CN114069053A - 电池组中作为主动加热和被动冷却材料的石墨箔 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种温度调节系统，其包括各向异性材料，以用于在包括一个或多个电化学电芯的电池组中用作加热材料或元件(例如，主动加热器)和冷却材料或元件(例如，被动冷却)。温度调节系统包括一个或多个温度控制元件。每个温度控制元件被配置成与一个或多个电化学电芯处于热传递关系，以便加热和/或冷却电池组的所述一个或多个电化学电芯。每个温度控制元件包括两个或更多个结构元件和设置在所述两个或更多个结构元件之间的一个或多个各向异性元件。温度控制元件可设置在堆叠的电化学电芯之间，设置成围绕堆叠的电化学电芯，或者既设置在堆叠的电化学电芯之间又设置成围绕堆叠的电化学电芯。
Description
引言
本节提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
背景技术
本公开涉及各向异性材料或元件(诸如，例如呈箔形式的石墨)作为加热材料或元件(例如，主动加热器)和冷却材料或元件(例如，被动冷却)的使用，例如在包括一个或多个电化学电芯的电池组内的使用，以便在电池和/或电池组内产生可控的温度区域(例如等温线和其他期望的热模式和/或梯度)，这可防止和/或最小化例如锂镀覆、不均匀磨损和干燥以及过热，并改进宽范围温度性能。
诸如锂离子电池的电化学能量存储装置可以用于各种产品中，包括汽车产品，诸如启停系统(例如，12V启停系统)、电池辅助系统(“μBAS”)、混合动力电动车辆(“HEv”)和电动车辆(“EVs”)。典型的锂离子电池包括两个电极、隔膜和电解质。然而，在固态或半固态电池中，隔膜和固态电解质可以是单个组成部分。锂离子电池还可包括各种端子(例如，接片)和封装材料(例如，软包)。在电化学电芯中，诸如在锂离子电池中的电化学电芯中，两个电极中的一个用作正电极或阴极，并且另一个用作负电极或阳极。
可充电锂离子电池通过使锂离子可逆地在负电极和正电极之间来回传递来操作。例如，在电池充电期间，锂离子可从正电极移动到负电极，并且当电池放电时，锂离子可在相反方向上移动。隔膜和/或电解质可设置在负电极和正电极之间。电解质适合于在电极之间传导锂离子(或者在钠离子电池的情况下传导钠离子)，并且像两个电极一样，可以呈固体形式、液体形式或固液混合形式。在包括设置在固态电极之间的固态电解质的固态电池中，固态电解质将电极物理地分离，使得不需要不同的隔膜。
当在升高的温度下操作时，电化学电芯(包括电池)会经受容量损失、功率衰减、以及在某些情况下的热失控。另一方面，在过低的温度下操作可能导致电阻增加、镀覆增加和容量降低。保持期望的操作温度范围使电芯的效率和寿命最大化。然而，在某些情况下，例如由于电流流动路径，与电池的底部和/或侧部相比，常见的算法加热解决方案往往优先更快地加热电池端子周围和之间的区域。这种不均匀的热分布可能潜在地导致电芯底部和侧部在电芯变热时更易受锂镀覆，以及在电池内的不同位置处产生弱/强特性。又进一步地，在锂离子电池组的情况下，其中电池或电芯电连接(例如，并联或串联)，例如以堆叠的方式电连接，以便增加总输出，位于电池组内的内部位置处的电芯可能经历比位于外部位置处的电芯更高的热阻的情况。电池组内的这种温差可能导致不同电芯性能退化。因此，期望用于电化学电芯或电池以及包括一个或多个电连接的电池或电芯的电池组的机构和材料(例如，温度调节系统)。
发明内容
本节提供了对本公开的概述，并且不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
在各个方面，提供了一种用于电化学电芯的温度控制元件。该温度控制元件可包括两个或更多个结构元件和设置在所述两个或更多个结构元件之间的一个或多个各向异性元件。所述一个或多个各向异性元件可各自包括一种或多种各向异性材料，所述各向异性材料选自由以下材料组成的组：石墨、石墨烯、碳纳米管(CNT)、晶体材料、粘结粉末及其组合。温度控制元件可被配置成与电化学电芯处于热传递关系，以便加热和/或冷却电化学电芯。
在一个方面，温度控制元件可进一步包括与所述一个或多个各向异性元件电连通的一个或多个接片。所述一个或多个接片可各自包括铜、铝、镍、镀镍铜、不锈钢和铝合金中的一种或多种。
在一个方面，所述一个或多个接片可限定一个或多个接片层。例如，第一接片层可设置在所述一个或多个各向异性元件和所述两个或更多个结构元件的第一结构元件之间，并且第二接片层可设置在所述一个或多个各向异性元件和所述两个或更多个结构元件的第二结构元件之间。所述一个或多个接片层的每个接片层可包括设置在第一端子端部处的第一部分和设置在与第一端子端部分离的第二端子端部处的第二部分，使得可在所述一个或多个接片层的每个接片层的第一部分和第二部分之间的中心区域中限定间隙。
在一个方面，所述一个或多个各向异性元件和所述一个或多个接片可限定加热元件。
在一个方面，所述两个或更多个结构元件可各自包括云母、石棉、大理石、瓷器、玻璃、虫胶、树脂、橡胶、棉纱、纸、亚麻、人造丝和塑料中的一种或多种。
在一个方面，所述两个或更多个结构元件中的至少一个可进一步包括一种或多种粘合材料，该粘合材料可选自由以下材料组成的组：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)及其组合。
在一个方面，所述两个或更多个结构元件可以是第一结构元件，并且温度控制元件可进一步包括设置在相邻各向异性元件之间的一个或多个第二结构元件。
在一个方面，所述一个或多个各向异性元件可限定一个或多个箔。每个箔的厚度可大于或等于约1 μm至小于或等于约10,000 μm。
在一个方面，温度控制元件可进一步包括一种或多种绝缘材料，所述一个或多个箔可以各自具有多个折叠部，并且所述一种或多种绝缘材料可以设置在限定所述一个或多个各向异性元件的所述一个或多个箔的折叠部之间。
在一个方面，所述一个或多个各向异性元件包括包含一种或多种第一各向异性材料的第一组各向异性元件和包含一种或多种第二各向异性材料的第二组各向异性元件。第一和第二组各向异性元件中的每一者都可以被独立控制。
在一个方面，所述两个或更多个结构元件是一个或多个第一结构元件，并且温度控制元件还包括设置在第一组各向异性元件和第二组各向异性元件之间的一个或多个第二结构元件。
在各个方面，本公开提供了具有温度调节系统的示例电池组，该温度调节系统包括一个或多个温度控制元件。电池组包括以堆叠的方式布置并限定电池组的多个电化学电芯。所述一个或多个温度控制元件中的每个温度控制元件包括两个或更多个结构元件和设置在所述两个或更多个结构元件之间的一个或多个各向异性元件。所述一个或多个各向异性元件可各自包括一种或多种各向异性材料，所述各向异性材料选自由以下材料组成的组：石墨、石墨烯、碳纳米管(CNT)、晶体材料、粘结粉末及其组合。温度控制元件可以是以下中至少一种：(i)设置在堆叠的电化学电芯之间；(ii)设置成围绕堆叠的电化学电芯；或(iii)既设置在堆叠的电化学电芯之间又设置成围绕堆叠的电化学电芯。
