CN111628248A - 动力电池自限温石墨烯加热膜组件及其加热膜的制备方法 - Google Patents

动力电池自限温石墨烯加热膜组件及其加热膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种动力电池自限温石墨烯加热膜组件及其加热膜的制备方法，其包括电池包和用于加热所述电池包的加热膜组件，所述加热模组件包括加热膜、正极线和负极线，所述加热膜包括外围加热膜和多个横向或纵向设置的间隔加热膜，所述外围加热膜包裹于电池包的外周，所述间隔加热膜横向或纵向穿插于电池包的多个电芯之间，所述外围加热膜和每一所述间隔加热膜的正极接线端连接正极线，负极接线端连接负极线，所述正极线、负极线分别通过公母接头接入电池管理系统，所述加热膜采用水性自限温发热油墨或油性自限温发热油墨印刷于PET基材。本发明能避免动力电池异常升温且发热均匀、轻便、成本低、使用安全。

Description

动力电池自限温石墨烯加热膜组件及其加热膜的制备方法
技术领域
本发明涉及电池热管理技术领域，尤其涉及一种动力电池自限温石墨烯加热膜组件及其加热膜的制备方法。
背景技术
现有电池预热技术多采用热泵、陶瓷加热、液热和发热膜加热的方式对低温状态下的电池进行预加热达到一定温度后再进行电池充电。
热泵、陶瓷加热电池受热不均匀升温速度慢；
液热技术虽然可以受热均匀但是有渗漏的风险而且占用体积大，减小了电池的体积能量密度；
目前的大部分面状发热膜多采用包裹在电池包周围进行加热，一般的发热膜多为硅胶发热膜、聚酰亚胺发膜，成本较高，电池周围容易受热中间部分升温较慢，而且当电池温控系统故障或者积热原因存在时，电池持续加热存在安全问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种能避免异常升温且发热均匀、轻便、成本低、使用安全的动力电池自限温石墨烯加热膜组件及其加热膜的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述动力电池自限温石墨烯加热膜组件，包括电池包和用于加热所述电池包的加热膜组件，所述加热模组件包括加热膜、正极线和负极线，所述加热膜包括外围加热膜和多个横向或纵向设置的间隔加热膜，所述外围加热膜包裹于电池包的外周，所述间隔加热膜横向或纵向穿插于电池包的多个电芯之间，所述外围加热膜和每一所述间隔加热膜的正极接线端连接正极线，负极接线端连接负极线，所述正极线、负极线分别通过公母接头接入电池管理系统；
所述加热膜采用水性自限温发热油墨或油性自限温发热油墨印刷于PET基材。
在本发明提供的动力电池自限温石墨烯加热膜组件的一种较佳实施例中，所述水性自限温发热油墨包括以下组分：
20-50wt％的水性树脂、5-30wt％的助溶剂、0-5wt％的pH调节剂、0.1-10wt％的助剂、5-40wt％的有机PTC功能材料和余量水。
在本发明提供的动力电池自限温石墨烯加热膜组件的一种较佳实施例中，所述有机PTC功能材料包括10-50wt％的聚乙二醇、1-30wt％的导电填料、1-10wt％的助剂、余量溶剂。
在本发明提供的动力电池自限温石墨烯加热膜组件的一种较佳实施例中，所述水性树脂包括水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯、水性萜烯树脂中的一种或多种的组合；
所述助溶剂包括乙醇、乙二醇、丙二醇中的一种或多种的组合；
所述助剂包括水性分散剂、偶联剂、消泡剂、流平剂、增稠剂的一种或多种的组合；
所述溶剂包括乙二醇、丙二醇、乙醇、去离子水中的一种或多种的组合；
所述导电填料包括改性石墨烯和导电碳粉、碳纳米管、石墨粉中的一种或多种的组合。
本发明提供的一较佳实施例的所述加热膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、制备水性自限温发热油墨，包括以下步骤：
步骤S11、制备有机PTC功能材料：将聚乙二醇、溶剂、导电填料、助剂按配比加入到研磨分散一体机中搅拌均匀后用三轴辊压机研磨至细度10μm以下；
步骤S12、混料：按配比将水性树脂、溶剂搅拌至树脂溶解后加入上述有机功能材料，加入水性消泡剂，继续搅拌均匀后加入适量的pH调节剂调节pH值至8-9；
