CN114464927A - 一种基于ntc材料的自适应电加热电芯、电池系统及ntc材料 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于NTC材料的自适应电加热电芯，包括电芯及分别位于电芯正负两极的极耳，极耳设置在电芯的至少一侧表面上，其中至少一极的极耳外侧面上设有NTC材料，所述NTC材料的设置面积位于电芯表面积的10％～95％之间；在25±5℃的情况下，NTC材料的电阻为电芯内阻的0.1～2倍；NTC材料在‑20±5℃下的电阻率为25±5℃下电阻率的5～20倍。本发明利用NTC材料内阻的负温度特性对电池温度进行调节，将所述NTC材料设置在电池极耳表面，形成基于NTC材料的自适应电加热电芯，将所述电芯串联形成电池充放电主回路，当电池温度处于较低温度范围内，利用电池自身的充放电电流，NTC材料电阻产热来加热电池，使电池温度快速上升至电池充放电最佳温度范围内。
Description
技术领域
本发明实施例涉及锂电池技术领域，具体涉及一种基于NTC材料的自适应电加热电芯、电池系统及NTC材料。
背景技术
目前，锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命等优点在各行各业应用非常广泛；然而锂离子电池在应用实际过程中也存在一些缺点，其中低温性能差是锂离子电池的主要缺点之一；锂离子电池低温状态下电化学性能衰减严重，比如放电容量下降、电池内阻增大、充放电倍率降低等；且在低温状态下电池的安全性能快速下降，其低温充电过程中可能出现析锂形成锂枝晶，锂枝晶生长到一定程度可能会刺穿隔膜导致电池内断路，影响电池安全。
目前，行业内主要通过给电池加热来提高电池温度以提升电池在低温环境下的电化学性能和安全性，但现有的电池加热方法是通过单独设置加热系统，实现可控加热，增大了电池系统设计的复杂性，温度控制管理系统的可靠性也有待考验。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种基于负温度系数(NTC)材料的自适应电加热电芯、电池系统及NTC材料，以解决现有技术中由于温度调节复杂而导致的电池温度调节成本高、安全性低的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种基于NTC材料的自适应电加热电芯，其特征在于：包括电芯及分别位于电芯正负两极的极耳，所述极耳设置在电芯的至少一侧表面上，其中至少一极的极耳外侧面上设有NTC材料，所述NTC材料的设置面积位于电芯表面积的设置10％～95％之间；在25±5℃(即20℃～30℃)的情况下，所述NTC材料的电阻为电芯内阻的0.1～2倍；所述NTC材料在-20±5℃(即-25℃～-15℃)下的电阻率为25±5℃下电阻率的5～20倍。
进一步的，设有NTC材料的极耳设在电芯的面积最大的侧表面上。
进一步的，所述NTC材料的设置厚度为1μm～50μm。
进一步的，所述NTC材料通过喷涂工艺设在极耳上，所述喷涂工艺为冷喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、磁控溅射、打印喷涂中的任意一种。
进一步的，所述分别位于电芯正负两极的极耳均设有NTC材料。
一种使用基于NTC材料的自适应电加热电芯的电池系统，包括电池包，所述电池包内设有至少一个串联在电池充放电回路中的电芯。
一种应用于基于NTC材料的自适应电加热电芯的NTC材料，制备所述NTC材料的各个原料的质量配比包括四氧化三锰30％～55％、四氧化三钴10％～40％、氧化铜0％～10％、三氧化二铝0％～10％、三氧化二铁0％～10％、元素添加剂5％～10％，其中，氧化铜、三氧化二铝、三氧化二铁的质量配比不同时为0％，所述元素添加剂为镧氧化物、钛氧化物、锆氧化物、钕氧化物中的至少一种；将各个原料充分混合后烧结3～6小时，烧结温度范围为1000～1300℃，形成NTC材料。