在一个方面，每个温度控制元件可进一步包括与所述一个或多个各向异性元件电连通的一个或多个接片。所述一个或多个接片可各自包括铜、铝、镍、镀镍铜、不锈钢和铝合金中的一种或多种。
在一个方面，所述一个或多个各向异性元件和每个温度控制元件的所述一个或多个接片可限定加热元件。
在一个方面，每个温度控制元件的所述两个或更多个结构元件可包括云母、石棉、大理石、瓷器、玻璃、虫胶、树脂、橡胶、棉纱、纸、亚麻、人造丝和塑料中的一种或多种；并且所述一种或多种粘合材料可以选自由以下材料组成的组：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)及其组合。
在一个方面，每个温度控制元件的所述一个或多个各向异性元件可包括包含一个或多个第一各向异性元件的第一组各向异性元件和包含一个或多个第二各向异性元件的第二组各向异性元件。第一和第二组各向异性元件中的每一者都可被独立控制。
在一个方面，所述一个或多个温度控制元件中的每个温度控制元件可被独立控制。
在一个方面，所述一个或多个温度控制元件可限定一个或多个箔。所述一个或多个箔可各自具有多个折叠部。堆叠的各个电化学电芯可设置在所述一个或多个箔的折叠部之间，以便限定所述一个或多个温度控制元件。
在一个方面，所述一个或多个温度控制元件可限定不同的层，并且堆叠的各个电化学电芯可设置在不同的层之间。
在各个方面，提供了一种用于电化学电芯的温度控制元件。该温度控制元件包括两个或更多个涂覆的结构元件和设置在所述两个或更多个结构元件之间的一个或多个各向异性元件。每个结构元件可涂覆有一层或多层粘合剂层。所述一个或多个各向异性元件可包括包含一种或多种第一各向异性材料的第一组各向异性元件和包含一种或多种第二各向异性材料的第二组各向异性元件。所述一种或多种第一各向异性材料和所述一种或多种第二各向异性材料可各自选自由以下材料组成的组：石墨、石墨烯、碳纳米管(CNT)、晶体材料、粘结粉末及其组合。第一和第二组各向异性元件中的每一者都可被独立控制。温度控制元件可被配置成与电化学电芯处于热传递关系，以便加热和/或冷却电化学电芯。
从本文提供的描述中，进一步的应用领域将变得明显。本概述中的描述和具体示例仅旨在说明的目的，并且不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于所选实施例而非所有可能的实施方式的说明性目的，并且不旨在限制本公开的范围。
图1是用于循环锂离子的电化学电池电芯的示例的示意图；
图2是包括多个电池模块的示例电池组的示意性图示；
图3A是根据本公开的各个方面的示例温度控制元件的横截面示意性图示；
图3B是具有一个或多个支撑粘合剂涂层的示例结构层的横截面示意性图示；
图4是根据本公开的各个方面的另一示例温度控制元件的横截面示意性图示；
图5是根据本公开的各个方面的具有不同热区的另一示例温度控制元件的自顶向下的示意性图示；
图6是根据本公开的各个方面的包括多个电池电芯和温度控制元件的示例电池组的横截面示意性图示；
图7是根据本公开的各个方面的包括多个电池电芯和温度控制元件的另一示例电池组的横截面示意性图示；
图8A是常规电化学电芯在超过60分钟时间段的电芯温度(℃)曲线；以及
图8B是根据本公开的各个方面的包括温度控制元件的电化学电芯的电芯温度(℃)曲线。
贯穿附图的几个视图，对应的附图标记指示对应的部分。
具体实施方式
提供示例实施例，使得本公开将透彻，并将范围充分传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，诸如具体组合物、组成部分、装置和方法的示例，以提供对本公开实施例的透彻理解。对于本领域的技术人员来说将明显的是不需要采用具体的细节，示例实施例可以以许多不同的形式实施，并且任何一种都不应当被解释成限制本公开的范围。在一些示例实施例中，没有详细描述众所周知的过程、众所周知的装置结构和众所周知的技术。
本文使用的术语仅仅是为了描述特定的示例实施例的目的，而非旨在起限制作用。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也可旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指示。术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(including)”和“具有(having)”是包含性的，并且因此规定所陈述的特征、元件、组合物、步骤、整体、操作和/或组成部分的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组成部分和/或其组的存在或添加。尽管开放式术语“包括（comprising）”应当被理解为用于描述和要求保护本文阐述的各种实施例的非限制性术语，但是在某些方面，相反地，该术语可替代地被理解为更具限制性和约束性的术语，诸如“由……组成”或“基本上由……组成”。因此，对于列举组合物、材料、组成部分、元件、特征、整体、操作和/或过程步骤的任何给定实施例，本公开还具体包括由这样列举的组合物、材料、组成部分、元件、特征、整体、操作和/或过程步骤组成的或基本上由这样列举的组合物、材料、组成部分、元件、特征、整体、操作和/或过程步骤组成的实施例。在“由……组成”的情况下，替代实施例排除任何附加的组合物、材料、组成部分、元件、特征、整体、操作和/或过程步骤，而在“基本上由……组成”的情况下，实质上影响基本和新颖特性的任何附加的组合物、材料、组成部分、元件、特征、整体、操作和/或过程步骤被从这样的实施例排除，但实质上不影响基本和新颖特性的任何的组合物、材料、组成部分、元件、特征、整体、操作和/或过程步骤可以被包括在该实施例中。
本文描述的任何方法步骤、过程和操作不应当被解释为必须要求它们以所讨论或图示的特定顺序执行，除非被具体标识为执行的顺序。还应当理解，除非另有指示，否则可采用附加的或替代的步骤。
当组成部分、元件或层被称为“在另一个组成部分、元件或层上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一个组成部分、元件或层时，它可直接在另一个组成部分、元件或层上、直接接合到、直接连接到或直接联接到另一个组成部分、元件或层，或者可存在中间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一个元件或层时，可不存在中间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应当以类似的方式解释(例如，“之间”相对于“直接之间”、“相邻”相对于“直接相邻”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项目的任何和所有组合。
