CN113789157A - 喷涂式相变材料在电池中的应用、电池 - Google Patents

Abstract

本申请属于电池散热技术领域，尤其涉及喷涂式相变材料在电池中的应用、电池。本申请公开了喷涂式相变材料在电池中的应用，所述喷涂式相变材料喷涂至电池的表面；所述喷涂式相变材料包括相变微胶囊、乙烯基硅油、挥发性硅油、含氢硅油和助剂；所述相变微胶囊包括芯材、壳材和成膜剂；所述芯材的相变温度为20～170℃；所述壳材选自碳酸钙、石墨烯、硅酸盐、二氧化钛、二氧化硅、黏土、硫化物、铝和铜中的一种或多种。申请公开了喷涂式相变材料在电池中的应用、电池，能有效解决现有电池的微胶囊涂层存在的涂抹位置局限，涂抹的厚度不可控的技术问题。

Description

喷涂式相变材料在电池中的应用、电池

技术领域

本申请属于电池散热技术领域，尤其涉及喷涂式相变材料在电池中的应用、电池。

背景技术

随着社会经济，科技的快速发展，人们逐渐意识到能源短缺危机以及环境污染问题的严重性，特别是温室气体的大量排放导致的全球变暖问题。

其中，汽车作为人类日常的交通工具，传统燃油汽车不仅仅是消耗化石能源的重要组成成分，也是温室气体排放的主要来源之一。新能源汽车的是减少化石能源消耗以及缓解环境污染的有效途径，而动力电池作为纯电动汽车的核心，其热安全问题制约着纯电动汽车的发展。这是因为动力电池在长时间的使用中，如果电池的温度不能及时传递，就会在电池内部积累，并加快电池内部的化学反应，产生更多的热量，形成恶性循环，影响电池的使用寿命，甚至发生爆炸，众多的电动汽车安全事故发生也是因为动力电池的热滥用导致的。

电池热管理系统，是能够保证电池正常工作温度，有效提高电池使用寿命的方法，是纯电动汽车的重要组成部分。目前，常用的动力电池热管理系统有空冷、液冷以及相变材料冷却，其中，空冷系统简单，但是冷却效果不佳；液冷冷却效果较好，但是存在漏液问题；相变材料应用于电池热管理时主要通过液冷和复合材料冷却两种方式。液冷法是采用微胶囊悬浮液搭配液冷管道的方法。相变微胶囊悬浮液作为一种液体储能介质，是一种由相变微胶囊和单相载流体组成的两相混合物，具有良好的流动性，在液冷管道中均匀分布和流动，进而作用于整个电池热管理液冷系统。

现有的微胶囊悬浮液和固-固相变材料用于电池热管理存在以下缺陷：

微胶囊悬浮液作为一种具有良好流动性的复合液体，因填充了大量微胶囊粉体，悬浮液粘度高、传输阻力大、对水泵要求高；其次该复合液体必须搭配液冷系统进行工作，增加了电池热管理系统的整体重量和复杂程度；此外，由于液冷管道和液体载体的存在，相变微胶囊不直接接触管理对象，导致传热效率不高，电池热管理相应滞后。将相变微胶囊应用于电池热管理主要是采用本技术将微胶囊相变材料混合至膜中，微胶囊自身的的核壳结构和壳体强度可以避免其在相变时泄露，所以可以直接接触电池并进行电池热管理，也解决了普通相变材料易泄露、污染使用环境的问题，缺点是粘度高、传输阻力大。

综上所述，微胶囊涂层和已有的相变材料膜存在以下缺陷：第一，涂层/膜的加工位置有局限，厚度不可控。涂层/膜是根据电池形貌加工装备的，对于复杂几何空间和微小之处无法实现完全覆盖。第二，在电池制造技术不断提升，产热量日益减少的情况下，电池热管理策略和重心从降温转变为均温，而涂层/膜因其工艺缺陷，导致涂抹装备过程厚度不可控、涂抹的相变材料的质量难以精确控制、涂抹范围不可以精确控制，所以很难提升电池的均温性。第三，传统相变材料膜仅仅为物理吸附、厚度大、形变能力差、长时间工作稳定性差。

