CN112736343B - 通过导热相变复合材料散热的电源及其制备方法 - Google Patents

通过导热相变复合材料散热的电源及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通过导热相变复合材料散热的电源及其制备方法，电源包括外壳、设置在所述外壳内的电池包、填充在所述外壳和电池包之间的导热相变复合材料；所述导热相变复合材料包括原料及其质量份数如下：石蜡10份～20份、固‑固相变储热材料30份～55份、导热剂20份～58份、偶联剂2份～5份。本发明的通过导热相变复合材料散热的电源，将具备导热性能和优良的储热性能的导热相变复合材料填充于外壳和电池包之间，实现将电源内部热量导热到外壳进行散热，亦实现通过材料相变吸收一部分热量，同时由于材料充分填充到电池包等内部各间隙之间，充分润湿界面，保证了电池包各部分温度均匀一致。

Description

通过导热相变复合材料散热的电源及其制备方法
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种通过导热相变复合材料散热的电源及其制备方法。
背景技术
锂电池因为能量密度高，使用寿命长而广泛被应用到各种领域。但是，锂电池由于正极活性物质化学性质非常活泼容易导致燃烧爆炸，对于一些高倍率放电的锂电池，解决散热问题是关键，锂电池的散热不好将会导致电池寿命降低，严重情况下会导致电池内部电解液分解，出现电池鼓包，燃烧爆炸等风险。
传统的锂电池散热方式主要有通过热传导，再通过对流散热或风冷、液冷等。其中，通过热传导到外壳，再通过对流散热的方式，散热能力受外壳材质的传热系数，内部电池包与外壳的热传导通道等因素的影响，散热能力差，电池包内外温度梯度大，不适合用于高倍率高容量的锂电池散热。风冷散热需要额外增加散热风扇，不仅会增加制造成本而且成品电池的体积能量密度会降低。液冷散热主要是将冷却液置于相应的管道内，管道分布于电池内部，散热效果好，但是制造成本高，而且成品电池的体积能量密度低，同时会面临管道破损，冷却液泄露等风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述的现有技术缺陷，提供一种通过导热相变复合材料散热的电源及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种通过导热相变复合材料散热的电源，包括外壳、设置在所述外壳内的电池包、填充在所述外壳和电池包之间的导热相变复合材料；
所述导热相变复合材料包括原料及其质量份数如下：石蜡10份～20份、固-固相变储热材料30份～55份、导热剂20份～58份、偶联剂2份～5份。
优选地，所述固-固相变储热材料为具有层状钙钛矿结构的有机金属化合物。
优选地，所述具有层状钙钛矿结构的有机金属化合物包括C10Mn、C12Mn、C10Co和C12Co中的一种或多种，其相变温度为327K～337K。
优选地，所述导热剂包括氧化铝、氧化锌和氮化硼中的一种或多种；
所述偶联剂包括钛酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂和硅烷偶联剂中一种或多种。
优选地，所述导热剂和固-固相变储热材料的粒径均为纳米级。
本发明还提供一种通过导热相变复合材料散热的电源的制备方法，包括以下步骤：
S1、预制电池包、外壳和导热相变复合材料；
S2、将所述电池包装入所述外壳内；
S3、将所述导热相变复合材料注入所述外壳内，使其填充在所述外壳和电池包之间；
S4、所述导热相变复合材料凝固后，密封所述外壳。
优选地，步骤S1中，所述导热相变复合材料的制备方法如下：
将固-固相变储热材料和导热剂置于球磨机中球磨5h-8h，混合均匀；
将石蜡加热熔融后，加入偶联剂混合均匀；
将混合的固-固相变储热材料和导热剂加入熔融后的石蜡中，搅拌均匀，形成混合浆料；
将所述混合浆料在60-80℃下分散30-60min，得到导热相变复合材料。
优选地，步骤S2中，在所述电池包装入所述外壳后，置于0.1Mpa-0.15Mpa的负压环境中，将所述外壳和电池包加热至60℃-70℃。
优选地，步骤S3中，所述导热相变复合材料注入前，先将其加热至60℃-70℃。
优选地，步骤S1中，所述外壳包括相对配合的底壳和盖体；
步骤S2中，将所述电池包装入所述底壳内；
步骤S3中，往所述底壳和电池包之间注入所述导热相变复合材料；