步骤S13、调节粘度：向上述混料中加入适量的增稠剂调整粘度至20000cps；
步骤S2、印刷：将油性自限温发热油墨以电晕处理过的PET为基材，通过丝网印刷机印刷在基材上，印刷厚度为12μm；
步骤S3、复合面层：在印刷后的基材两侧分别印刷导电银浆，再将铜箔条通过带胶聚酯薄膜复合成加热膜；
步骤S4、将正、负极接线铆接在加热膜的两侧铜箔上。
在本发明提供的动力电池自限温石墨烯加热膜组件的另一种较佳实施例中，所述油性自限温发热油墨包括以下组分：
10-40wt％的骨架连接料、5-20wt％的有机相变材料、1-20wt％的石墨烯复合导电填料、1-10wt％的助剂和余量溶剂。
在本发明提供的动力电池自限温石墨烯加热膜组件的另一种较佳实施例中，所述骨架连接料采用丙烯酸树脂、酚醛改性萜烯树脂、聚氨酯、聚酯中的一种或者多种的组合；
所述有机相变材料采用熔点为20-40℃的乙烯-醋酸乙烯共聚物、相变蜡、月桂酸、硬脂酸、聚乙二醇中的一种或多种的组合；
所述导电填料采用石墨烯和石墨粉、导电碳粉、碳纳米管中的一种或多种的组合。
在本发明提供的动力电池自限温石墨烯加热膜组件的另一种较佳实施例中，所述助剂包括分散剂、消泡剂和流平剂；
所述溶剂采用酮类、醚类、酯类、醇类、碳氢化合物中的一种或多种的组合。
本发明提供的另一较佳实施例所述的加热膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、制备油性自限温发热油墨，包括以下步骤：
步骤S11、混料：将所述溶剂加入到研磨分散一体机料筒中，加入分散剂、流平剂，然后加入骨架连接料、有机相变材料，以1000-1500r/min的转速快速搅拌，利用摩擦产生的热量和溶剂的溶解作用使材料溶解并搅拌均匀，然后加入导电填料，先以100-500r/min的转速搅拌均匀，然后以1000-1500r/min的转速快速搅拌剪切；
步骤S12、研磨：将步骤S1中的混合料转移至三轴辊压机反复研磨，研磨过程中用刮板细度仪测试细度，直至细度≤5μm停止研磨；；
步骤S13、调整粘度：向研磨后的混合料中加入适量溶剂，调整粘度至20000cps，并加入适量消泡剂得到发热油墨；
步骤S2、印刷：将油性自限温发热油墨以电晕处理过的PET为基材，通过丝网印刷机印刷在基材上，印刷厚度为12μm；
步骤S3、复合面层：在印刷后的基材两侧分别印刷导电银浆，再将铜箔条通过带胶聚酯薄膜复合成加热膜；
步骤S4、将正、负极接线铆接在加热膜的两侧铜箔上。
与现有技术相比，本发明提供的动力电池自限温石墨烯加热膜组件的有益效果是：本发明具有发热和自限温双重作用，发热均匀，加热膜模组件升温迅速，控温全面精准，解决了传统温控探头以单一温度点代表整体温度进行温度反馈和控制的弊端，避免局部异常升温导致的安全隐患加热膜组件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明提供的所述动力电池自限温加热模组件的结构示意图；
图2是本发明实施例一中所述加热模组件在低温条件下的红外热成像图；
图3是本发明实施例二中所述加热膜组件在低温条件下的红外热成像图；
图4是本发明实施例三中所述加热膜组件在低温条件下的红外成像图；
图5是本发明实施例四中所述加热膜组件在低温条件下的红外成像图。
具体实施方式
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1，所述动力电池自限温石墨烯加热膜组件包括电池包11和用于加热所述电池包的加热膜组件12，所述加热模组件12包括加热膜121、正极线122和负极线123，所述加热膜121包括外围加热膜1211和多个横向或纵向设置的间隔加热膜1212，所述外围加热膜1211包裹于电池包11的外周，所述间隔加热膜1212横向或纵向穿插于电池包11的多个电芯110之间，所述外围加热膜1211和每一所述间隔加热膜1212的正极接线端连接正极线122，负极接线端连接负极线123，所述正极线122、负极线123分别通过公母接头接入电池管理系统20。
优选地，本实施例的所述加热膜采用水性自限温发热油墨印刷于PET基材。
本实施例的所述水性自限温发热油墨包括以下组分：
20-50wt％的水性树脂、5-30wt％的助溶剂、0-5wt％的pH调节剂、0.1-10wt％的助剂、5-40wt％的有机PTC功能材料和余量水，其中：所述有机PTC功能材料包括10-50wt％的聚乙二醇、1-30wt％的导电填料、1-10wt％的助剂、余量溶剂。