虽然术语第一、第二、第三等可在本文中用于描述各种步骤、元件、组成部分、区域、层和/或区段，但是除非另有指示，否则这些步骤、元件、组成部分、区域、层和/或区段不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个步骤、元件、组成部分、区域、层或区段与另一个步骤、元件、组成部分、区域、层或区段区分开来。术语(诸如“第一”、“第二”和其它数字术语)当在本文使用时并不暗示序列或顺序，除非上下文清楚地指示。因此，下面讨论的第一步骤、元件、组成部分、区域、层或区段可以被称为第二步骤、元件、组成部分、区域、层或区段，而不脱离示例实施例的教导。
空间或时间上相关的术语(诸如“之前”、“之后”、“内部”、“外部”、“之下”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等)可以在本文使用，以便于说明书描述一个元件或特征与另一个元件或特征的如图所示的关系。空间上或时间上相关的术语可旨在涵盖装置或系统在使用或操作时的除了附图中描绘的取向之外的不同取向。
贯穿本公开，数值表示范围的近似度量或极限，以涵盖与给定值的微小偏差，并且实施例具有大约所提及的值以及精确地具有所提及的值的那些值。除了在详细描述末尾处提供的工作示例中，本说明书(包括所附权利要求)中的参数(例如，量或条件)的所有数值应当被理解为在所有情况下都被术语“大约”修饰，无论“大约”是否实际出现在该数值之前。“大约”指示所陈述的数值允许一些轻微的不精确(在数值上接近精确；近似或合理地接近该值；几乎)。如果“大约”所提供的不精确性另外在本领域中没有被理解为具有这种普通的含义，那么本文所使用的“大约”至少指示由测量和使用这种参数的普通方法可能产生的变化。例如，“大约”可包括小于或等于5%、任选地小于或等于4%、任选地小于或等于3%、任选地小于或等于2%、任选地小于或等于1%、任选地小于或等于0.5%、以及在某些方面任选地小于或等于0.1%的变化。
另外，范围的公开包括所有值的公开和整个范围内进一步划分的范围，包括针对范围给定的端点和子范围。
现在将参考所附附图更全面地描述示例实施例。
可用于例如交通工具（诸如汽车、摩托车、船只、拖拉机、公共汽车、移动房屋、野营车、全地形车辆、雪上汽车、飞机和坦克）中的电化学电芯或电池可暴露于宽的操作温度，例如在大于或等于约-20℃至小于或等于约60℃的温度范围内。因此，当前技术提供了用于调节电化学电芯或电池以及包括一个或多个电连接(例如串联或并联)的电化学电芯或电池的电池组的操作温度的系统和方法。更特别地，如下文进一步详述的，当前技术涉及使用各向异性材料或元件(诸如，例如呈箔形式的石墨)作为加热材料或元件(例如，主动加热器)和冷却材料或元件(例如，被动冷却)，以便在电池和/或电池组内产生可控的温度区域(例如，等温线和其他期望的热模式和/或梯度)，这可防止例如锂镀覆，并改进在宽温度范围内的温度性能。
作为非限制性背景，图1中示出了循环离子的电化学电芯或电池20(也称为电池，其包括至少一个电化学电芯)的示例性示意性图示。除非另有特别指示，本文所用的术语“离子”是指锂离子或钠离子。例如，循环钠离子的电化学电芯具有与循环锂离子的电池20相似的组成部分，但是在对应的组成部分中用钠和钠离子代替锂和锂离子。
电池20包括负电极(即阳极)22、正电极(即阴极)24和设置在两个电极22、24之间的隔膜26(例如微孔聚合物隔膜)。电解质30贯穿隔膜26存在，并且任选地，存在于负电极22和正电极24中。负电极集流体32可定位在负电极22处或紧邻负电极22，并且正电极集流体34可定位在正电极24处或紧邻正电极24。虽然未示出，但是负电极集流体32和正电极集流体34可在一侧或两侧上被涂覆，如本领域中已知的。在某些方面，集流体32、34可在两侧上涂覆有电极活性材料/电极层。负电极集流体32和正电极集流体34分别收集自由电子并将自由电子移动到外部电路40和从外部电路40移动(如方框箭头所示)。例如，可中断的外部电路40和负载装置42可连接负电极22(通过负电极集流体32)和正电极24(通过正电极集流体34)。以这种方式，集流体32、34可限定与电池端子(未示出)电连通的接片(未示出)。
电池20可以通过可逆的电化学反应在放电期间产生电流，当外部电路40闭合(以连接负电极22和正电极24)并且负电极22比正电极24含有相对更大量的锂时，发生可逆的电化学反应。正电极24和负电极22之间的化学势差驱动负电极22处的反应(例如嵌入的锂的氧化)产生的电子朝向正电极24通过外部电路40。也在负电极22产生的锂离子同时通过包含在隔膜26中的电解质30朝向正电极24传递。电子流过外部电路40，并且锂离子迁移跨过包含电解质溶液30的隔膜26，以在正电极24处形成嵌入的锂。如上所述，电解质30通常还存在于负电极22和正电极24中。通过外部电路40的电流可以被利用并被引导通过负载装置42，直到负电极22中的锂被耗尽并且电池20的容量减小。
虽然负载装置42可以是任何数量的已知电动装置，但是作为非限制性示例，耗电负载装置的一些具体示例包括用于混合动力车辆或全电动车辆的电动马达、膝上型计算机、平板计算机、蜂窝电话和无绳动力工具或器具。负载装置42也可以是为锂离子电池20充电以实现存储能量的目的的发电设备。在某些其他变型中，电化学电芯可以是超级电容器，诸如基于锂离子的超级电容器。
通过将外部电源连接到锂离子电池20以逆转电池放电期间发生的电化学反应，电池20可以在任何时候被充电或再通电。将外部电源连接到电池20促进正电极24处的反应，例如嵌入的锂的非自发氧化，使得产生电子和锂离子。锂离子通过电解质30跨过隔膜26朝向负电极22流回，以向负电极22补充锂(例如，嵌入的锂)，以供在下一次电池放电事件期间使用。这样，完全放电事件之后的完全充电事件被认为是循环，其中锂离子在正电极24和负电极22之间循环。可用于给电池20充电的外部电源可根据电池20的尺寸、构造和特定最终用途而变化。一些显著和示例性外部电源包括但不限于通过壁式插座连接到AC电网的AC-DC转换器和机动车辆交流发电机。因此，锂离子电池20可以为负载装置42产生电流，负载装置42可以操作性地连接到外部电路40。
在许多锂离子电池配置中，负电极集流体32、负电极22、隔膜26、正电极24和正电极集流体34中的每一者都被制备为限定相应电芯的相对薄的层(例如，厚度从几微米到若干分之一毫米或更小)，然后这些层被组装成以电并联布置结构连接的层，以提供合适的电能和功率封装。此外，隔膜26通过夹在负电极22和正电极24之间而作为电绝缘体操作，以防止物理接触，并因此防止短路的发生。在电解质30是液体或半固体的情况下，隔膜26除了在两个电极22、24之间提供物理屏障之外还是多孔的，并因此在锂离子循环期间像海绵一样作用将电解质30包含在开孔网络中，以有利于电池20起作用。
电池20可以包括虽然这里没有描绘但是对于本领域技术人员来说是已知的各种其他组成部分。例如，电池20可包括外壳、垫圈、端子帽、接片、电池端子以及可位于电池20内(包括在负电极22、正电极24和/或隔膜26之间或周围)的任何其他常规组成部分或材料。如上所述，电池20的尺寸和形状可根据其设计所针对的特定应用而变化。例如，电池供电的车辆和手持式消费者电子装置是电池20最有可能被设计成不同尺寸、容量和功率输出规格的两个示例。
