CN113131038B - 一种电池系统及其装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电池技术领域，公开了一种电池系统及其装配方法。该电池系统，包括复合相变材料和电池；复合相变材料包括相变材料和烯烃嵌段共聚物；复合相变材料和电池之间采用过盈配合。本发明使用的复合相变材料包括相变材料，例如石蜡，和烯烃嵌段共聚物，其中，烯烃嵌段共聚物为支撑材料，可实现热致柔性，并防止液态相变材料泄漏。复合相变材料与电池之间采用过盈配合的方式进行组装，大大减少电池与复合相变材料之间的接触热阻，大大降低电池工作过程中的温度，不仅提高电池工作过程中的电性能，而且还显著改善电池的使用安全。

Description

一种电池系统及其装配方法
技术领域
本发明属于电池技术领域，特别涉及一种电池系统及其装配方法。
背景技术
锂离子电池因其在能量密度、工作电压等关键工作性能上具有的优势，被广泛应用于电化学储能系统，作为储能器件。电池的工作机制和性能都表现出对温度有较高的依赖性，将电池保持在合适的温度范围内可以保持最优的工作性能。电池在工作过程中会产生一定的热量，所以需要将热量合理排出避免热量堆积而影响电池电压、充放电效率、循环寿命以及电池的使用安全性。
基于相变材料的电池热管理系统可以有效控制电池的工作温度和电池间的温差，其中，相变材料的特性对电池热管理系统的影响很大。石蜡(PA)的导热系数约为0.2W·m-1·K-1，且当温度高于熔点时会变为液态，存在严重泄漏问题。此外，相变材料的刚性带来的电池安装和集成问题，会导致与电池接触界面的高热阻，热阻过高，使得电池工作温度过高，不仅影响电池的性能，还存在极大的安全隐患。特别地，对于圆柱形电池，其曲面特性难以和相变材料有效配合。现有的相关装配方式是先在块体相变材料上开设稍大于电池外径的孔，然后将电池插入孔中，但是这种方式下电池和CPCM(CPCM是一种复合相变材料，是由脂肪酸酯类和高级脂肪族醇类相变材料按质量比95:5共混制得)间未能紧密接触，不可避免的存在较大热阻。可在孔隙中填充导热胶，但是仍面临涂覆不均、空间和经济成本增加的问题。对于方形电池，在与相变材料配合时，为了使相变材料与电池之间得到压紧，常常用同一个压紧装置将数量较多的电池构成一个单元，然而方形电池的能量密度大，当其中某个电池发生热安全事故，通过热传递，会波及到其余大量的电池，危害性大大提高。
因此，亟需提供一种新的电池装配方法，使得装配后的电池与相变材料之间不存在高热阻，从而提高电池工作过程中的性能，也改善安全性能，也进一步改善相变材料的泄漏问题。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种电池系统及其装配方法，所述电池系统包括电池和复合相变材料，所述电池与复合相变材料之间无间隙，不存在接触界面的高热阻问题，进一步使得电池工作温度低，电池的性能和安全性大大改善，且该电池系统由于采用了特别的复合相变材料，也大大改善了相变材料的泄漏问题。
本发明的发明构思：本发明使用的复合相变材料包括相变材料(例如石蜡)和烯烃嵌段共聚物，其中，烯烃嵌段共聚物为支撑材料，可实现热致柔性，并防止液态相变材料泄漏。本发明使用的复合相变材料与电池之间采用过盈配合的方式进行组装，大大减少电池与复合相变材料之间的接触热阻，大大降低电池工作过程中的温度，不仅提高电池工作过程中的电性能，而且还显著改善电池的使用安全。
本发明的第一方面提供一种电池系统。
具体的，一种电池系统，包括复合相变材料和电池；所述复合相变材料包括相变材料和烯烃嵌段共聚物。
优选的，所述复合相变材料含有孔，且所述复合相变材料的孔与电池之间采用过盈配合。所述复合相变材料的孔和电池之间采用过盈配合，可大大减少电池与复合相变材料之间的接触热阻，大大降低电池工作过程中的温度，不仅提高电池工作过程中的电学性能，而且还显著改善电池的使用安全。
优选的，所述相变材料为石蜡。