本实施例的所述水性树脂包括水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯、水性萜烯树脂中的一种或多种的组合。
本实施例的所述助溶剂包括乙醇、乙二醇、丙二醇中的一种或多种的组合。
本实施例的所述助剂包括水性分散剂、偶联剂、消泡剂、流平剂、增稠剂的一种或多种的组合。
本实施例的所述溶剂包括乙二醇、丙二醇、乙醇、去离子水中的一种或多种的组合。
本实施例的所述导电填料包括改性石墨烯和导电碳粉、碳纳米管、石墨粉中的一种或多种的组合。
本实施例的所述加热膜的制备方法包括如下步骤：
步骤S1、制备水性自限温发热油墨，包括以下步骤：
步骤S11、制备有机PTC功能材料：将聚乙二醇(PEG-600)300g、去离子水350g、乙醇100g、改性石墨烯30g、石墨粉20g、导电碳粉150g、分散剂(BYK190)50g、偶联剂(KH550)10g加入到研磨分散一体机中搅拌均匀后用三轴辊压机研磨至细度10μm以下；
步骤S12、混料：称取水性丙烯酸树脂400g、乙二醇50g、乙醇50g、去离子水100g搅拌至树脂溶解后加入300g上述有机功能材料，加入水性消泡剂10g，继续搅拌均匀后加入适量的pH调节剂(DMAE)调节pH值至8-9；
步骤S13、调节粘度：向上述混料中加入适量的增稠剂调整粘度至20000cps；
步骤S2、印刷：将水性自限温发热油墨以电晕处理过的PET为基材，通过丝网印刷机印刷在基材上，印刷厚度为12μm；
步骤S3、复合面层：在印刷后的基材两侧分别印刷导电银浆，再将铜箔条通过带胶聚酯薄膜复合成加热膜；
步骤S4、将正、负极接线铆接在加热膜的两侧铜箔上。
本实施例的加热模组测试：将按照上述方法制成的加热膜组件装到电池包中，接通电源，于-25℃的环境温度下进行测试，利用红外热成像仪测试低温条件下电池包的发热情况，发热情况如图2所示。
实施例二
与实施例一的区别在于：本实施例的所述加热膜采用油性自限温发热油墨印刷于PET基材。
本实施例的所述油性自限温发热油墨包括以下组分：
10-40wt％的骨架连接料、5-20wt％的有机相变材料、1-20wt％的石墨烯复合导电填料、1-10wt％的助剂和余量溶剂。
本实施例的所述骨架连接料采用丙烯酸树脂、酚醛改性萜烯树脂、聚氨酯、聚酯中的一种或者多种的组合。
本实施例的所述有机相变材料采用熔点为20-40℃左右的乙烯-醋酸乙烯共聚物、相变蜡、月桂酸、硬脂酸、聚乙二醇中的一种或多种的组合。
本实施例的所述导电填料采用石墨烯和石墨粉、导电碳粉、碳纳米管中的一种或多种的组合。
本实施例的所述助剂包括分散剂、消泡剂和流平剂。
本实施例的所述溶剂采用酮类、醚类、酯类、醇类、碳氢化合物中的一种或多种的组合。
本实施例的所述加热膜的制备方法包括以下步骤：
步骤S1、制备油性自限温发热油墨，包括以下步骤：
步骤S11、混料：用电子天平称取510g溶剂加入到研磨分散一体机料筒中，本实施例的所述溶剂由50％异氟尔酮、20％环己烷、30％醋酸丁酯组成，然后加入30g分散剂KYK-163、15g流平剂BYK-333，再加入丙烯酸树脂300g、熔点为40℃左右的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)100g，以1000r/min的转速快速搅拌至溶解后，加入石墨烯14g、石墨粉14g、导电碳粉12g，以200r/min的转速搅拌均匀，再以1200r/min搅拌30min后，停止搅拌；
步骤S12、研磨：将步骤S11中的混合料转移至三轴辊压机反复研磨，研磨过程中用刮板细度仪测试细度，直至细度≤5μm停止研磨；；
步骤S13、调整粘度：向研磨后的混合料中加入5g消泡剂和适量上述溶剂，调整粘度至20000cps，得到发热油墨；
步骤S2、印刷：将油性自限温发热油墨以电晕处理过的PET为基材，通过丝网印刷机印刷在基材上，印刷厚度为12μm；
步骤S3、复合面层：在印刷后的基材两侧分别印刷导电银浆，再将铜箔条通过带胶聚酯薄膜复合成加热膜；
步骤S4、将正、负极接线铆接在加热膜的两侧铜箔上。