发明内容

基于此，本申请公开了喷涂式相变材料在电池中的应用、电池，能有效解决现有电池的微胶囊涂层存在的涂抹位置局限，涂抹的厚度不可控的技术问题。

本申请第一方面公开了喷涂式相变材料在电池中的应用，所述喷涂式相变材料喷涂至电池的表面；

所述喷涂式相变材料包括相变微胶囊、乙烯基硅油、挥发性硅油、含氢硅油和助剂；

所述相变微胶囊包括芯材、壳材和成膜剂；

所述芯材的相变温度为20～170℃；

所述壳材选自碳酸钙、石墨烯、硅酸盐、二氧化钛、二氧化硅、黏土、硫化物、铝和铜中的一种或多种。

具体的，所述壳材还可为类似碳酸钙、石墨烯、硅酸盐、二氧化钛、二氧化硅、黏土、硫化物、铝、铜等的无机高分子材料、天然高分子材料、半合成高分子材料或合成高分子材料。

另一实施例中，所述芯材选自石蜡、有机硅蜡、醇类相变材料、酯类相变材料和无机物相变材料中的一种或多种。

具体的，所述芯材选自石蜡。

另一实施例中，所述相变微胶囊的制备方法包括：将芯材、壳材、成膜剂和有机溶剂混合，加热搅拌，冷却成囊析出，制得相变微胶囊。

另一实施例中，所述有机溶剂选自乙醇、甲醇、甲苯、氯苯、苯和二氯甲烷中的一种或多种。

具体的，所述有机溶剂选自无水乙醇。

另一实施例中，所述成膜剂选自水性聚氨酯、醇溶聚氨、聚氨酯成膜剂、羟丙基甲基纤维素、硅胶、有机硅丙烯酸酯、MQ硅树脂、硅树脂MQ/Tpropyl共混树脂、硅树脂胶、Tpropyl共混树脂、蛋白成膜剂、丙烯酸树脂成膜剂、丁二烯树脂成膜剂和硝酸纤维成膜剂中的一种或多种。

具体的，所述成膜剂选自MQ硅树脂。

具体的，本申请发现MQ硅树脂作用于相变微胶囊后，使得本申请的相变微胶囊可喷涂于电池的表面。MQ硅树脂的摩尔质量为1000-8000g/mol，具有从粘性流体到固体粉末的状态，硬而脆，具有优异的热氧化稳定性。250℃加热24小时后，硅树脂失重为2～8％。优异电绝缘性能，体积电阻率为1013～1015欧姆/厘米，介电常数为3，介电损耗角正切值在10-30左右。此外，MQ硅树脂还具有卓越的耐潮、防水、防锈、耐寒、耐臭氧性能。

另一实施例中，所述芯材和所述壳材的重量之和与所述成膜剂的重量比为(1～10)：(2～15)。

具体的，所述相变微胶囊的制备方法包括：将10g的石蜡、5g的MQ硅树脂和300mL无水乙醇置于容器中，在超声机中加热搅拌，搅拌速度控制在500-1000r/min，加热温度控制在60℃以上，搅拌0.5-2h。容器装有冷凝回流装置。后关闭加热，自然冷却至室温。再缓慢滴加H₂O至无沉淀析出，最后用抽滤得到相变微胶囊。

另一实施例中，所述助剂包括催化剂和铂抑制剂。本申请采用催化剂和铂抑制剂为相变材料中常规使用的试剂。

具体的，硅油：闪点1.380～1.390；密度0.915g/cm³-0.930g/cm³；具有卓越的耐热性、电绝缘性、耐候性、疏水性、生理惰性和较小的表面张力，此外还具有低的粘温系数、较高的抗压缩性。

另一实施例中，所述喷涂式相变材料的制备方法包括：将相变微胶囊、乙烯基硅油、挥发性硅油、含氢硅油和助剂混合，得到喷涂式相变材料。

另一实施例中，所述相变微胶囊和硅油的重量比为(1～10)：(10～25)；所述硅油包含乙烯基硅油、挥发性硅油和含氢硅油。

具体的，将相变微胶囊和助剂混合分散至可喷涂状态，得到喷涂式相变材料，将所述喷涂式相变材料喷涂至电池的表面，带喷涂式相变材料的溶剂成分挥发后于电池表面形成柔性相变材料膜。

