极形成正极连接体，所述负极自冷却散热集流体连接所述负电极形成负极连接体，所述正极自冷却散热集流体与所述正电极的连接关系，以及所述负极自冷却散热集流体与所述负电极的连接关系均为首尾连接；所述正极连接体和负极连接体叠放后卷绕设置，所述正电极和负电极位于卷绕设置的正极连接体和负极连接体的中部，且所述正极自冷却散热集流体和负极自冷却散热集流体两者位于卷绕后的外侧；

所述正电极和负电极均包括电极集流体基材和涂覆在所述电极集流体基材表面的活性物质层，所述正电极的电极集流体基材与所述正极自冷却散热集流体的集流体基材为一体式结构，所述负电极的电极集流体基材与所述负极自冷却散热集流体的集流体基材为一体式结构。

2.根据权利要求1所述的动力电池电芯，其特征在于，所述蓄热涂层包括蓄热材料、碳材料和粘接剂，所述蓄热材料、碳材料和粘接剂三者相互混合制成所述蓄热涂层。

3.根据权利要求2所述的动力电池电芯，其特征在于，所述蓄热材料、碳材料和粘结剂三者的质量百分比为50～85％：10～40％：5～10％。

4.根据权利要求2所述的动力电池电芯，其特征在于，所述碳材料为活性炭、多孔石墨和石墨烯中的多种混合或一种。

5.根据权利要求2所述的动力电池电芯，其特征在于，所述蓄热材料为改性石蜡、高分子聚合物类相变材料和多元醇类相变材料中的多种混合或一种。

6.根据权利要求5所述的动力电池电芯，其特征在于，所述高分子聚合物类相变材料为PEG型聚氨酯；所述多元醇类相变材料为季戊四醇、新戊二醇和三羟甲基乙烷中的多种混合或一种。

7.根据权利要求2所述的动力电池电芯，其特征在于，所述粘接剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、丙烯腈多元聚合物、羟甲基纤维素钠、SBR橡胶中的多种混合或一种。

8.根据权利要求1所述的动力电池电芯，其特征在于，所述蓄热涂层的面密度为5～50mg/cm²，所述蓄热涂层的厚度为50～300μm。

9.根据权利要求1所述的动力电池电芯，其特征在于，所述负极自冷却散热集流体的所述集流体基材为铜集流体基材，所述铜集流体基材的厚度为6～16μm；所述正极自冷却散热集流体的所述集流体基材为铝集流体基材，所述铝集流体基材的厚度为8～18μm。