在各个方面，电池20还可例如以堆叠的方式通过串联或并联电连接与其它类似的锂离子电芯或电池连接，以在负载装置42需要时产生更大的电压输出、能量和功率。例如，多个电芯或电池20可堆叠以限定电池模块50，并且多个电池模块50可操作性地串联或并联连接以限定电池组100，如图2所示。如本领域技术人员将理解的，每个电池模块50可包括一个或多个电芯或电池20(如图1所示)，并且电池组100可包括两个或更多个电池模块50。例如，如图2所示，电池组100可包括两个或更多个电池模块50。在图2中，中央电池模块50以虚线示出，并且意在图示中央电池模块50是任选的或者可以是任何数量的其他电池模块50，诸如，仅作为示例，大于或等于1至小于或等于至小于或等于大约50个电池模块50。
电池组100包括由多个电池模块的第一个端子电池模块50的第一电芯壁54限定的第一侧表面70、由多个电池模块的最后一个端子电池模块50的第二电芯壁56限定的相对的第二侧表面72、以及由多个电池模块的每个电池模块50的第一和第二电芯边缘58、60限定的相对的第一和第二堆叠边缘74、76。第一和第二堆叠边缘74、76垂直于第一和第二侧表面70、72。电池组100还包括由多个电池模块中的每个电池模块50的第一和第二电芯端部62、64限定的相对的第一和第二堆叠端部78、80。每个电池模块50可包括从多个电池模块中的每个电池模块50的第一和第二电芯端部62、64中的至少一者大致向外延伸的接片66。在某些方面，每个电池模块50包括两个接片66，一个接片与至少一个阳极22相关，并且另一个接片66与至少一个阴极24相关。两个接片66可以位于所述多个电池模块中的每个电池模块50的相对的电芯端部62、64上。在其他情况下，两个接片都可以位于单个端部上，该单个端部是相应电池模块50的第一电芯端部62抑或第二电芯端部64。尽管每个电池20的接片66在图2中被示出为暴露的，但是应当理解，它们可以被连接，诸如作为非限制性示例用汇流条连接。
重新参考图1，正电极24、负电极22和隔膜26可各自在其孔内包括电解质溶液或系统30，从而能够在负电极22和正电极24之间传导锂离子。在锂离子电池20中可使用能够在负电极22和正电极24之间传导锂离子的任何适当的电解质30，无论电解质是呈固体、液体还是凝胶形式。在某些方面，电解质30可以是非水液体电解质溶液，其包括溶解在有机溶剂或有机溶剂混合物中的锂盐。锂离子电池20中可采用许多常规的非水液体电解质30溶液。
可溶解在有机溶剂中以形成非水液体电解质溶液的锂盐的非限制性列表包括六氟磷酸锂(LiPF6)、氟磺酰亚胺锂(LiN(FSO2)2) (LiFSI)、高氯酸锂(LiClO4)、四氯铝酸锂(LiAlCl4)、碘化锂(LiI)、溴化锂(LiBr)、硫氰酸锂(LiSCN)、四氟硼酸锂(LiBF4)、四苯基硼酸锂(LiB(C6H5)4)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、三氟甲烷磺酸锂(LiCF3SO3)、双(三氟甲烷磺酰亚胺)锂 (LiTFSI) (LiN(CF3SO2)2)、及其组合。
这些和其他类似的锂盐可溶解在各种有机溶剂中，包括但不限于各种烷基碳酸酯，诸如环状碳酸酯(例如，碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸丁烯酯(BC)、碳酸氟乙烯酯(FEC))、直链碳酸酯(例如，碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸乙基甲酯(EMC))、脂肪族羧酸酯(例如，甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯)、γ-内酯(例如，γ-丁内酯、γ-戊内酯)、链结构醚（例如，1,2-二甲氧基乙烷（DME）、1-2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷）、环醚（例如，四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧戊环（DOL））、硫化合物（例如，环丁砜）、及其组合。在各个方面，电解质可包括大于或等于约0.5 M至小于或等于约4.0 M的一种或多种锂盐。
隔膜26既作为电绝缘体又作为机械支撑件操作。在一个实施例中，微孔聚合物隔膜26包括聚烯烃。聚烯烃可以是均聚物(衍生自单一单体组分)或杂聚物(衍生自多于一种单体组分)，其可以是直链的抑或支链的。如果杂聚物衍生自两种单体组分，则聚烯烃可以呈现任何共聚物链布置结构，包括嵌段共聚物或无规共聚物。类似地，如果聚烯烃是衍生自多于两种单体组分的杂聚物，则它同样可以是嵌段共聚物或无规共聚物。在某些方面，聚烯烃可以是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、或PE和PP的共混物。
当隔膜26是微孔聚合物隔膜时，它可以是单层或多层层压件，其可以由干法抑或湿法过程制造。例如，在一个实施例中，单层聚烯烃可形成整个微孔聚合物隔膜26。在其他方面，隔膜26可以是具有在相对表面之间延伸的大量孔的纤维膜，并且可具有例如小于1毫米的厚度。作为另一个示例，相似或不相似的聚烯烃的多个离散层可被组装以形成微孔聚合物隔膜26。聚烯烃可以是均聚物(衍生自单一单体组分)或杂聚物(衍生自多于一种单体组分)，其可以是直链抑或支链的。如果杂聚物衍生自两种单体组分，聚烯烃可呈现任何共聚物链布置结构，包括嵌段共聚物或无规共聚物。类似地，如果聚烯烃是衍生自多于两种单体组分的杂聚物，则它同样可以是嵌段共聚物或无规共聚物。在某些方面，聚烯烃可以是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、PE和PP的混共混物、或PE和/或PP的多层结构的多孔薄膜。微孔聚合物隔膜26还可包括除聚烯烃之外的其它聚合物，诸如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、和/或聚酰胺。此外，多孔隔膜26可与陶瓷材料混合，或者其表面可以以陶瓷材料涂覆。例如，陶瓷涂层可包括氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)或其组合。
可商购的聚烯烃多孔膜包括CELGARD® 2500(单层聚丙烯隔膜)和CELGARD® 2320(三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯隔膜)，这两者均可从Celgard有限责任公司获得。聚烯烃层和任何其它任选的聚合物层可以进一步作为纤维层被包含在微孔聚合物隔膜26中，以帮助为微孔聚合物隔膜26提供适当的结构和孔隙率特性。考虑了用于形成隔膜26的各种常规可获得的聚合物和商业产品，以及可用于生产这种微孔聚合物隔膜26的许多制造方法。