优选地，NTC材料中各个原料的质量配比为四氧化三锰48％～62％、四氧化三钴22％～38％、氧化铜1％～4％、三氧化二铝2.5％～6％、三氧化二铁1.5％～4.5％、元素添加剂5％～8％。
进一步的，所述NTC材料的B值不低于3500K。
进一步的，所述元素添加剂为镧氧化物、钛氧化物、锆氧化物、钕氧化物中的至少两种。
本发明实施例具有如下优点：
本发明实施例所述的基于NTC材料的自适应电加热电芯利用了NTC材料电阻率的负温度特性对电池温度进行反向调节，将所述NTC材料设置在电池极耳表面，形成基于NTC材料的自适应电加热电芯，将所述电芯串联在电池充放电主回路时，当电池温度处于较低温度范围内，利用电池自身的充放电电流，NTC材料电阻产热来加热电池，使电池温度快速上升至电池充放电最佳温度范围内。
本发明实施例所述的基于NTC材料的自适应电加热电芯对NTC材料的选型、设置厚度及设置面积的组合调节，实现对NTC材料在不同温度下其电阻的控制，随着设置NTC材料厚度增加，极耳电阻增加，设置NTC材料的面积增加，极耳电阻减小，实现在较低温度下使用NTC的大电阻发热的特性对电池加热，在电池温度达到安全适宜的温度后，NTC电阻降低，成为优良导体。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例提供的一种基于NTC材料的自适应电加热电芯的产品结构图；
图2为本发明实施例提供的一种基于NTC材料的自适应电加热电芯的多产品连接图；
图3为本发明另一实施例提供的一种基于NTC材料的自适应电加热电芯的产品结构图；
图4为本发明另一实施例提供的一种基于NTC材料的自适应电加热电芯的多产品连接图；
图5为本发明另一实施例提供的一种电池系统的系统结构图。
图中：
1、电芯；2、极耳；3、NTC材料；4、电池包；5、主正继电器；6、主负继电器；7、负载。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-2所示，一种基于NTC材料的自适应电加热电芯，包括电芯1及位于电芯1正负两极的两个极耳2，即正极极耳与负极极耳。所述极耳2连接电芯1的导电端，其中一个或两个极耳2的外侧面上喷涂NTC材料3，采用的喷涂工艺为冷喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、磁控溅射、打印喷涂中的任意一种。
所述极耳2设置在电芯1至少一侧外表面上，根据所需电芯加热速率决定NTC材料的设置面积占电芯外表面的比例，若所需电芯加热速率不高，则NTC材料的设置面积占电芯外表面的10％-30％之间，若所需电芯加热速率较高，则NTC材料的设置面积占电芯外表面的30％-80％之间，若所需电芯加热速率很高，则NTC材料的设置面积占电芯外表面的80％-95％之间。实际应用中，由于电芯的结构多为矩形体，因此根据具体实物的设计需要，当NTC材料的设置面积占电芯外表面的10％-30％之间时，NTC材料会覆盖电芯的1-2个外表面，此种情况下，如图2所示，电芯上可设有一个带有NTC材料的极耳，即NTC材料会覆盖电芯的1个外表面，或者如图3-4所示，电芯上设有两个带有NTC材料的极耳2，即NTC材料会覆盖电芯的2个外表面，；当NTC材料的设置面积占电芯外表面的30％-80％之间时，NTC材料会覆盖电芯的2-6个外表面，当NTC材料的设置面积占电芯外表面的80％-95％之间时，NTC材料会覆盖电芯的5-6个外表面，此两种情况下，正负极耳之间可设置绝缘结构，将正负极耳分隔，防止二者通电。
为了实现加热的最好效果，将喷涂有NTC材料3的极耳2设置在电芯1的最大面积的侧表面上，这样能够最大面积的设置整个电芯1，实现为电芯1均匀加热的效果，需要在常温下，如25℃，所述NTC材料3的电阻为电芯内阻的0.1～2倍；在低温下，如-20℃，所述NTC材料3的电阻率为常温下NTC材料3电阻率的5～20倍。因此需要NTC材料3的选型、厚度及设置面积三个因素的组合调节，实现在较低温度下使用NTC材料的大电阻发热的特性对电池加热，在电池温度达到安全适宜的温度后，NTC材料的电阻降低，成为优良导体。
