CN110690527B - 一种由石墨烯导热膜构成的动力锂电池均温散热系统 - Google Patents

一种由石墨烯导热膜构成的动力锂电池均温散热系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电动车电池散热技术领域，尤其涉及一种由石墨烯导热膜构成的动力锂电池均温散热系统。包括锂电池本体以及包覆于锂电池本体的铜基石墨烯纳米微片复合导热膜，所述铜基石墨烯纳米微片复合导热膜由内到外依次包括铜箔基层和石墨烯纳米微片导热层；按照质量份，所述石墨烯纳米微片导热层以环烷酸铜和边缘氧化石墨烯纳米微片为石墨烯纳米微片导热层的主要组分，通过边缘氧化石墨烯纳米微片的芳香层和环烷酸铜之间的共轭作用，构建出具有三维多孔结构的氧化石墨烯‑铜基复合材料，通过多孔结构有效提高散热性能。

Description

一种由石墨烯导热膜构成的动力锂电池均温散热系统
技术领域
本发明涉及电动车电池散热技术领域，尤其涉及一种由石墨烯导热膜构成的动力锂电池均温散热系统。
背景技术
随着环境污染的日益严重，人们的环保意识不断提高，低碳、绿色逐渐成为生活的主流，二轮电动车以其轻便、省力越发成为人们的重要出行工具，电动车简而言之就是以电力为驱动，以电力为能源的车子。因其驱动能量全部来自电池的供给，如果电池的散热性能较差，会影响电池的寿命和工作效率。
申请号为CN201621455172.9的专利文件公开了这样一种具有铜基石墨烯复合散热膜的电池，其包括壳体，所述壳体由两个圆柱体结构的电池单元壳交叉组成，每个电池单元壳内设有一个电池腔，电池芯固定在电池腔内，每个电池腔外壁包覆一圈铜基石墨烯复合散热膜，所述铜基石墨烯复合散热膜的截面形状为中空的正方形结构；所述铜基石墨烯复合散热膜，包括外层铜箔、散热层和内层铜箔，外层铜箔的截面形状为正方形结构，内层铜箔的截面形状为正方形结构，散热层设置在内层铜箔与外层铜箔之间，所述散热层包括铜支架和石墨烯填料，石墨烯填料填充在内层铜箔和外层铜箔之间。这种普通的铜基石墨烯复合散热膜的散热效果还不够好。
发明内容
本发明要解决上述问题，提供一种由石墨烯导热膜构成的动力锂电池均温散热系统。
本发明解决问题的技术方案是，提供一种由石墨烯导热膜构成的动力锂电池均温散热系统，包括锂电池本体以及包覆于锂电池本体的铜基石墨烯纳米微片复合导热膜，所述铜基石墨烯纳米微片复合导热膜由内到外依次包括铜箔基层和石墨烯纳米微片导热层；按照质量份，所述石墨烯纳米微片导热层包括环烷酸铜7-10份、边缘氧化石墨烯纳米微片45-55份、分散剂1-4份以及助剂0.5-2份。
其中，边缘氧化石墨烯纳米微片是指边缘被氧化、层状结构内部保留了石墨原有共轭结构的石墨烯纳米片。
铜具有良好的导热性。
优选地，所述铜基石墨烯纳米微片复合导热膜通过以下步骤制备：
（1）将边缘氧化石墨烯纳米微片加入到50%的乙醇溶液中，超声处理1-2h，然后将得到的悬浮液快速加入到环烷酸铜和乙醇的混合液中，搅拌均匀后，静置30-60min，得到多孔结构的铜基石墨烯材料；
（2）将多孔结构的铜基石墨烯材料、分散剂以及助剂送入挤出机熔融，挤出后用刮刀将挤出物涂覆于所述铜箔基层，在100-120℃下真空干燥2-2.5h，然后在40-50℃下固化20-24h。
优选地，还包括对所述铜箔基层表面进行预处理步骤：对铜箔基层表面进行粗化处理，并且在铜箔表面均匀分布有多个孔洞。
优选地，所述助剂包括有机硅树脂。
有机硅树脂是高度交联的网状结构的聚有机硅氧烷，通常是用甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、苯基三氯硅烷、二苯基二氯硅烷或甲基苯基二氯硅烷的各种混合物，在有机溶剂如甲苯存在下，在较低温度下加水分解，得到酸性水解物。水解的初始产物是环状的、线型的和交联聚合物的混合物，通常还含有相当多的羟基。水解物经水洗除去酸，中性的初缩聚体于空气中热氧化或在催化剂存在下进一步缩聚，最后形成高度交联的立体网络结构。其具有良好的绝缘性和耐热性。