步骤S4中，所述导热相变复合材料凝固后，将所述盖体盖合密封在所述底壳上。
本发明的有益效果：将具备导热性能和优良的储热性能的导热相变复合材料填充于外壳和电池包之间，实现将电源内部热量导热到外壳进行散热，亦实现通过材料相变吸收一部分热量，同时由于材料充分填充到电池包等内部各间隙之间，充分润湿界面，保证了电池包各部分温度均匀一致。同时，导热相变复合材料填充可以起到一定的防水防潮效果，不会降低电源的体积能量密度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的通过导热相变复合材料散热的电源的剖面结构示意图；
图2是本发明中实施例1和比较例1的电源的散热效果对比图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明的通过导热相变复合材料散热的电源，包括外壳10、设置在外壳10内的电池包20、填充在外壳10和电池包20之间的导热相变复合材料30。导热相变复合材料30在外壳10内作为热传导通道，将电池包20的热量传导至外壳10，再从外壳10向外部散出。
外壳10优选由钣金或铝合金制成，保证外壳10良好的导热性以耐油性。为方便电源的制备装配，外壳10包括相对配合的底壳11和盖体12。底壳11和盖体12的配合处之采用密封圈外加螺丝压合密封或通过密封胶粘接密封，避免导热相变复合材料30熔化之后泄漏。
电源还包括安装在外壳10上的至少一个呼吸阀50，保证电源内部与外部气压一致，同时起到对流散热的作用。作为选择，呼吸阀50设置在外壳10的盖体12上。
导热相变复合材料30包括原料及其质量份数如下：石蜡10份～20份、固-固相变储热材料30份～55份、导热剂20份～58份、偶联剂2份～5份。
其中，石蜡作为导热相变复合材料的基体，还作为固-液相变材料，其熔点为44℃-65℃。
固-固相变储热材料为具有层状钙钛矿结构的有机金属化合物。进一步地，具有层状钙钛矿结构的有机金属化合物包括C10Mn、C12Mn、C10Co和C12Co中的一种或多种，其相变温度为327K～337K，粒径均为纳米级。
导热剂包括氧化铝、氧化锌和氮化硼中的一种或多种，粒径均为纳米级。偶联剂包括钛酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂和硅烷偶联剂中一种或多种。
本发明的电池还包括设置在外壳10内的控制电路板(BMS)40。该控制电路板40可以位于电池包20的一侧。
参考图1，本发明的通过导热相变复合材料散热的电源的制备方法，可包括以下步骤：
S1、预制电池包20、外壳10和导热相变复合材料30。
外壳10可包括相对配合的底壳11和盖体12，底壳11具有容置腔以放置电池包20。盖体12通过密封配合在底壳11上，可与底壳11形成密闭的外壳10。呼吸阀50安装在盖体12上。
导热相变复合材料30的制备方法如下：将固-固相变储热材料和导热剂置于球磨机中球磨5h-8h，混合均匀；将石蜡加热熔融后，加入偶联剂混合均匀；将混合的固-固相变储热材料和导热剂加热熔融后的石蜡中，搅拌均匀，形成混合浆料；将混合浆料在60-80℃下分散30-60min，得到导热相变复合材料。
S2、将电池包20装入外壳10内。
具体地，将电池包20装入外壳10的底壳11内。另外，还将控制电路板40放置在电池包20上。
步骤S2中，在电池包20装入外壳11后，将其置于真空腔室内，对真空腔室进行抽真空，使真空腔室维持负压0.1Mpa-0.15Mpa；将外壳10和电池包20加热至60℃-70℃。
S3、将导热相变复合材料30注入外壳20内，使其填充在外壳10和电池包20之间。
由于底壳11及其内的电池包20置于负压的真空腔室中，有助于流动性较差的导热相变复合材料30流入底壳11内。在导热相变复合材料30注入前，先将其加热至60℃-70℃，使其在该温度下注入底壳11内。
S4、导热相变复合材料30凝固后，密封外壳10。
具体地，在导热相变复合材料30经冷却凝固后，将盖体12盖合密封在底壳11上，形成整体的外壳10，并将电池包20和导热相变复合材料30密封在外壳10内。
下面以具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