本实施例的加热模组测试：将按照上述方法制成的加热膜组件装到电池包中，接通电源，于-25℃的环境温度下进行测试，通电30min后，用红外热成像仪测试低温条件下电池包的加热情况，各部分温度情况如图3所示。
实施例三
与实施例二的区别在于：本实施例的所述加热膜的制备方法包括以下步骤：
步骤S1、制备油性自限温发热油墨，包括以下步骤：
步骤S11、混料：用电子天平称取400g溶剂加入到研磨分散一体机料筒中，本实施例的所述溶剂由60％异佛尔酮、10％环己烷、30％醋酸丁酯组成，然后加入60g分散剂KYK-163、10g流平剂BYK-333，再加入丙烯酸树脂100g、聚氨酯树脂200g、熔点为40℃左右的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)100g、相变蜡50g，以1500r/min的转速快速搅拌至溶解后，继续搅拌30min，搅拌均匀后加入石墨烯6g、石墨粉50g、导电碳粉34g、碳纳米管10g，以300r/min的转速搅拌均匀，再以1200r/min搅拌30min后，停止搅拌；
步骤S12、研磨：将步骤S11中的混合料转移至三轴辊压机反复研磨，研磨过程中用刮板细度仪测试细度，直至细度≤5μm停止研磨；；
步骤S13、调整粘度：向研磨后的混合料中加入6g消泡剂和适量上述溶剂，调整粘度至5000cps，得到发热油墨；
步骤S2、印刷：将油性自限温发热油墨以电晕处理过的PET为基材，通过丝网印刷机印刷在基材上，印刷厚度为12μm；
步骤S3、复合面层：在印刷后的基材两侧分别印刷导电银浆，再将铜箔条通过带胶聚酯薄膜复合成加热膜；
步骤S4、将正、负极接线铆接在加热膜的两侧铜箔上。
本实施例的加热模组测试：将按照上述方法制成的加热膜组件装到电池包中，接通电源，于-25℃的环境温度下进行测试，利用红外热成像仪测试低温条件下电池包的加热情况，各部分温度情况如图4所示。
实施例四
与实施例二的区别在于：本实施例的所述加热膜的制备方法包括以下步骤：
步骤S1、制备油性自限温发热油墨，包括以下步骤：
步骤S11、混料：用电子天平称取390g溶剂加入到研磨分散一体机料筒中，本实施例的所述溶剂由35％异佛尔酮、50％二甲苯、5％醋酸丁酯、10％二乙二醇乙醚组成，然后加入70g分散剂BYK-163、10g流平剂BYK-333，再加入酚醛改性萜烯树脂300g，熔点为40℃左右的聚乙二醇100g、硬脂酸30g、月桂酸20g，以1300r/min的转速快速搅拌至溶解后，继续搅拌30min，搅拌均匀后石墨烯30g、导电碳粉20g、碳纳米30g，以500r/min的转速搅拌均匀，再以1500r/min搅拌30min后，停止搅拌；
步骤S12、研磨：将步骤S11中的混合料转移至三轴辊压机反复研磨，研磨过程中用刮板细度仪测试细度，直至细度≤5μm停止研磨；；
步骤S13、调整粘度：向研磨后的混合料中加入10g消泡剂和适量上述溶剂，调整粘度至20000cps，得到发热油墨；
步骤S2、印刷：将油性自限温发热油墨以电晕处理过的PET为基材，通过丝网印刷机印刷在基材上，印刷厚度为12μm；
步骤S3、复合面层：在印刷后的基材两侧分别印刷导电银浆，再将铜箔条通过带胶聚酯薄膜复合成加热膜；
步骤S4、将正、负极接线铆接在加热膜的两侧铜箔上。
本实施例的加热模组测试：将按照上述方法制成的加热膜组件装到电池包中，接通电源，于-25℃的环境温度下进行测试，利用红外热成像仪测试低温条件下电池包的发热情况，发热情况如图5所示。
以上所述仅为本发明的实施例，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它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种动力电池自限温石墨烯加热膜组件，包括电池包和用于加热所述电池包的加热膜组件，其特征在于：所述加热模组件包括加热膜、正极线和负极线，所述加热膜包括外围加热膜和多个横向或纵向设置的间隔加热膜，所述外围加热膜包裹于电池包的外周，所述间隔加热膜横向或纵向穿插于电池包的多个电芯之间，所述外围加热膜和每一所述间隔加热膜的正极接线端连接正极线，负极接线端连接负极线，所述正极线、负极线分别通过公母接头接入电池管理系统；
所述加热膜采用水性自限温发热油墨或油性自限温发热油墨印刷于PET基材。