优选地，所述助剂包括抗氧剂，所述抗氧剂选自四季戊四醇酯或四双膦酸酯中的一种。
优选地，所述分散剂选自硬脂酸钙或双硬脂酸酰胺中的一种或多种。
优选地，所述边缘氧化石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：
（1）将浓硫酸和石墨烯纳米微片混合，冰盐浴冷却至0℃以下；
此为前准备步骤，低温下硫酸的氧化性不高，难以对石墨进行插层反应。
（2）加入高锰酸钾，体系升温至30-40℃，搅拌2-3h后冰盐浴冷却至0℃以下；
当加入高猛酸钾后，体系的氧化能力得到一定程度的提高，石墨层的边缘首先被氧化，部分碳原子失去电子变成正离子，硫酸氢根离子和具有极性的硫酸分子通过静电力吸附在石墨片层的边缘，这些通过静电力吸附在石墨片层边缘的硫酸根离子和硫酸分子与石墨烯正离子形成硫酸-石墨边缘复合物。随着高锰酸钾的添加，体系温度升高，此时高猛酸钾的强氧化作用使得不充分氧化的硫酸-石墨边缘复合物进一步氧化。
（3）加入去离子水，搅拌至高锰酸钾反应完毕后，抽滤，以去离子和稀盐水交替洗涤滤饼；
残留的浓硫酸与水作用使混合液的温度迅速升高，剩余未氧化的硫酸-石墨边缘复合物发生水解。
（4）将滤饼超声20-40min后，以12000-15000r/min的转速离心3-5min，得黑色粉末于60-80℃下真空干燥18-30h。
优选地，所述石墨烯纳米微片以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比（40-60）：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2000-2500r/min下研磨8-10h得到。
采用磁场驱动替代滚动、搅拌、气流冲击等传统的机械驱动方式，利用微小尺寸、高强福度及大作用面积的钢针袋替代钢球、玛瑙球等研磨介质，在磁场的高频转换下，钢针飞速旋转，所产生的剪切力、碰撞力和摩擦力可有效对石墨材料进行厚度和粒径上的减小，从而得到纳米尺度的石墨烯材料。同时，采用双氧水为研磨介质，双氧水可分解产生氧气和水，可对石墨边缘进行微氧化。
本发明的有益效果：
1.以环烷酸铜和边缘氧化石墨烯纳米微片为石墨烯纳米微片导热层的主要组分，通过边缘氧化石墨烯纳米微片的芳香层和环烷酸铜之间的共轭作用，构建出具有三维多孔结构的氧化石墨烯-铜基复合材料，通过多孔结构有效提高散热性能。
2. 铜箔基层除了利用自身铜材料的导热性能提高散热效果外，还在表面作出多孔结构，一方面加强与石墨烯纳米微片导热层的结合，另一方面提高与石墨烯纳米微片导热层的接触面积，加速热量导入到石墨烯纳米微片导热层，从而加速热量伞散出。
附图说明
图1是实施例1中制备得到的多孔结构的铜基石墨烯材料的SEM表征图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施方式，并对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
一种由石墨烯导热膜构成的动力锂电池均温散热系统，包括锂电池本体以及包覆于锂电池本体的铜基石墨烯纳米微片复合导热膜，铜基石墨烯纳米微片复合导热膜由内到外依次包括铜箔基层和石墨烯纳米微片导热层。
本实施例中，按照质量份，石墨烯纳米微片导热层包括环烷酸铜8份、边缘氧化石墨烯纳米微片50份、分散剂3份以及助剂1份。其中，分散剂选用硬脂酸钙。助剂包括有机硅树脂0.5份和四季戊四醇酯0.5份。
边缘氧化石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：
a.以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比50：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2200r/min下研磨9h得到石墨烯纳米微片。