在替代方面，多孔隔膜26和电解质30可用既用作电解质又用作隔膜的固态电解质（SSE）(未示出)代替，如本领域中已知的。SSE可设置在正电极24和负电极22之间。SSE有利于锂离子的传递，同时在负电极22和正电极24之间机械地分离并提供电绝缘。作为非限制性示例，SSE可包括LiTi2(PO4)3、LiGe2(PO4)3、 Li7La3Zr2O12、Li3xLa2/3-xTiO3、Li3PO4、Li3N、Li4GeS4、Li10GeP2S12、Li2S-P2S5、Li6PS5Cl、Li6PS5Br、Li6PS5I、Li3OCl、Li2.99 Ba0.005ClO、Li5La3M2O12(其中 M 是铌(Nb) 或钽(Ta))、 Li2O–La2O3–M2O(其中M是铌(Nb)或钽(Ta))、或者LISICON材料（如 Li2+2xZn1−xGeO4 或Li(3+x)GexV(1-x)O4，其中，x可以是0和1）及其任何组合，作为示例。在某些变型中，SSE可选自由以下材料组成的组：Li5La3M2O12，其中M是铌(Nb)或钽(Ta)；Li2O–La2O3–M2O5，其中M是铌(Nb)或钽(Ta)；LiAlTi(PO4)2；或LISICON材料，如Li2+ 2xZn1−xGeO4或Li(3+x)GexV(1-x)O4，其中x可以是0和1；以及它们的组合。
负电极22可由能够用作锂离子电池的负极端子的锂主体材料形成。负电极22因此可包括电极活性材料和任选的另一种导电材料以及一种或多种聚合物粘结剂材料，以将锂主体电活性材料颗粒在结构上保持在一起。
在某些变型中，负电极活性材料可包括锂，诸如，例如锂金属。在某些变型中，负电极22是由锂金属或锂合金形成的薄膜或层。也可以使用其它材料来形成负电极22，包括例如锂-硅和含硅的二元和三元合金和/或含锡的合金，诸如Si-Sn、SiSnFe、SiSnAl、SiFeCo、SnO2,等。在某些替代实施例中，考虑锂-钛阳极材料，诸如Li4+xTi5O12，其中0 ≤ x ≤ 3，包括钛酸锂(Li4Ti5O12)(LTO)。因此，用于负电极22的负电活性材料可以选自由以下材料组成的组：锂、石墨、硅、含硅合金、含锡合金及其组合。
这种负电极活性材料可任选地与提供电子传导路径的导电材料和/或改进负电极22的结构完整性的至少一种聚合物粘结剂材料混合。作为非限制性示例，负电极22可包括活性材料，该活性材料包括与聚合物粘结剂材料混合的电活性材料颗粒(例如，石墨颗粒)，作为示例，所述聚合物粘结剂材料选自由以下材料组成的组：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、三元乙丙(EPDM)橡胶、羧甲氧基纤维素(CMC)、丁腈橡胶(NBR)、聚丙烯酸锂(LiPPA)、聚丙烯酸钠(NaPPA)、海藻酸钠、海藻酸锂及其组合。附加的合适导电材料可包括碳基材料或导电聚合物。作为非限制性示例，碳基材料可包括KETCHENTM黑、DENKATM黑、乙炔黑、炭黑等的颗粒。导电金属颗粒可包括镍、金、银、铜、铝等。导电聚合物的示例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等。在某些方面，可使用导电材料的混合物。
负电极可包括以大于电极总重量的约60 wt.%存在的负电极活性材料，任选地大于或等于约65 wt.%，任选地大于或等于约70 wt.%，任选地大于或等于约75 wt.%，任选地大于或等于约80 wt.%，任选地大于或等于约85 wt.%，任选地大于或等于约90 wt.%、以及在某些变型中任选地大于或等于电极总重量的约95%。
粘结剂可以以电极总重量的大于或等于约1wt.%至小于或等于约20 wt.%、任选地大于或等于约1 wt.%至小于或等于约10 wt.%、任选地大于或等于约1 wt.%至小于或等于约8 wt.%、任选地大于或等于约1 wt.%至小于或等于约7 wt.%、任选地大于或等于约1wt.%至小于或等于约6 wt.%、任选地大于或等于约1 wt.%至小于或等于约5 wt.%、或任选地大于或等于约1 wt.%至小于或等于约3 wt.%存在于负电极22中。
在某些变型中，负电极22包括负电极总重量的小于或等于约20 wt.%、任选地小于或等于约15 wt.%、任选地小于或等于约10 wt.%、任选地小于或等于约5 wt.%、任选地小于或等于约1 wt.%、或任选地大于或等于约0.5 wt.%至小于或等于约8 wt.%下的导电材料。虽然导电材料可被描述为粉末，但是这些材料在结合到电极中之后会失去它们类似粉末的特性，其中补充导电材料的相关颗粒成为所得电极结构的组成部分。
负电极集流体32可由铜(Cu)或本领域技术人员已知的任何其他适当的导电材料形成。
正电极24可由锂基活性材料形成，所述锂基活性材料包括过渡金属，并且锂基材料可以充分地经历锂嵌入和脱嵌，或者合金化和脱合金化，同时用作电池20的正极端子。
在各个方面，正电极24可以是层状氧化物阴极、尖晶石阴极和聚阴离子阴极中的一种。例如，层状氧化物阴极(例如，岩盐层状氧化物)包括一种或多种锂基正电活性材料，其选自LiNixMnyCo1-x-yO2 (其中0 ≤ x ≤ 1且0 ≤ y ≤ 1)、LiNixMn1-xO2(其中0 ≤ x ≤1)、Li1+xMO2(其中M是Mn、Ni、Co和Al中的一种，且0 ≤ x ≤ 1)(例如LiCoO2 (LCO)、LiNiO2、LiMnO2、LiNi0.5Mn0.5O2、NMC111、NMC523、NMC622、NMC 721、NMC811、NCA)。尖晶石型阴极包括选自LiMn2O4 和LiNi0.5Mn1.5O4的一种或多种锂基正电活性材料。橄榄石型阴极包括一种或多种锂基正电活性材料，诸如LiV2(PO4)3、LiFePO4、LiCoPO4和LiMnPO4。铬钒钙铝榴石（Tavorite）型阴极包括例如LiVPO4F。硼酸盐型阴极包括例如LiFeBO3、LiCoBO3和LiMnBO3中的一种或多种。硅酸盐型阴极包括，例如，Li2FeSiO4、Li2MnSiO4和LiMnSiO4F。在又进一步的变型中，正电极24可包括一种或多种其他正电活性材料，诸如对苯二甲酸二锂(2,5-二锂氧基)和聚酰亚胺中的一种或多种。在各个方面，正电活性材料可以任选地被涂覆(例如被LiNbO3和/或Al2O3涂覆)和/或可以被掺杂(例如被镁（Mg）、铝（Al）和锰（Mn）中的一种或多种掺杂)。
正电极活性材料可以是粉末组合物。正电极活性材料可以与任选的导电材料(例如导电颗粒)和聚合物粘结剂混合。粘结剂既可将正电极电活性材料保持在一起，并且又可向正电极24提供离子导电性。聚合物粘结剂可包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氯乙烯(PVC)、聚(二氯-1,4-亚苯基)乙烯、羧甲氧基纤维素(CMC)、丁腈橡胶(NBR)、氟化聚氨酯、氟化环氧化物、氟化丙烯酸树脂、卤代烃聚合物的共聚物、环氧化物、乙烯丙烯二胺单体橡胶(EPDM)、六氟丙烯(HFP)、乙烯丙烯酸共聚物(EAA)、乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、EAA/EVA共聚物、PVDF/HFP共聚物、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯酸锂(LiPAA)、聚丙烯酸钠(NaPAA)、海藻酸钠、海藻酸锂或其组合。
