CN114069096A - 一种可调控热传导的复合薄膜及锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可调控热传导的复合薄膜及锂离子电池，以铜箔为基底，甲烷和氢气为前驱体混合气体，在1000℃下制备了沉积在铜箔上的石墨烯泡沫材料，将具有大尺度的开孔和相互连接的石墨烯泡沫材料以化学沉积的方式均匀沉积在铜箔上，得到可调控热传导的复合薄膜。本发明所述的可调控热传导的复合薄膜具有随压缩比的变化改变热导率的特性，可以显著提高铜箔的比表面积和导电性，在涂布时与石墨负极材料的结合性更好，将其用于锂离子电池，通过控制对电芯施加的应力值，可以调节电芯的热导率，当应力增加时，热导率提高，实现快速散热，当应力减小时，热导率降低，能够起到保温的效果。

Description

一种可调控热传导的复合薄膜及锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，尤其是涉及一种可调控热传导的复合薄膜及锂离子电池。
背景技术
现有技术中为加快锂离子电池电芯的热传输效率，采用的方法主要为制备复合正极片、复合隔膜等。
公开号为CN111697230A的专利公开了一种高安全复合正极片及其制备方法和应用的锂离子电池，功能材料层包括高导热无机纳米材料、导电剂、导锂离子材料、粘结剂和分散剂。可以有效的抑制电池内短路带来的热积累，从而避免热失控，进而改善高能量密度锂离子电池的安全性。公开号为CN111697187A的专利公开了一种高安全复合隔膜及其制备方法，可有效抑制电池内短路带来的热积累，避免热失控。但是上述两项专利，均是在减小电池在常温工作时的热量积累及安全问题，电池的应用环境温度范围窄，同时并不能改善电芯在高温或者低温的电性能及安全性，也不能随着电芯的内部环境温度调控电芯本体的温度。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种可调控热传导的复合薄膜及锂离子电池，以根据使用环境通过外部压力主动调控电芯的温度传导，增加电芯的应用环境温度范围，改善电芯高温或低温性能。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种可调控热传导的复合薄膜，包括铜箔及涂敷于铜箔上的石墨烯泡沫层。
进一步地，所述石墨烯泡沫层是通过化学沉积在铜箔上形成的，所述石墨烯泡沫层的厚度为0.2-1μm。
如上所述的复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
以铜箔为基底，将甲烷和氢气的混合气体为前驱体，加入聚二甲基硅氧烷，加热至800-1000℃反应40-60min，降温后，得到所需复合薄膜。
进一步地，甲烷的通入速率为15sccm，氢气的通入速率为50sccm，加热升温速率为10℃/min。
一种锂离子电池，包括电芯及应力施加装置，所述电芯包括如上所述的复合薄膜，所述应力施加装置用于向所述电芯施加应力。
进一步地，应力施加装置向电芯施加的应力为F，锂离子电池的工作环境温度为T，F随T的升高而变大。
进一步地，所述应力施加装置包括固定部、活动部及调节组件，所述调节组件设于固定部与活动部之间，调节组件用于调节活动部与电芯之间的应力；优选地，固定部为一面开口的电池仓，电芯设于电池仓内，活动部为压板，压板与电芯上表面相抵，电池仓与压板之间设有调节螺杆，调节螺杆穿过压板，螺母与调节螺杆螺纹连接且螺母与压板上端相抵，转动螺母即可调节压板与电池仓底部之间的距离，从而调节压板对电芯施加的应力，改变电芯的厚度。
相对于现有技术，本发明所述的可调控热传导的复合薄膜及锂离子电池具有以下优势：
(1)本发明所述的可调控热传导的复合薄膜具有随压缩比的变化改变热导率的特性，可以显著提高铜箔的比表面积和导电性，在涂布时与石墨负极材料的结合性更好；
(2)本发明所述的锂离子电池通过控制应力施加装置对电芯施加的应力值，可以调节电芯的热导率，当应力增加时，热导率提高，在较高的工作环境温度中实现快速散热，减少电芯中各种材料发生反应的概率，保证电芯的高温性能及安全性能，当应力减小时，热导率降低，在较低的工作环境温度中能够起到保温的效果，使电芯内部处于相对较高的温度，减小因低温引起的电池容量衰降及析锂的安全风险；
(3)本发明所述的锂离子电池通过调节应力施加装置对电芯施加的应力的同时，可以减弱由于电池内部温度梯度的存在导致的内部阻抗差异，使充放电过程中电流分布更加均匀，放电过程中电池内部不同部位的SOC也更加均匀，有利于提升电池的使用寿命。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的可调控热传导的复合薄膜的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的常温容量循环结果示意图；
图3为本发明实施例所述的常温循环最大温度结果示意图；
图4为本发明实施例所述的高低温测试结果示意图。
附图标记说明：
1、石墨烯泡沫层；2、铜箔。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
本发明以铜箔为基底，甲烷和氢气为前驱体混合气体，在1000℃下制备了沉积在铜箔上的石墨烯泡沫材料，将具有大尺度的开孔和相互连接的石墨烯泡沫材料以化学沉积的方式均匀沉积在铜箔上，得到可调控热传导的复合薄膜，其中石墨烯泡沫材料以96％的石墨烯和4％的聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备而成，将复合薄膜制备成电芯，这样当单体电芯在正常充放电以及在模组中工作时，该电芯可以随着外界压力的的变化通过控制石墨烯泡沫材料的压缩程度来调控电芯的导热率，从而可通过调控电芯的热导率使得电芯在各个工作环境中性能更加优异。