优选的，所述电池为锂电池或锂离子电池。
所述电池可为任意形状，优选如圆柱形或方形。
优选的，所述复合相变材料中，所述石蜡的质量分数为50-89％；进一步优选的，所述复合相变材料中，所述石蜡的质量分数为60-80％。石蜡的相变温度区间适用于电池的最佳工作温度范围，复合材料在该温度区间的相变潜热随石蜡的用量减少几乎成线性下降，为保证复合材料的相变潜热，石蜡的质量分数不得低于50％。但如果石蜡的质量分数高于89％，则在多次的高温(例如超过60℃)与常温(25℃)之间进行循环(循环超过10次)，存在相变材料泄漏问题。石蜡的质量分数为50-89％，不仅可以保证复合相变材料有足够的相变潜热，满足电池的正常工作，而且，还能有效防止或减少在多次高温、低温循环可能引起的相变材料泄漏问题。石蜡的质量分数为60-80％，则可十分显著的防止或减少在多次高温、低温循环可能引起的相变材料泄漏问题。
优选的，所述烯烃嵌段共聚物在2.16kg/190℃下的熔融指数为1-12g/10min；进一步优选的，所述烯烃嵌段共聚物的熔融指数为4-8g/10min；更优选的，所述烯烃嵌段共聚物的熔融指数为5g/10min。
优选的，所述烯烃嵌段共聚物的相变焓为50-60J·g-1；进一步优选的，所述烯烃嵌段共聚物的相变焓为55-59J·g-1；更优选的，所述烯烃嵌段共聚物的相变焓为58.9J·g-1。
优选的，所述烯烃嵌段共聚物的融化温度为118-128℃；进一步优选的，所述烯烃嵌段共聚物的融化温度为123-125℃；更优选的，所述烯烃嵌段共聚物的融化温度为124.9℃。
进一步优选的，所述烯烃嵌段共聚物由具有低共聚单体含量和高熔融温度的可结晶乙烯-辛烯的链段(称为“硬段”)和高共聚单体含量和低玻璃化转变温度的无定形乙烯-辛烯的链段(称为“软段”)组成(该烯烃嵌段共聚物可由陶氏化学提供，产品型号为INFUSE9530)。这样的烯烃嵌段共聚物可使得石蜡存储在聚集成连续相的软段中，而硬段聚集成分散相。当石蜡处于相变温度以下时，石蜡为固相结晶状态，软段的分子链段被“冻结”。当石蜡温度高于熔点时，石蜡由固态转变为液态，软段的分子链段被“解冻”，从而可以自由运动。同时，液相石蜡的存在可以在链段的运动中起到润滑作用，使得储能模量迅速下降，材料获得复合相变材料。
优选的，所述复合相变材料中，所述烯烃嵌段共聚物的质量分数为5-50％；进一步优选的，所述烯烃嵌段共聚物的质量分数为10-45％。
优选的，所述复合相变材料还包括导热增强剂；进一步优选的，所述导热增强剂为石墨；更优选的，所述导热增强剂为膨胀石墨。导热增强剂有助于提高复合相变材料的储热与放热速率，并通过毛细作用力和表面张力提供支持作用，进一步提高电池系统的安全性和电性能。
优选的，所述导热增强剂在所述复合相变材料中的质量分数为0-10％；进一步优选的，所述导热增强剂在所述复合相变材料中的质量分数为2-8％。
本发明的另一方面提供上述电池系统的装配方法。
具体的，上述电池系统的装配方法，包括以下步骤：
将复合相变材料开孔，然后置于加热环境中，然后将电池插入复合相变材料的孔中，冷却，得到所述电池系统；所述电池的体积大于所述孔的体积。
优选的，所述加热环境的温度为47-64℃；进一步优选的，所述加热环境的温度为55-60℃。将复合相变材料置于加热环境中，目的是让复合相变材料软化，为后续插入电池做准备。
优选的，将电池插入复合相变材料的孔中的过程中，用外力对复合相变材料进行作用，使得复合相变材料的孔变大，从而能让电池顺利插入。
优选的，所述孔为通孔。
优选的，所述孔的形状可根据需要调整，例如当电池形状为圆柱状时，孔的形状也为圆柱状，当电池形状为长方体时，孔的形状也为长方体状。
将所述复合相变材料置于加热环境中，达到热平衡，触发复合相变材料获得柔性。此时，在外力作用下对复合相变材料进行“扩孔”，使电池可以顺利置入复合相变材料的孔中，最后在室温下冷却，冷却后，复合相变材料会定型，电池被复合相变材料紧密裹住，其间产生很大的联接强度，达到过盈配合，整个过程不需要用到导热界面材料。复合相变材料与电池之间采用过盈配合的方式进行组装，大大减少电池与复合相变材料之间的接触热阻，大大降低电池工作过程中的温度，不仅提高电池工作过程中的电学性能，而且还显著改善电池的使用安全。