导电材料可包括石墨、其他碳基材料、导电金属或导电聚合物颗粒。作为非限制性示例，碳基材料可包括KETCHENTM黑、DENKATM黑、乙炔黑、炭黑、碳纳米管等的颗粒。导电金属颗粒可包括镍、金、银、铜、铝等。导电聚合物的示例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等。在某些方面，可使用导电材料的混合物。
正电极可包括以电极总重量的大于约60wt.%存在的正电极活性材料，任选地大于或等于约65 wt.%、任选地大于或等于约70 wt.%、任选地大于或等于约75wt.%、任选地大于或等于约80 wt.%、任选地大于或等于约85wt.%、任选地大于或等于约90 wt.% 、以及在某些变型中任选地大于或等于电极总重量的约95%。
粘结剂可以以电极总重量的大于或等于约1wt.%至小于或等于约20 wt.%、任选地大于或等于约1 wt.%至小于或等于约15wt.%、任选地大于或等于约1 wt.%至小于或等于约10 wt.%、任选地大于或等于约1 wt.%至小于或等于约5 wt.%、或任选地大于或等于约1wt.%至小于或等于约3 wt.%%存在于正电极24中。
在某些变型中，正电极24包括处于正电极总重量的小于或等于约20 wt.%、任选地小于或等于约10 wt.%、任选地小于或等于约5 wt.%、任选地小于或等于约3 wt.%、任选大于或等于约1 wt.%至小于或等于约20 wt.%的导电材料，或者任选地正电极总重量的大于或等于约1 wt.%至小于或等于约10 wt.%的导电材料，或任选地正电极总重量的大于或等于约0.5wt.%至小于或等于约8 wt.%的导电材料。虽然导电材料可被描述为粉末，但是这些材料在结合到电极中之后会失去它们的类似粉末的特性，其中补充导电材料的相关颗粒成为所得电极结构的组成部分。
如上所讨论的，当前技术提供了用于调节电化学电芯或电池以及包括一个或多个电连接(例如串联或并联)的电化学电芯或电池的电池组的操作温度的系统和方法。图3A图示了能够主动加热和被动冷却的示例温度控制或调节元件300。温度控制元件300包括一个或多个第一元件或层或箔310A、310B，其包括设置在两个或更多个结构元件或层320A、320B之间的各向异性导热和/或导电材料。例如，如图所示，温度控制元件300包括设置(即，夹在)第一结构层320A和第二结构层320B之间的两个第一层310A、310B。在某些情况下，尽管未示出，但是温度控制元件300可以进一步包括附加层，诸如设置在下部第一层310A和上部第一层310B之间的第三结构层320C。
各向异性是指当在不同方向上测量时具有不同值的物理性质的材料。例如，石墨片材在x-y平面中的热导率可比在z-平面中的热导率高得多，这导致热量横向扩散，这与大多数金属不同，在大多数金属中，热量在所有方向上相等地扩散。因此，各向异性导热和/或导电材料可以是良好的热导体，并且当在一个方向上施加电场时，这种材料可以成为基于材料的定向放置而保持非电激活的加热器。各向异性导热和/或导电材料可包括石墨、石墨烯、碳纳米管(CNT)、晶体材料(诸如砷化硼)、一种或多种粘结粉末(粘结粉末是由于颗粒之间的吸引力而形成聚集体或附聚物的微粒，其往往随着颗粒尺寸的减小而增大，所述颗粒例如是平均颗粒尺寸低于100 μm的颗粒)和/或其它导电惰性碳。合适的粘结粉末的示例包括石墨薄片和/或金属粉末，它们被压缩在一起，以便用作一体的、不间断的热导体和/或电导体。
本领域技术人员将会理解，这种各向异性导热和/或导电材料可以用一种或多种已知技术（例如钝化）处理，以便例如防止腐蚀、热导率/电导率的变化等；涂覆有已知材料(诸如硅、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等和/或已知的氧化层(即，防护层))以便改进例如物理特性、机械强度等，并减少由于例如热循环导致的材料随时间的推移的击穿；和/或被允许以便增强例如各种期望的特性。此外，本领域技术人员将理解，这种各向异性导热和/或导电材料不常见地用于单独/区域控制的加热元件。
包括各向异性导热和/或导电材料的一个或多个第一层310A、310B可各自具有大于或等于约1 μm至小于或等于约10,000 μm的厚度。可选择包括各向异性导热和/或导电材料的所述一个或多个第一层310A、310B的厚度，以便提供例如期望的导热和/或导电率和/或机械强度，并且平衡优选的重量、尺寸和成本。在某些方面，所述一个或多个第一层310A、310B可具有与某些电芯板(未示出)相同的厚度，以便最小化对电池(未示出)厚度的影响。
本领域技术人员将理解，在各个方面，包括各向异性导热和/或导电材料的所述一个或多个第一层310A、310B还可包括一种或多种已知的添加剂，诸如填料和/或粘结剂。例如，所述一个或多个第一层310A、310B可包括一种或多种导热材料添加剂，其调节所述一个或多个第一层310A、310B的电阻，以便改进例如自加热的产生。这种导热材料添加剂还可改进所述一个或多个第一层310A、310B的可制造性。所述一种或多种导热材料添加剂可以是聚合物和/或与金属化合物组合作为复合物的聚合物，仅举例来说，如下表所提供的：
表1 示例导热材料添加剂。
这种聚合材料可与一种或多种金属化合物混合，诸如，仅举例来说，BeO (219 w(m‧K)-1)、MgO (36 w(m‧K)-1)、Al2O3 (30 w(m‧K)-1)、CaO (15 w(m‧K)-1)、 NiO (12 w(m‧K)-1)、AlN (320 w(m‧K)-1)、和/或SiN (270 w(m‧K)-1。
基于对特定装置的性能要求来选择结构层320A、320B。例如，如果温度控制元件300紧密地压靠在电池电芯上，例如，如图3A所示，则电池电芯和电池组的类型和应用(例如，汽车、军用、商用、低压、高压)、以及电池对例如电磁干扰(EMI)和噪声引入的敏感性、以及碰撞、挤压、变形、辐射等的可能性等将会指导对适当结构层320A、320B的选择。在各种情况下，结构层320A、320B可为温度控制元件300提供足够的机械强度、可弯曲性和电绝缘。结构层320A、320B可最小化或消除对所述一个或多个第一层310A、310B的可能的机械破坏或第一层310A、310B的可能的机械破坏。