b.将浓硫酸和石墨烯纳米微片以25mL：1g的比例混合，冰盐浴冷却至0℃以下。
c.加入质量为石墨烯纳米微片的3倍的高锰酸钾，体系升温至35℃，搅拌2.5h后冰盐浴冷却至0℃以下；
d.加入体积为浓硫酸体积6倍的去离子水，搅拌至高锰酸钾反应完毕后，抽滤，以去离子和稀盐水交替洗涤滤饼；
e.将滤饼超声30min后，以13000r/min的转速离心4min，得黑色粉末于70℃下真空干燥24h得到边缘氧化石墨烯纳米微片。
准备好上述原料后，铜基石墨烯纳米微片复合导热膜通过以下步骤制备：
（1）对铜箔基层表面进行预处理步骤：对铜箔基层表面进行粗化处理，并且在铜箔表面均匀分布有多个孔洞，处理方式可以为电化学腐蚀也可以为物理打孔。
（2）将边缘氧化石墨烯纳米微片加入到50%的乙醇溶液中，超声处理1.5h，然后将得到的悬浮液快速加入到环烷酸铜和乙醇的混合液中，搅拌均匀后，静置45min，得到多孔结构的铜基石墨烯材料；其扫描电镜图如图1所示，显示为明显的三维多孔结构，该结构具有更大的比表面积，有利于散热。
（3）将多孔结构的铜基石墨烯材料、分散剂以及助剂送入挤出机熔融，挤出后用刮刀将挤出物涂覆于铜箔基层，在110℃下真空干燥2.2h，然后在45℃下固化22h。
实施例2
本实施例中，按照质量份，石墨烯纳米微片导热层包括环烷酸铜7份、边缘氧化石墨烯纳米微片45份、分散剂1份以及助剂0.5份。其中，分散剂选用双硬脂酸酰胺。助剂包括有机硅树脂0.5份。
边缘氧化石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：
a.以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比40：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2000r/min下研磨8h得到石墨烯纳米微片。
b.将浓硫酸和石墨烯纳米微片以20mL：1g的比例混合，冰盐浴冷却至0℃以下。
c.加入质量为石墨烯纳米微片的2.5倍的高锰酸钾，体系升温至30℃，搅拌2h后冰盐浴冷却至0℃以下；
d.加入体积为浓硫酸体积5倍的去离子水，搅拌至高锰酸钾反应完毕后，抽滤，以去离子和稀盐水交替洗涤滤饼；
e.将滤饼超声20min后，以12000r/min的转速离心3min，得黑色粉末于60℃下真空干燥18h。
准备好上述原料后，铜基石墨烯纳米微片复合导热膜通过以下步骤制备：
（1）对所述铜箔基层表面进行预处理步骤：对铜箔基层表面进行粗化处理，并且在铜箔表面均匀分布有多个孔洞，处理方式可以为电化学腐蚀也可以为物理打孔。
（2）将边缘氧化石墨烯纳米微片加入到50%的乙醇溶液中，超声处理1h，然后将得到的悬浮液快速加入到环烷酸铜和乙醇的混合液中，搅拌均匀后，静置30min，得到多孔结构的铜基石墨烯材料；
（3）将多孔结构的铜基石墨烯材料、分散剂以及助剂送入挤出机熔融，挤出后用刮刀将挤出物涂覆于所述铜箔基层，在100℃下真空干燥2h，然后在40℃下固化20h。
实施例3
本实施例中，按照质量份，石墨烯纳米微片导热层包括环烷酸铜10份、边缘氧化石墨烯纳米微片55份、分散剂4份以及助剂2份。其中，分散剂选自硬脂酸钙和双硬脂酸酰胺的等比例混合物。助剂包括有机硅树脂1.5份和四季戊四醇酯0.5份。
边缘氧化石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：
a.以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比60：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2500r/min下研磨10h得到石墨烯纳米微片。
b.将浓硫酸和石墨烯纳米微片以30mL：1g的比例混合，冰盐浴冷却至0℃以下。
c.加入质量为石墨烯纳米微片的3.5倍的高锰酸钾，体系升温至40℃，搅拌3h后冰盐浴冷却至0℃以下；