优选的，所述复合相变材料的制备方法为：将相变材料和烯烃嵌段共聚物加热混合，得到混合物，然后将混合物置于模具中进行模压，冷却，脱膜，得到复合相变材料；
优选的，所述加热混合的温度为150-165℃；进一步优选的，所述加热混合的温度为158-160℃。
优选的，相变材料和烯烃嵌段共聚物加热混合后，还加入导热增强剂。
优选的，所述模压的压力为0.5-2kN/m2，模压的时间为5-20分钟；进一步优选的，所述模压的压力为0.8-1.2kN/m2，模压的时间为8-12分钟；更优选的，所述模压的压力为1kN/m2，模压的时间为10分钟。
优选的，冷却至室温(例如5-30℃)后，继续模压5-20分钟。
优选的，所制得的复合相变材料具有一定的形状，例如长方体形状、圆柱体形状、片状等等，根据要配合的电池形状，可以任意调整所制得的复合相变材料的形状。
本发明的第三方面提供上述电池系统的应用。
具体的，上述电池系统在储能领域中的应用。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)本发明使用的复合相变材料包括相变材料(例如石蜡)和烯烃嵌段共聚物，其中，烯烃嵌段共聚物为支撑材料，可实现热致柔性，并防止液态相变材料泄漏。
(2)所述复合相变材料中，所述石蜡的质量分数为50-89％，不仅可以保证复合相变材料有足够的相变潜热，满足电池的正常工作，而且，还能有效防止或减少在多次高温(例如超过60℃)、低温循环(循环超过10次)可能引起的相变材料的泄漏问题。
(3)本发明使用的复合相变材料含有孔，复合相变材料的孔与电池之间采用过盈配合的方式进行组装，大大减少电池与复合相变材料之间的接触热阻，大大降低电池工作过程中的温度，不仅提高电池工作过程中的电性能，而且还显著改善电池的使用安全。
附图说明
图1为实施例1的电池系统的装配流程示意图；
图2为实施例2的电池系统的装配流程示意图。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
以下所用烯烃嵌段共聚物可由陶氏化学提供，产品型号为INFUSE 9530。
实施例1：电池系统的装配
一种电池系统，包括复合相变材料和电池；复合相变材料，按质量分数计，包括石蜡76％、烯烃嵌段共聚物19％和膨胀石墨5％；复合相变材料和电池之间采用过盈配合；电池为圆柱形的电池，型号为18650的电池。
上述电池系统的装配方法，包括以下步骤：
(1)复合相变材料的制备：将石蜡和烯烃嵌段共聚物加热至160℃混合，然后逐渐加入膨胀石墨，搅拌30分钟，得到熔融态的混合物，然后将熔融态的混合物置于不锈钢模具(圆柱形)中进行模压，模压的压力为1kN/m2，模压的时间为10分钟，冷却至室温(例如20℃)，继续模压10分钟，然后脱膜，得到圆柱形的复合相变材料；
(2)装配：将步骤(1)制得的圆柱形的复合相变材料开通孔(电池的体积大于复合相变材料的通孔的体积，复合相变材料的通孔形状也为圆柱状)，然后置于60℃的环境中达到热平衡，在外力作用下对复合相变材料进行“扩孔”，然后将电池插入复合相变材料的通孔中，外力撤除后，由于复合相变材料具有类似形状记忆材料的形状恢复特性，在熵弹性作用下复合相变材料的通孔有向中心收缩的趋势，此时，复合相变材料对电池表面施加应力，极大减小复合相变材料与电池的接触热阻，再冷却至室温(例如20℃)，得到电池系统，电池被复合相变材料紧密裹住，其间产生很大的联接强度，达到过盈配合。
本实施例1步骤(1)制得的复合相变材料，当温度从30℃升高至60℃时，复合相变材料的储能模量有一个数量级的下降，从952.1MPa降低到63.9MPa，由刚性转为柔性(热致柔性)。由此可见，本发明制得的复合相变材料具有热致柔性的特点。