由于NTC材料3在低温下电阻会呈指数增加，因此仅需NTC材料3在常温下电阻率和电阻足够小，满足不会影响电芯内阻的条件，设计NTC材料的设置厚度与设置面积，具体的设计方法为：检测电芯内阻的电阻，设定NTC材料3在25±5℃下的电阻范围为电芯内阻的0.1～2倍，从而确定NTC材料3在25±5℃下的电阻R的电阻范围，根据电芯的设计要求确定极耳的位置及结构，再根据极耳的结构设计多个NTC材料的设置面积，然后根据电阻公式计算NTC材料3的设置厚度，所述NTC材料3的设置厚度需要小于等于50um，优选NTC材料3的设置厚度为1u～50um。所述电阻公式为：
R＝(ρL)/S；
式中：
R为常温下NTC材料的零功率电阻；
ρ为常温下NTC材料的电阻率；
L为NTC材料的设置厚度；
S为NTC材料的设置面积。
若将单个带有NTC材料的极耳改为双极耳均带有NTC材料的技术方案，则将所需NTC材料3的设置厚度一分为二，即正负两极极耳各设置NTC材料3的厚度为L/2，得到电芯1表面NTC材料3的设置厚度。
实施例2
如图5所示，一种基于NTC材料的自适应电加热电芯的电池系统，包括电池包4，所述电池包4内设有至少一个串联于电池充放电回路的电芯1，所述至少一个串联于电池充放电回路的电芯1可以为一个电芯1或至少两个相互堆叠串联的电芯组，电芯1的数量根据所需电池系统对外输出的功率决定。
由于所述电芯1的极耳2上设置有NTC材料3，则电芯1之间相互压接组成模组时，两个电芯1之间设有至少一层NTC材料3，不仅能够调节电池包4内的温度，还能保持极耳2之间对齐压紧，形成电芯组。
具体的一个实施例为，所述电池包4的正极内连接电芯1的正极极耳或电芯组最外端的正极极耳，所述电池包4的负极内连接电芯1的负极极耳或电芯组最外端的负极极耳，所述正极极耳和\或负极极耳上设有NTC材料，组成电池系统，使NTC材料3串联于电池系统的充放电回路中。所述电池包4的正极外连接主正继电器5，所述电池包4的负极连接主负继电器6，所述主正继电器5与主负继电器6均连接负载7。本实施例中，如在-20℃的低温下，NTC材料3电阻约为10mΩ，当主回路通过电流为30A时，单层NTC材料3加热功率为P＝9W左右，功率密度约为900W/m2。电池经过NTC材料3快速加热后，电芯1温度上升，NTC材料3的电阻率随着下降，可以将电池加热到20-30℃后达到热平衡温度，在此温度区间内电池性能最佳。
实施例3
一种应用于自适应加热电芯1的NTC材料3，所述NTC材料3使用Mn-Co-Cu-Al-Fe系氧化物作为原料，所述各个原料的质量配比为：
其中，氧化铜、三氧化二铝、三氧化二铁的质量配比不同时为0％，元素添加剂为镧氧化物、钛氧化物、锆氧化物、钕氧化物中的至少一种。
将各个原料充分混合后经过高温烧结3～6小时，烧结温度范围为1000～1300℃，形成NTC材料3。
在NTC材料中，在满足总和为100％的前提下，各个组分的材料可以为上述范围内的任意数值，如，四氧化三锰的质量配比可以为30％、35％、40％、45％、50％、55％等，四氧化三钴的质量配比可以为10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％等，氧化铜的质量配比可以为0％、3％、5％、8％、10％等，三氧化二铝的质量配比可以为0％、3％、5％、7％、10％等，三氧化二铁的质量配比可以为0％、3％、5％、7％、10％等，元素添加剂的质量配比可以为5％、6％、7％、8％、9％、10％等，其中，氧化铜、三氧化二铝、三氧化二铁的质量配比不同时为0％。
优选地，NTC材料中各个原料的质量配比为四氧化三锰48％～62％、四氧化三钴22％～38％、氧化铜1％～4％、三氧化二铝2.5％～6％、三氧化二铁1.5％～4.5％、元素添加剂5％～8％。