由于沉积在铜箔上的石墨烯泡沫材料具有随着外部压力的变化调控压缩比从而改变热导率的特性，因此，当在模组中正常工作受到一定的压力束缚时，传导良好，可快速的散热；而当在低温环境中可以相对调小外部的压力，使得导热相对变差，从而起到保温的效果。当电芯在低温工作时，可调小压缩比，使得电芯本体处于一个相对较高的温度，减小因低温引起的电池容量衰降和析锂的安全风险；同样高温的条件下，调大压缩比，提高热导率，使得产热减小，减小各种材料发生反应的概率，从而减小热量的产生，保证高温及安全性能。
将上述可调控热传导的复合薄膜用于组装锂离子电芯，将内部的正极、负极以及隔膜分别作为一个整体组件，将此整体组件均分为若干个单元，每个单元中至少包含1-60层正负极片以及沉积了石墨烯泡沫的铜箔在单体电芯中，可使得电芯适应宽的温度范围，增加电芯的应用场景，提高宽温度范围的使用性能，降低安全风险。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明。
可调控热传导的复合薄膜的制备方法如下：
以一定厚度的铜箔为基底，将甲烷(CH4)和氢气(H2)的混合气体为前驱体，并加入一定量的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，在800-1000℃下高温反应40-60min，甲烷的通入速率15sccm，氢气的通入速率50sccm，升温速率10℃/min，待降温后，成功制备出可调控热传导的复合薄膜，其结构如图1所示，包括铜箔1及附着在铜箔上下表面的石墨烯泡沫层2。
实施例1：将可调控热传导的复合薄膜进行负极涂覆、叠片，之后进行注液，封装，烘烤和化成，制成电芯，并通过夹板螺栓对电芯施加1.2Nm的扭力，得到锂离子电池；
实施例2：与实施例1的不同处在于电芯内部使用的是无涂覆的铜箔，而非可调控热传导的复合薄膜。
对比例1：与实施例1不同处在于夹板螺栓对电芯施加的扭力为0.6Nm。
对比例2：与实施例1不同处在于未使用夹板螺栓对电芯施加扭力。
将上述实施例1-2与对比例1-2，分别进行高温存储实验、低温及常温循环温升测试、高低温测试，其中，
高温存储实验条件：在55℃温度下分别放置7天、21天、35天，测试结果如表1所示；
表1 55℃高温存储测试结果
Figure BDA0003352129470000051
低温及常温循环温升测试条件：1C@2.5-4.2V，测试结果如图2及图3所示；
高低温测试：在25℃温度下对电池进行定容，之后将电池放置在-30℃-55℃不同温度下放置一定时间后进行放电，测试容量保持率及温升，其中在-30℃-0℃中放置时间为16h，在10℃-55℃中放置时间为5h，测试结果如图4及表2所示；
表2高低温测试结果
Figure BDA0003352129470000061
低温脉冲测试：在-25℃温度，80％SOC下进行172.88W恒功率放电，进行实验过程中，监测电芯上下表面温度，测试结果如表3所示。
表3 -25°低温脉冲数据
方案 172.88W 测试前后温度/℃
实施例1 18.071S -15.327
实施例2 5.399S -22.918
对比例1 20s -18.171
对比例2 4.313s -24.1
根据上述测试结果可知，具有可调控热传导的复合薄膜的使用，在低温环境中，可通过减小石墨烯泡沫材料的压缩比，使得电芯在正常工作时提高加热速度，可快速提升电芯的内部温度，从而减小因低温引起的电池容量衰降和析锂的安全风险，使其在低温环境中的各方面性能得到提升；在正常工作或者高温环境中，可外部调控增大石墨烯泡沫材料的压缩比，热导率会大幅度提高，可快速导热，减小电池的温升，减小各种材料发生副反应的概率，可提高电池电性能以及安全性能。以可调控热传导的复合薄膜使用可适应温度的变化，使得电芯适应宽的温度范围，提高宽温度范围的使用性能，降低安全风险以及提高铜箔的导电性、抗腐蚀性、粘结性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可调控热传导的复合薄膜，其特征在于：包括铜箔及涂敷于铜箔上的石墨烯泡沫层。
2.根据权利要求1所述的复合薄膜，其特征在于：所述石墨烯泡沫层是通过化学沉积在铜箔上形成的，所述石墨烯泡沫层的厚度为0.2-1μm。
3.如权利要求1或2所述的复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
以铜箔为基底，将甲烷和氢气的混合气体为前驱体，加入聚二甲基硅氧烷，加热至800-1000℃反应40-60min，降温后，得到所需复合薄膜。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：甲烷的通入速率为15sccm，氢气的通入速率为50sccm，加热升温速率为10℃/min。
5.一种锂离子电池，其特征在于：包括电芯及应力施加装置，所述电芯包括如权利要求1或2所述的复合薄膜，所述应力施加装置用于向所述电芯施加应力。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于：应力施加装置向电芯施加的应力为F，锂离子电池的工作环境温度为T，F随T的升高而变大。
7.根据权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于：所述应力施加装置包括固定部、活动部及调节组件，所述调节组件设于固定部与活动部之间，调节组件用于调节活动部与电芯之间的应力。
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