图1为实施例1的电池系统的装配流程示意图；图1中的100表示电池，200表示圆柱形的复合相变材料，300表示在60℃的环境中电池插入圆柱形的复合相变材料，300中的箭头表示复合相变材料“扩孔”的方向，400表示在60℃的环境中复合相变材料向中心收缩，400中的箭头表示复合相变材料的收缩方向，500表示室温下的电池系统。从图1可以看出，电池与复合相变材料的过盈配合组装过程。
实施例2：电池系统的装配
一种电池系统，包括复合相变材料和电池；复合相变材料，按质量分数计，包括石蜡88％、烯烃嵌段共聚物10％和膨胀石墨2％；复合相变材料和电池之间采用过盈配合；电池为方形的电池。
上述电池系统的装配方法，包括以下步骤：
(1)复合相变材料的制备：将石蜡和烯烃嵌段共聚物加热至158℃混合，然后逐渐加入膨胀石墨，搅拌30分钟，得到熔融态的混合物，然后将熔融态的混合物置于不锈钢模具(片状)中进行模压，模压的压力为1kN/m2，模压的时间为10分钟，冷却至室温(例如20℃)，继续模压10分钟，然后脱膜，得到片状的复合相变材料；改变不锈钢模具的形状，用与步骤(1)相同的方法制得块状的复合相变材料(或称为长方体形状的复合相变材料)；
(2)装配：将步骤(1)制得的片状的复合相变材料夹于方形电池之间(例如4块方形电池之间有3块片状的复合相变材料)，构成一个电池单元，然后在块状的复合相变材料中开通孔(一个电池单元的体积大于块状的复合相变材料的通孔的体积，复合相变材料的通孔形状与电池单元的形状相同)，然后置于60℃的环境中达到热平衡，在外力作用下对块状的复合相变材料进行“扩孔”，然后将电池单元插入复合相变材料的通孔中，外力撤除后，由于复合相变材料具有类似形状记忆材料的形状恢复特性，在熵弹性作用下块状的复合相变材料的通孔有向中心收缩的趋势，此时，块状的复合相变材料对电池表面施加应力，极大减小块状的复合相变材料与电池的接触热阻，再冷却至室温(例如20℃)，得到电池系统，电池被块状的复合相变材料紧密裹住，其间产生很大的联接强度，达到过盈配合。
图2为实施例2的电池系统的装配流程示意图；图2中的600表示片状的复合相变材料，700表示方形电池，800表示块状的复合相变材料，900表示在60℃的环境中电池单元插入块状的复合相变材料，110表示60℃的环境中电池单元插入块状的复合相变材料后的状态，120表示室温下的电池系统。从图2可以看出，电池与复合相变材料的过盈配合组装过程。
实施例3：电池系统的装配
与实施例2相比，实施例3的区别仅在于，将多个电池单元同时组装到一个块状的复合相变材料的多个通孔中，多个电池单元之间留有一定的空隙，空隙由复合相变材料填充，每个电池单元内的电池与复合相变材料也能得到压紧力，保持紧密贴合。
实施例4：电池系统的装配
与实施例1相比，实施例4的区别仅在于，一种电池系统，包括复合相变材料和电池；复合相变材料，按质量分数计，包括石蜡85.5％、烯烃嵌段共聚物9.5％和膨胀石墨5％；复合相变材料和电池之间采用过盈配合(即实施例4中仅仅改变石蜡和烯烃嵌段共聚物的含量)。
实施例5：电池系统的装配
与实施例1相比，实施例5的区别仅在于，复合相变材料中不含膨胀石墨。实施例1制得的复合相变材料的导热系数为2.34W·m-1·k-1，实施例1制得的复合相变材料的导热系数是实施例5的5.20倍。
实施例6：电池系统的装配
与实施例1相比，实施例6的区别仅在于，一种电池系统，包括复合相变材料和电池；复合相变材料，按质量分数计，包括石蜡66.5％、烯烃嵌段共聚物28.5％和膨胀石墨5％；复合相变材料和电池之间采用过盈配合(即实施例6中仅仅改变石蜡和烯烃嵌段共聚物的含量)。
对比例1
与实施例1相比，对比例1中不用复合相变材料与电池进行组装，即对比例1为电池，型号为18650的电池，未进行组装。
产品效果测试
1.电池工作性能的比较
取实施例1得到的电池系统和对比例1的电池进行1C、2C、3C、4C和5C倍率放电，测试不同倍率放电条件下电池的最高温度，结果如表1所示。