具体的，所述喷涂式相变材料的制备方法包括：将10g乙烯基硅油、0.2mg催化剂、1mg铂抑制剂充分混合后加入3.5g相变微胶囊，再加入30g挥发性硅油，搅拌均匀。最后加入3.34g含氢硅油，混合后得到喷涂式相变材料。

本申请第二方面提供了一种电池，包括电池本体和喷涂式相变材料；

所述的喷涂式相变材料喷涂在所述电池本体的外表面。

具体的，将喷涂式相变材料加入高压喷枪中，对电池需要喷涂的位置进行定点喷涂，可根据需要控制喷涂厚度。所述喷涂式相变材料从高压喷枪中喷出，会在电池表面迅速生成一层相变微胶囊薄膜。

本技术方案公开了喷涂式相变材料在电池中的应用，具备以下优点：

第一，本技术方案公开的喷涂式相变材料可对电池的局部进行喷涂，克服了现有热管理用相变复合材料都是先制备材料，再根据电池形貌加工装备的缺陷，解决了微胶囊涂层很难就电池任意部位装备，多因重力、电池表面几何形状复杂等原因难以实现局部热管理的问题。第二，因为电池发热时存在发热不均衡的情况，本申请的喷涂式相变材料可选择性喷涂(如高产热量的极耳处)，对低产热量处选择不喷涂，可以高效地提升电池均温性。第三，喷枪喷出的喷涂式相变材料，其相变微胶囊薄膜直接作用于电池表面，薄膜厚度可达微米级别，极大地减小了相变微胶囊响应时间和与喷涂对象的接触热阻，解决传统相变材料装配过程复杂，制备工艺要求高，接触效果差等问题；解决了传统微胶囊成膜涂层厚度大、反应时间久的问题。第四，本申请的喷涂式相变材料中喷涂后形成的相变微胶囊薄膜可达到微米级，这极大地减少了材料厚度和用量，满足装备空间轻量化和结构紧凑性的要求。

本申请公开了喷涂式相变材料在电池中的应用，所述喷涂式相变材料喷涂至电池的表面。本申请的喷涂式相变材料在溶剂成分挥发之后，可在电池表面的任意部位形成含相变微胶囊的薄膜，而且该相变微胶囊的薄膜紧密附着在电池表面，并且反复喷涂可实现材料厚度可控，即实现了定量精准的电池热管理。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本申请实施例提供的相变微胶囊的SEM图；

图2为本申请实施例提供的相变微胶囊的TEM图；

图3为本申请实施例提供的LiFePO₄单体锂离子电池的热电偶布置图。

具体实施方式

本申请提供了喷涂式相变材料在电池中的应用、电池，用于解决现有技术中微胶囊涂层存在的涂抹位置局限，涂抹的厚度不可控的的技术缺陷。

下面将对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。

其中，以下实施例所用原料或试剂均为市售或自制。

实施例1

本申请提供了一种喷涂式相变材料，具体制备方法包括：

①相变微胶囊的制备材料用量：

石蜡：10g；MQ硅树脂：5g；无水乙醇：300mL

②喷涂式相变材料的制备用量：

乙烯基硅油：10g

含氢硅油：3.34g

铂抑制剂：1mg

催化剂：0.2mg

挥发性硅油：30g

微胶囊粉体：3.5g

详细的制备步骤包括：

1、室温下(30℃)，将10g石蜡、5gMQ硅树脂和300mL无水乙醇置于容器中，在超声机中加热搅拌，搅拌速度控制在800r/min，加热温度控制在65℃，搅拌1h。容器装有冷凝回流装置。然后关闭加热，自然冷却至室温。再缓慢滴加H₂O至无沉淀析出，最后用抽滤得到相变微胶囊粉末。

对上述制得的相变微胶囊进行SEM和TEM检测，结果如图1和图2所示，图1和图2可知，上述制得的相变微胶囊为MQ硅树脂包覆石蜡相变微胶囊。

2、将10g乙烯基硅油、0.2mg催化剂、1mg铂抑制剂充分混合后加入3.5g上述制得的相变微胶囊粉末，再加入30g挥发性硅油，搅拌均匀。最后加入3.34g含氢硅油，得到喷涂式相变材料。