所述元素添加剂为镧氧化物、钛氧化物、锆氧化物、钕氧化物中的至少两种。所述元素添加剂用于改变NTC材料3的电阻率和B值，获得需求性能的NTC材料3，至少两种金属氧化物的好处在于使NTC材料3保持较低电阻率的同时获得较高的B值。
下面以4个实施例具体说明NTC材料3，其中元素添加剂包括氧化镧、氧化钛、氧化锆、氧化钕，包括：
表1 NTC材料的配比及工艺条件
表2 NTC材料的电阻率及B值
表2为根据表1中配比1-4及对比例1-6得到的NTC材料的性能比较，如表2所示，配比1-4制备的NTC材料在-20℃时电阻率与其25℃下电阻率之间至少5倍倍差，NTC材料的B值不低于3500K。其中，配比1、2和4得到NTC材料的综合性能要优于配比3得到NTC材料的综合性能，从而能够得出采用两种金属氧化物作为元素添加剂得到的NTC材料的综合性能要优于仅采用一种金属氧化物作为元素添加剂得到的NTC材料的综合性能。对比例6中仅具有基础材料——四氧化三锰与四氧化三钴，对比例1-5中具有基础材料和元素添加剂，但由对比例1-6中配比制备的NTC材料在-20℃时电阻率与其25℃下电阻率均之间倍差不高于5倍，B值不高于3500，其NTC材料随温度变化的电阻率变化不足，无法满足在低温下电阻率大幅增高的要求。因此，本发明实施例中的方案能够满足NTC材料在低温时电阻大增且增加的幅度足够对电池进行加热的要求，在常温时电阻降低到不会影响电芯正常工作的程度。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种基于NTC材料的自适应电加热电芯，其特征在于：包括电芯及分别位于电芯正负两极的极耳，所述极耳设置在电芯的至少一侧表面上，其中至少一极的极耳外侧面上设有NTC材料，所述NTC材料的设置面积位于电芯表面积的10％～95％之间；
在25±5℃的情况下，所述NTC材料的电阻为电芯内阻的0.1～2倍；
所述NTC材料在-20±5℃下的电阻率为25±5℃下电阻率的5～20倍。
2.根据权利要求1所述自适应电加热电芯，其特征在于：根据所述NTC材料的设置面积，根据电阻公式计算NTC材料的设置厚度，所述电阻公式为：
R＝(ρL)/S；
式中：
R为25±5℃下NTC材料的零功率电阻；
ρ为25±5℃下NTC材料的电阻率；
L为NTC材料的设置厚度；
S为NTC材料的设置面积。
3.根据权利要求2所述自适应电加热电芯，其特征在于：所述NTC材料的设置厚度为1μm～50μm。
4.根据权利要求1所述自适应电加热电芯，其特征在于：所述NTC材料通过喷涂工艺设在极耳上，所述喷涂工艺为冷喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、磁控溅射、打印喷涂中的任意一种。
5.根据权利要求1所述自适应电加热电芯，其特征在于：所述设有NTC材料的极耳设置在电芯上面积最大的侧表面上。
6.根据权利要求1所述自适应电加热电芯，其特征在于：所述分别位于电芯正负两极的极耳均设有NTC材料。
7.一种电池系统，其特征在于：包括电池包，所述电池包内设有至少一个串联在电池充放电回路中的电芯，所述电芯为权利要求1-6中任意一项所述的自适应电加热电芯，所述电芯的NTC材料串联在电池充放电回路中。
8.一种应用于权利要求1-6中任意一项所述自适应电加热电芯的NTC材料，其特征在于，制备所述NTC材料的各个原料的质量配比包括：
其中，氧化铜、三氧化二铝、三氧化二铁的质量配比不同时为0％，所述元素添加剂为镧氧化物、钛氧化物、锆氧化物、钕氧化物中的至少一种；
将各个原料充分混合后烧结3～6小时，烧结温度范围为1000～1300℃，形成NTC材料。
9.根据权利要求8所述的NTC材料，其特征在于：所述元素添加剂为镧氧化物、钛氧化物、锆氧化物、钕氧化物中的至少两种。
10.根据权利要求8所述的NTC材料，其特征在于：所述NTC材料的B值不低于3500K。
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