表1：电池工作性能的测试结果
1C 2C 3C 4C 5C
实施例1(℃) 29.4 34.4 40.0 41.8 43.4
对比例1(℃) 32.5 41.8 52.4 61.8 72.2
从表1可以看出，实施例1采用复合相变材料与电池进行过盈配合组装得到的电池系统在放电过程中，电池的最高温度明显低于对比例1中电池在放电过程中的最高温度。而且从表1还可以看出，即使在5C倍率下放电，实施例1得到的电池系统的电池最高温度也只有43.4℃，该温度下，石蜡不会熔融，因此也不会有漏液风险，即实施例1得到的电池系统的安全性高。
2.测试石蜡含量在高温极端环境下对电池系统的影响
将实施例1、实施例4和实施例6得到的电池系统在60℃和25℃下循环放置，每种温度下放置半小时，循环10次后，观测电池系统的复合相变材料的泄漏率[泄漏率＝(测试前复合相变材料的质量-测试结束后复合相变材料的质量)/测试前复合相变材料的质量*100％]。测试结果显示，实施例1得到的电池系统的泄漏率仅为0.2％，实施例4得到的电池系统的泄漏率为11％，实施例6得到的电池系统的泄漏率仅为0.1％。由此可见，复合相变材料中石蜡的含量对在极端高温与低温多次循环的条件下的电池系统的泄漏率具有一定影响。在5C倍率下放电，实施例1得到的电池系统的电池最高温度也只有43.4℃，该温度下，石蜡不会熔融，因此也不会有漏液或泄漏风险。即在正常情况下使用，本发明制得的电池系统是不会存在漏液或泄漏风险。
3.测试膨胀石墨的影响
取实施例1和实施例5得到的电池系统，进行1C、2C、3C、4C和5C倍率放电，测试不同倍率放电条件下电池的最高温度，结果如表2所示。
表2：电池工作性能的测试结果
1C 2C 3C 4C 5C
实施例1(℃) 29.4 34.4 40.0 41.8 43.4
实施例5(℃) 30.0 36.9 41.6 46.2 53.2
从表2可以看出，在复合相变材料中加入膨胀石墨，有助于进一步降低电池系统在工作过程中电池的最高温度，有助于进一步提高电池系统的安全性。

Claims (4)

1.一种电池系统，其特征在于，包括复合相变材料和电池；所述复合相变材料包括相变材料和烯烃嵌段共聚物；
所述相变材料为石蜡；
所述烯烃嵌段共聚物在2.16kg/190℃下的熔融指数为4-8g/10min；
所述烯烃嵌段共聚物的相变焓为50-60J·g-1；
所述石蜡的质量分数为66.5-89%；
所述烯烃嵌段共聚物的质量分数为10-28.5%；
所述烯烃嵌段共聚物由具有低共聚单体含量和高熔融温度的可结晶乙烯-辛烯的链段和高共聚单体含量和低玻璃化转变温度的无定形乙烯-辛烯的链段组成；
所述复合相变材料含有孔，且所述复合相变材料的孔与电池之间采用过盈配合；
所述的电池系统的装配方法，包括以下步骤：
将所述复合相变材料开孔，然后置于加热环境中，然后将电池插入复合相变材料的孔中，冷却，得到所述电池系统；所述电池的体积大于所述孔的体积；
所述复合相变材料的制备方法为：
将所述相变材料和烯烃嵌段共聚物加热混合，得到混合物，然后将混合物置于模具中进行模压，冷却，脱膜，得到所述复合相变材料；
所述复合相变材料还包括导热增强剂。
2.权利要求1所述的电池系统的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述复合相变材料开孔，然后置于加热环境中，然后将电池插入复合相变材料的孔中，冷却，得到所述电池系统；所述电池的体积大于所述孔的体积。
3.根据权利要求2所述的装配方法，其特征在于，所述加热环境的温度为47-64℃；将所述电池插入复合相变材料的孔中的过程中，用外力对复合相变材料进行作用，使得复合相变材料的孔变大；所述孔为通孔；所述孔的形状为圆柱状或长方体状。
4.权利要求1所述的电池系统在储能领域中的应用。
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