结构层320A、320B可由包括云母、石棉、大理石、瓷器、玻璃、虫胶、树脂、橡胶、棉纱、纸、亚麻、人造丝和/或塑料的材料形成。在各个方面，结构层320A、320B可进一步包括同样具有足够的机械强度、可弯曲性和电绝缘的单面或双面粘合剂。单面或双面粘合剂可以被喷涂、流动、沉积等到结构层320A、320B的一个或多个暴露的表面上。例如，如图3B所示，一种或多种第一粘合剂可作为第一涂层322设置在第一结构层320A的第一表面324上；并且一种或多种第二粘合剂可作为第二涂层326设置在第一结构层320A的第二表面328上。单面或双面粘合剂可包括例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、和/或聚四氟乙烯(PTFE)。
温度控制元件300还包括一个或多个接片层330A、330B、330C，其与所述一个或多个第一层310A、310B既进行电(欧姆)连接又进行热连接。接片层330A、330B、330C包括相对高机械强度的导电材料，诸如铜、铝、镍、镀镍铜、不锈钢和/或铝合金。接片层330A、330B、330C可设置在一个或多个第一层310A、310B之间和/或所述一个或多个第一层310A、310B和所述一个或多个结构层320A、320B之间。值得注意的是，接片330A、330B、330C可以或可以不沿着第一层310A、310B的长度340同延，而是如图3A所示，可以仅设置在第一层310A、310B的端子端部302、304上，使得间隙342被限定在单个平面上的每个相应接片330A、330B、330C之间的中心区域中。例如，如图3A所示，第一接片层330A可设置在第一结构层320A和第一层310A之间；第二接片层330B可设置在第一层310A和第一层310B之间；第三接片层330C可设置在第一层310B和第二结构层320B之间。如上所讨论的，接片层330A、330B、330C可延伸一个或多个第一层310A、310B和/或所述一个或多个结构层320A、320B的长度，并且基本上与它们的表面同延。在某些其他情况下，如图3A所示，每个接片层330A、330B、330C可包括第一片或子部分332和第二片或子部分334。如图所示，每个接片层330A、330B、330C的第一片332可设置在温度控制元件330的第一侧302上，例如从其延伸，并且每个接片层330A、330B、330C的第二片334可设置在温度控制元件330的第二侧304上，例如从其延伸。
图4图示了能够主动加热和被动冷却电化学电芯的另一示例温度控制元件400。温度控制元件400包括设置在两个或更多个结构元件或层420A、420B之间的第一元件410。例如，如图所示，第一元件410可以设置在第一结构层420A和第二结构层420B之间。
结构层420A、420B为温度控制元件400提供足够的机械强度、可弯曲性和电绝缘。例如，结构层420A、420B可包括诸如云母、石棉、大理石、瓷器、玻璃、虫胶、树脂、橡胶、棉纱、纸、亚麻、人造丝和/或塑料的材料。在某些方面，如本领域技术人员所理解的，结构层420A、420B可进一步包括也具有足够的机械强度、可弯曲性和电绝缘的单面或双面粘合剂。单面或双面粘合剂包括例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和/或聚四氟乙烯(PTFE)。结构层420A、420B为温度控制元件400提供机械强度，并最小化或消除对第一元件410的可能的机械破坏或第一元件410的可能的机械破坏。
第一元件410由薄膜或箔412形成，该薄膜或箔412包括卷绕在一个或多个绝缘层414上的多个折叠部(例如，其中薄膜或箔412经历大约180°的方向变化)。换句话说，所述一个或多个绝缘层414设置在膜412的折叠部之间。膜412包括一种或多种各向异性导热和/或导电材料，并且可以具有大于或等于约1 μm至小于或等于约10,000 μm的厚度。各向异性导热和/或导电材料可包括石墨、石墨烯、碳纳米管(CNT)、晶体材料(诸如砷化硼)、粘结粉末和/或其他导电惰性碳。所述一个或多个绝缘层414可包括已知的绝缘材料。
温度控制元件400还包括一个或多个接片430A、430B，它们与薄膜412既进行电(欧姆)连接又进行热连接。接片430A、430B包括相对高强度的导电材料，类似于上文在图3A中的接片330A、330B、330C的上下文中描述的那些，诸如铜、铝、镍、镀镍铜、不锈钢和/或铝合金。接片430A、430B可设置在第一元件410和所述一个或多个结构层420A、420B之间。例如，如图4所示，第一接片430A可设置在第一元件410和第一结构层420A之间，并且第二接片430B可以设置在第一元件410和第二结构层420B之间。
图5图示了另一个示例温度控制元件500，其在设置成与电化学电芯处于热传递关系时能够主动加热和被动冷却。温度控制元件500包括两个或更多个独立控制的温度区或区域510A、510B。例如，如图所示，温度控制元件500可具有第一温度控制元件510A和第二温度控制元件510B。类似于图3A所示的温度控制元件300和/或图4所示的温度控制元件400，每个温度区510A、510B包括一个或多个第一元件或层，该第一元件或层包括设置在两个或更多个结构层和一个或多个台面（table）之间的各向异性导热和/或导电材料。每个温度区510A、510B还可包括一个或多个绝缘层，例如类似于图4所示的绝缘层414。
虽然未图示，但是本领域技术人员将理解，每个温度区510A、510B可具有类似于图3A所示的温度控制元件300和/或图4所示的温度控制元件400的配置。然而，不同于图3A和图4的配置，图5中所示的温度控制元件500包括多个温度区510A、510B，这些温度区可彼此独立控制。如图所示，所述多个温度区中的温度区510A、510B可使用电绝缘材料520分离，并由一个或多个结构元件或层530包围或设置在它们之间。
电绝缘材料520可包括本领域技术人员已知的已知绝缘材料。结构层530为温度控制元件500提供足够的机械强度、可弯曲性和电绝缘。例如，结构元件520可包括云母、石棉、大理石、瓷器、玻璃、虫胶、树脂、橡胶、棉纱、纸、亚麻、人造丝和/或塑料。在某些方面，结构层520可进一步包括单面或双面粘合剂，其也具有足够的机械强度、可弯曲性和电绝缘。单面或双面粘合剂包括例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、和/或聚四氟乙烯(PTFE)。
温度控制元件包括各向异性材料或元件(诸如，例如呈箔形式的石墨)作为加热材料或元件(例如，主动加热器)和冷却材料或元件(例如，被动冷却)，诸如，例如，仅举例来说，图3A所示的温度控制元件300和/或图4所示的温度控制元件400和/或图5所示的温度控制元件500可以以各种方式集成到电池模块和/或电池组(例如，图2所示)中。例如，在某些情况下，如图6所示，各个温度控制元件610可以设置在电池组600内的一个或多个电芯620之间。所述一个或多个电池电芯620中的每个电芯可以是诸如图1的情况中所述的电池20。所述多个温度控制元件中的每个温度控制元件610可以是如图3A所示的温度控制元件300和/或如图4所示的温度控制元件400和/或如图5所示的温度控制元件500。图6中所示的星号(*)意在图示电池组600可包括任何数量的交替的电芯620和温度控制元件610。