d.加入体积为浓硫酸体积7倍的去离子水，搅拌至高锰酸钾反应完毕后，抽滤，以去离子和稀盐水交替洗涤滤饼；
e.将滤饼超声40min后，以15000r/min的转速离心4min，得黑色粉末于80℃下真空干燥30h得到边缘氧化石墨烯纳米微片。
准备好上述原料后，铜基石墨烯纳米微片复合导热膜通过以下步骤制备：
（1）对所述铜箔基层表面进行预处理步骤：对铜箔基层表面进行粗化处理，并且在铜箔表面均匀分布有多个孔洞，处理方式可以为电化学腐蚀也可以为物理打孔。
（2）将边缘氧化石墨烯纳米微片加入到50%的乙醇溶液中，超声处理2h，然后将得到的悬浮液快速加入到环烷酸铜和乙醇的混合液中，搅拌均匀后，静置60min，得到多孔结构的铜基石墨烯材料；
（3）将多孔结构的铜基石墨烯材料、分散剂以及助剂送入挤出机熔融，挤出后用刮刀将挤出物涂覆于所述铜箔基层，在120℃下真空干燥2.5h，然后在50℃下固化24h。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种由石墨烯导热膜构成的动力锂电池均温散热系统，其特征在于：包括锂电池本体以及包覆于锂电池本体的铜基石墨烯纳米微片复合导热膜，所述铜基石墨烯纳米微片复合导热膜由内到外依次包括铜箔基层和石墨烯纳米微片导热层；按照质量份，所述石墨烯纳米微片导热层包括环烷酸铜7-10份、边缘氧化石墨烯纳米微片45-55份、分散剂1-4份以及助剂0.5-2份；所述铜基石墨烯纳米微片复合导热膜通过以下步骤制备：
（1）将边缘氧化石墨烯纳米微片加入到50%的乙醇溶液中，超声处理1-2h，然后将得到的悬浮液快速加入到环烷酸铜和乙醇的混合液中，搅拌均匀后，静置30-60min，得到多孔结构的铜基石墨烯材料；
（2）将多孔结构的铜基石墨烯材料、分散剂以及助剂送入挤出机熔融，挤出后用刮刀将挤出物涂覆于所述铜箔基层，在100-120℃下真空干燥2-2.5h，然后在40-50℃下固化20-24h。
2.根据权利要求1所述的一种由石墨烯导热膜构成的动力锂电池均温散热系统，其特征在于：还包括对所述铜箔基层表面进行预处理步骤：对铜箔基层表面进行粗化处理，并且在铜箔表面均匀分布有多个孔洞。
3.根据权利要求1所述的一种由石墨烯导热膜构成的动力锂电池均温散热系统，其特征在于：所述助剂包括有机硅树脂。
4.根据权利要求1所述的一种由石墨烯导热膜构成的动力锂电池均温散热系统，其特征在于：所述助剂包括抗氧剂，所述抗氧剂选自四季戊四醇酯或四双膦酸酯中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种由石墨烯导热膜构成的动力锂电池均温散热系统，其特征在于：所述分散剂选自硬脂酸钙或双硬脂酸酰胺中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种由石墨烯导热膜构成的动力锂电池均温散热系统，其特征在于：所述边缘氧化石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：
（1）将浓硫酸和石墨烯纳米微片混合，冰盐浴冷却至0℃以下；
（2）加入高锰酸钾，体系升温至30-40℃，搅拌2-3h后冰盐浴冷却至0℃以下；
（3）加入去离子水，搅拌至高锰酸钾反应完毕后，抽滤，以去离子和稀盐水交替洗涤滤饼；
（4）将滤饼超声20-40min后，以12000-15000r/min的转速离心3-5min，得黑色粉末于60-80℃下真空干燥18-30h。
7.根据权利要求6所述的一种由石墨烯导热膜构成的动力锂电池均温散热系统，其特征在于：所述石墨烯纳米微片以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比（40-60）：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2000-2500r/min下研磨8-10h得到。
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