以熔点44.4℃的石蜡为基体，以粒径30～50nm的球形氧化铝为导热剂，以粒径10～100nm的C12Mn为固-固相变储热材料，相变温度为327K；以C60H123O24P6Zr.3H为偶联剂；其中，石蜡基体20％，球形氧化铝45％，C12Mn 32％，C60H123O24P6Zr.3H 3％。将球形氧化铝与C12Mn放入球磨机中球磨8h，将石蜡加热至70℃，并加入偶联剂C60H123O24P6Zr.3H搅拌30min，将球形氧化铝与C12Mn混合粉体分批加入到熔融的石蜡中，搅拌2h初步得到导热相变复合材料；80℃条件下，将导热相变复合材料超声分散60min。
将51.1V63Ah的电池包安装固定到钣金底壳中，加热至60℃，抽真空保持-0.15Mpa；将制备好的导热相变复合材料注入到底壳内，60℃保温保压30min，待注射完成后取出，冷却并安装盖体，底壳与盖体之间通过硅胶密封处理，制得电源。
比较例1
将51.1V63Ah的电池包安装固定到钣金底壳中，安装盖体，底壳与盖体之间通过硅胶密封处理，制得电源。
实施例1和比较例1制得的电源的散热效果测试：在满电状态下，对电源进行300A电流放电至电量为零，测试对比电池包温升情况，两者温度变化如图2所示。
从图2可以看出，采用导热相变复合材料进行散热的电源，进行5C倍率放电时最终温度比未进行散热处理的电源降低了9℃左右，表明通过导热相变复合材料填充后的电源散热功能得到了提升。
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 (8)

1.一种通过导热相变复合材料散热的电源，其特征在于，包括外壳、设置在所述外壳内的电池包、填充在所述外壳和电池包之间的导热相变复合材料；
所述导热相变复合材料包括原料及其质量份数如下：石蜡10份～20份、固-固相变储热材料30份～55份、导热剂20份～58份、偶联剂2份～5份；
所述固-固相变储热材料为具有层状钙钛矿结构的有机金属化合物；所述具有层状钙钛矿结构的有机金属化合物包括C10Mn、C12Mn、C10Co和C12Co中的一种或多种，其相变温度为327K～337K。
2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述导热剂包括氧化铝、氧化锌和氮化硼中的一种或多种；
所述偶联剂包括钛酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂和硅烷偶联剂中一种或多种。
3.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述导热剂和固-固相变储热材料的粒径均为纳米级。
4.一种权利要求1-3任一项所述的电源的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、预制电池包、外壳和导热相变复合材料；
S2、将所述电池包装入所述外壳内；
S3、将所述导热相变复合材料注入所述外壳内，使其填充在所述外壳和电池包之间；
S4、所述导热相变复合材料凝固后，密封所述外壳。
5.根据权利要求4所述的电源的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述导热相变复合材料的制备方法如下：
将固-固相变储热材料和导热剂置于球磨机中球磨5h-8h，混合均匀；
将石蜡加热熔融后，加入偶联剂混合均匀；
将混合的固-固相变储热材料和导热剂加入熔融后的石蜡中，搅拌均匀，形成混合浆料；
将所述混合浆料在60-80℃下分散30-60min，得到导热相变复合材料。
6.根据权利要求4所述的电源的制备方法，其特征在于，步骤S2中，在所述电池包装入所述外壳后，置于0.1 Mpa-0.15Mpa的负压环境中，将所述外壳和电池包加热至60℃-70℃。
7.根据权利要求4所述的电源的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述导热相变复合材料注入前，先将其加热至60℃-70℃。
8.根据权利要求4-7任一项所述的电源的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述外壳包括相对配合的底壳和盖体；
步骤S2中，将所述电池包装入所述底壳内；
步骤S3中，往所述底壳和电池包之间注入所述导热相变复合材料；
步骤S4中，所述导热相变复合材料凝固后，将所述盖体盖合密封在所述底壳上。
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