如图所示，每个温度控制元件610可与例如场效应晶体管和/或脉宽调制和/或机械连接器612电连通，并且使用例如场效应晶体管和/或脉宽调制和/或机械连接器612独立控制。以这种方式，温度控制元件610可用于对电池组600的不同区域应用不同的温度控制，从而提供灵活的区控制，例如，以抑制失控电芯的扩散，并靶向电池组内的特定区域。
温度控制元件610的使用包括各向异性导热和/或导电材料。例如，可使用石墨，其中当电流通过石墨时，石墨的电阻率可以产生活性的均匀加热溶液来使电芯620变热。另外，相同的特征可以用于通过使用石墨的各向异性性质(例如，轴线的各向异性热导率)将热量带走来被动冷却电芯620。在各种情况下，各向异性元件和绝缘结构元件的连结可在热量到达绝缘体之前和之后最小化或防止热扩散，以便防止热传播。此外，各向异性导热和/或导电材料的不可燃性在电池失控的情况下提供保护。例如，各向异性材料(例如，石墨)优先地在x-y平面中扩散热量，并因此，减缓向相邻电芯的z-平面热传递，以便降低峰值温度，从而因此减轻和/或防止点燃相邻电芯。图6图示了包括单个元件的一个情况，其中在溶液中的所有点处热量/温度将基本相等(假设材料、厚度等同质)。如下文进一步详细讨论的，图7通过实现对电池的不同区域的离散控制来实现优先加热。例如，内部(中央)电芯的加热和冷却不同于外部(远侧)电芯。
如图7所示，温度控制元件710可以卷绕在电池组700的一个或多个电芯720上。换句话说，所述一个或多个电芯720设置在温度控制元件710的折叠部之间。所述一个或多个电芯720中的每个电芯可以是诸如在图1的上下文中描述的电池20。所述多个温度控制元件中的每个温度控制元件610可以是图3A所示的温度控制元件300和/或图4所示的温度控制元件400和/或图5所示的温度控制元件500。图7中所示的星号(*)意在图示电池组700可包括任何数量的交替的电芯720和温度控制元件710。如图所示，温度控制元件710可与例如场效应晶体管和/或脉宽调制和/或机械连接器712电连通，并使用例如场效应晶体管和/或脉宽调制和/或机械连接器712进行控制。
通过以下非限制性示例进一步图示本技术的实施例。
示例
图8A-8B提供了示例电芯在超过60分钟时间段的电芯温度(℃)曲线。
图8A图示了常规电化学电芯(例如，裸电芯)的温度曲线，其中830表示正电池端子，832表示负电池端子，并且834表示电芯中心。在图8A中，x轴810表示以分钟为单位的测试时间，并且y轴820表示电芯温度(℃)。
图8B图示了包括根据本公开的各个方面的温度控制元件的电化学电芯的温度曲线，其中870表示正电池端子，872表示负电池端子，并且874表示电芯中心。在图8B中，x轴850表示以分钟为单位的测试时间，并且y轴860表示电芯温度(℃)。
如图8A所示，裸电芯持续小于1分钟，并且电芯内温度显示，接片热电偶比根据本公开的各个方面制备的相当的电芯热得多，如图8B所示。更具体地，如图8B所示，包括根据本公开的各个方面的温度控制元件的电化学电芯在超过20℃温度差之前运行约20分钟。此外，正极端子870、负极端子872和电芯中心874的电芯内温度紧密。更紧密的温度意味着在根据本公开的各个方面制备的相当的电池中甚至更均匀的电芯内和电芯间磨损，从而提供了改进的性能，以及特别是改进的可靠性和安全性。
出于图示和描述的目的，已经提供了实施例的前述描述。它并不旨在是详尽的或限制本公开。特定实施例的各个元件或特征通常不限于该特定实施例，而是在适用的情况下是可互换的，并且可以用于所选择的实施例中，即使没有具体示出或描述也是如此。同样的情况也可能在许多方面有所不同。这种变型不应被视为脱离本公开，并且所有这种修改都旨在被包括在本公开的范围内。
Claims (10)
1.一种用于电化学电芯的温度控制元件，包括：
两个或更多个结构元件；和
设置在所述两个或更多个结构元件之间的一个或多个各向异性元件，其中，所述一个或多个各向异性元件各自包括一种或多种各向异性材料，所述各向异性材料选自由以下材料组成的组：石墨、石墨烯、碳纳米管（CNT）、晶体材料、粘结粉末及其组合，其中，所述温度控制元件被配置成与所述电化学电芯处于热传递关系，以便加热和/或冷却所述电化学电芯。
2.根据权利要求1所述的温度控制元件，其中，所述温度控制元件进一步包括与所述一个或多个各向异性元件电连通的一个或多个接片，其中，所述一个或多个接片各自包括铜、铝、镍、镀镍铜、不锈钢和铝合金中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的温度控制元件，其中，所述一个或多个接片限定一个或多个接片层，
其中，第一接片层设置在所述一个或多个各向异性元件和所述两个或更多个结构元件的第一结构元件之间，并且第二接片层设置在所述一个或多个各向异性元件和所述两个或更多个结构元件的第二结构元件之间，并且
其中，所述一个或多个接片层的每个接片层包括设置在第一端子端部处的第一部分和设置在与所述第一端子端部分离的第二端子端部处的第二部分，使得在所述一个或多个接片层的每个接片层的第一部分和第二部分之间的中心区域中限定间隙。
4.根据权利要求2所述的温度控制元件，其中，所述一个或多个各向异性元件和所述一个或多个接片限定加热元件。
5.根据权利要求1所述的温度控制元件，其中，所述两个或更多个结构元件各自包括云母、石棉、大理石、瓷器、玻璃、虫胶、树脂、橡胶、棉纱、纸、亚麻、人造丝和塑料中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的温度控制元件，其中，所述两个或更多个结构元件中的至少一个进一步包括一种或多种粘合材料，所述粘合材料选自由以下材料组成的组：聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚四氟乙烯（PTFE）及其组合。
7.根据权利要求1所述的温度控制元件，其中，所述两个或更多个结构元件是第一结构元件，并且所述温度控制元件进一步包括设置在相邻各向异性元件之间的一个或多个第二结构元件。
8.根据权利要求1所述的温度控制元件，其中，所述一个或多个各向异性元件限定具有多个折叠部的一个或多个箔，并且
其中，所述温度控制元件进一步包括一种或多种绝缘材料，并且所述一种或多种绝缘材料设置在限定所述一个或多个各向异性元件的所述一个或多个箔的折叠部之间。
9.根据权利要求1所述的温度控制元件，其中，所述一个或多个各向异性元件包括包含一种或多种第一各向异性材料的第一组各向异性元件和包含一种或多种第二各向异性材料的第二组各向异性元件，其中，所述第一和第二组各向异性元件中的每一者都被独立控制。
10.根据权利要求9所述的温度控制元件，其中，所述两个或更多个结构元件是一个或多个第一结构元件，并且所述温度控制元件进一步包括设置在所述第一组各向异性元件和所述第二组各向异性元件之间的一个或多个第二结构元件。
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