2.根据权利要求1所述的动力电池自限温石墨烯加热膜组件，其特征在于：所述水性自限温发热油墨包括以下组分：
20-50wt％的水性树脂、5-30wt％的助溶剂、0-5wt％的pH调节剂、0.1-10wt％的助剂、5-40wt％的有机PTC功能材料和余量水。
3.根据权利要求2所述的动力电池自限温石墨烯加热膜组件，其特征在于：所述有机PTC功能材料包括10-50wt％的聚乙二醇、1-30wt％的导电填料、1-10wt％的助剂、余量溶剂。
4.根据权利要求3所述的动力电池自限温石墨烯加热膜组件，其特征在于：所述水性树脂包括水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯、水性萜烯树脂中的一种或多种的组合；
所述助溶剂包括乙醇、乙二醇、丙二醇中的一种或多种的组合；
所述助剂包括水性分散剂、偶联剂、消泡剂、流平剂、增稠剂的一种或多种的组合；
所述溶剂包括乙二醇、丙二醇、乙醇、去离子水中的一种或多种的组合；
所述导电填料包括改性石墨烯和导电碳粉、碳纳米管、石墨粉中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求2～4任一所述的加热膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1、制备水性自限温发热油墨，包括以下步骤：
步骤S11、制备有机PTC功能材料：将聚乙二醇、溶剂、导电填料、助剂按配比加入到研磨分散一体机中搅拌均匀后用三轴辊压机研磨至细度10μm以下；
步骤S12、混料：按配比将水性树脂、溶剂搅拌至树脂溶解后加入上述有机功能材料，加入水性消泡剂，继续搅拌均匀后加入适量的pH调节剂调节pH值至8-9；
步骤S13、调节粘度：向上述混料中加入适量的增稠剂调整粘度至20000cps；
步骤S2、印刷：将水性自限温发热油墨以电晕处理过的PET为基材，通过丝网印刷机印刷在基材上，印刷厚度为12μm；
步骤S3、复合面层：在印刷后的基材两侧分别印刷导电银浆，再将铜箔条通过带胶聚酯薄膜复合成加热膜；
步骤S4、将正、负极接线铆接在加热膜的两侧铜箔上。
6.根据权利要求1所述的动力电池自限温石墨烯加热膜组件，其特征在于：所述油性自限温发热油墨包括以下组分：
10-40wt％的骨架连接料、5-20wt％的有机相变材料、1-20wt％的石墨烯复合导电填料、1-10wt％的助剂和余量溶剂。
7.根据权利要求6所述的动力电池自限温石墨烯加热膜组件，其特征在于：所述骨架连接料采用丙烯酸树脂、酚醛改性萜烯树脂、聚氨酯、聚酯中的一种或者多种的组合；
所述有机相变材料采用熔点为20℃-40℃的乙烯-醋酸乙烯共聚物、相变蜡、月桂酸、硬脂酸、聚乙二醇中的一种或多种的组合；
所述导电填料采用石墨烯和石墨粉、导电碳粉、碳纳米管中的一种或多种的组合。
8.根据权利要求6所述的动力电池自限温石墨烯加热膜组件，其特征在于：所述助剂包括分散剂、消泡剂和流平剂；
所述溶剂采用酮类、醚类、酯类、醇类、碳氢化合物中的一种或多种的组合。
9.根据权利要求6～8任一所述的加热膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1、制备油性自限温发热油墨，包括以下步骤：
步骤S11、混料：将所述溶剂加入到研磨分散一体机料筒中，加入分散剂、流平剂，然后加入骨架连接料、有机相变材料，以1000-1500r/min的转速快速搅拌，利用摩擦产生的热量和溶剂的溶解作用使材料溶解并搅拌均匀，然后加入导电填料，先以100-500r/min的转速搅拌均匀，然后以1000-1500r/min的转速快速搅拌剪切；
步骤S12、研磨：将步骤S1中的混合料转移至三轴辊压机反复研磨，研磨过程中用刮板细度仪测试细度，直至细度≤5μm停止研磨；；
步骤S13、调整粘度：向研磨后的混合料中加入适量溶剂，调整粘度至20000cps，并加入适量消泡剂得到发热油墨；
步骤S2、印刷：将油性自限温发热油墨以电晕处理过的PET为基材，通过丝网印刷机印刷在基材上，印刷厚度为12μm；
步骤S3、复合面层：在印刷后的基材两侧分别印刷导电银浆，再将铜箔条通过带胶聚酯薄膜复合成加热膜；
步骤S4、将正、负极接线铆接在加热膜的两侧铜箔上。
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