将制得的喷涂式相变材料加入高压喷枪中，按照图3的电池的热电偶布置图，对LiFePO₄单体锂离子电池的A～E的位置进行定点喷涂，可根据需要控制喷涂厚度。喷涂式相变材料从高压喷枪中喷出，会在电池表面迅速生成一层相变微胶囊薄膜。LiFePO₄单体锂离子电池的参数如表1所示。

将上述喷涂有喷涂式相变材料的LiFePO₄单体锂离子电池放置于已设定为30℃恒温箱中，先搁置30分钟，然后使用电池测试系统对单体锂离子动力电池进行不同倍率的放电，热电偶的温度数据采集到安捷伦中。

分别对单体电池在喷涂喷涂式相变材料的前后进行了3C(75Ah)、4C(100Ah)两个倍率的放电实验。3C放电倍率和4C放电倍率下的实验数据如表2～表3所示。

表1

表2

	3C(未热管理)/℃	3C(已喷涂)/℃
			测温点A	57.47	52.61
测温点B	57.69	52.98
			测温点C	59.08	55.31
测温点D	59.06	55.28
			测温点E	58.78	54.76

表3

综上所述，本申请公开了喷涂式相变材料在电池中的应用。电池出现温度不均匀的情况时，采用本申请的喷涂式相变材料可实现高温/低温局部喷涂；对于复杂几何空间的局部位置和微小之处皆可喷涂，实现了喷涂位置自由；而且，本申请的喷涂式相变材料中相变微胶囊喷涂成膜厚度可达微米级，且厚度可控。

针对以往的相变材料涂层/膜稳定性差的缺点，本申请的喷涂式相变材料喷涂后形成相变微胶囊薄膜，可更好地实现对电池的包裹，具有优异的弹性和形变能力，能够大幅度降低电池表面温度，减小因相变材料产生的重量，实现电池模组整体轻量化设计；喷涂形成柔性相变储能材料膜，提高电池均温性，简化制备流程。将微胶囊相变材料混合至膜中，可以直接接触电池并进行热管理，避免泄露。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.喷涂式相变材料在电池中的应用，所述喷涂式相变材料喷涂至电池的表面；

所述喷涂式相变材料包括相变微胶囊、乙烯基硅油、挥发性硅油、含氢硅油和助剂；

所述相变微胶囊包括芯材、壳材和成膜剂；

所述芯材的相变温度为20～170℃；

所述壳材选自碳酸钙、石墨烯、硅酸盐、二氧化钛、二氧化硅、黏土、硫化物、铝和铜中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述芯材选自石蜡、有机硅蜡、醇类相变材料、酯类相变材料和无机物相变材料中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述相变微胶囊的制备方法包括：将芯材、壳材、成膜剂和有机溶剂混合，加热搅拌，冷却成囊析出，制得相变微胶囊。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述有机溶剂选自乙醇、甲醇、甲苯、氯苯、苯和二氯甲烷中的一种或多种。

5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述成膜剂选自水性聚氨酯、醇溶聚氨、聚氨酯成膜剂、羟丙基甲基纤维素、硅胶、有机硅丙烯酸酯、MQ硅树脂、硅树脂MQ/Tpropyl共混树脂、硅树脂胶、Tpropyl共混树脂、蛋白成膜剂、丙烯酸树脂成膜剂、丁二烯树脂成膜剂和硝酸纤维成膜剂中的一种或多种。

6.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述芯材和所述壳材的重量之和与所述成膜剂的重量比为(1～10)：(2～15)。

7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述助剂包括催化剂和铂抑制剂。

8.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述喷涂式相变材料的制备方法包括：将相变微胶囊、乙烯基硅油、挥发性硅油、含氢硅油和助剂混合，得到喷涂式相变材料。

9.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述相变微胶囊和硅油的重量比为(1～10)：(10～25)；所述硅油包含乙烯基硅油、挥发性硅油和含氢硅油。

10.一种电池，其特征在于，包括电池本体和权利要求1～9任意一项所述的喷涂式相变材料；

所述的喷涂式相变材料喷涂在所述电池本体的外表面。

Images