CN114497824B - 基于ptc材料的自适应限温电芯、电池系统及ptc材料 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于PTC材料的自适应限温电芯、电池系统及PTC材料，包括电芯及与电芯正负两极分别连接的两个极耳，其中至少一个极耳的外接表面上设有PTC材料；在25±5℃的情况下，所述PTC材料的电阻是0.1‑2倍电芯内阻；在大于或等于居里温度的情况下，所述PTC材料的电阻率不低于其在25±5℃下的30倍。本发明实施例所述的一种PTC材料、自适应限温电芯及电池系统利用PTC材料的正温度效应来实现限制电池输出功率，从而实现给电池限温功能，在电池温度升高时，PTC电阻增大，等效于电池内阻增大，降低整体电池包的功率性能，大幅度降低电池产热，从而实现电池温度的降低，避免热失控的情况发生。
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PTC材料的自适应限温电芯、电池系统及PTC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，比如：锂离子电池在激烈工况放电时，电池温度会快速升高，电池在高温状态下安全性能会下降；当温度高到一定范围内后，电池隔膜发生萎缩引起电池发生内短路，温度进一步升高直到最终引发电池热失控。
因此，如何在电池温升到一定温度后，控制电池温度不再升高，并逐渐降温至电池安全温度成为锂离子电池系统设计重点关注的问题。目前，行业内主要通过控制系统限制电池在高温状态下允许充放电的倍率，并增加液冷系统来降低电池温度；限制电池在高温状态下的允许充放电倍率需要外部用电设备执行电池包的充放电倍率限制指令，当通讯出现问题或者外部用电设备控制出现异常时，此方法存在失效的风险。因此，本发明提出了一种不需要依靠外部用电设备执行指令的限制电池充放电倍率的方法，从而控制电池温度不再进一步升高，并逐渐降低至电池安全温度。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种基于正温度系数(PTC)材料的自适应限温电芯、电池系统及PTC材料，以解决现有技术中由于电池不断升温而导致电池热失控而产生危险的问题。
一种基于PTC材料的自适应限温电芯，包括电芯及与电芯正负两极分别连接的两个极耳，其中至少一个极耳的外接端的外侧面上设有PTC材料；在25±5℃的情况下，所述PTC材料的电阻为0.1-2倍电芯内阻；所述PTC材料在大于或等于居里温度的情况下，电阻率不低于其在25±5℃下的30倍。。
进一步的，所述PTC材料的设置厚度与设置面积的计算方法包括：设定PTC材料的设置厚度，根据电阻公式R＝(ρ*L)/S计算PTC材料的设置面积，或者，设定PTC材料的设置面积，根据电阻公式R＝(ρ*L)/S计算PTC材料的设置厚度，式中R为PTC材料在25±5℃下的电阻，ρ为PTC材料在25±5℃下的电阻率，L为PTC材料的设置厚度，S为PTC材料的设置面积。
进一步的，所述PTC材料的厚度为1μm～50μm。
进一步的，所述PTC材料的设置面积为0.01dm2～5dm2。
进一步的，所述PTC材料通过冷喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、磁控溅射、打印喷涂中的任意一种喷涂在极耳表面。
进一步的，所述极耳的外接端的内侧面与电芯之间设有空气隔层。
一种使用自适应限温电芯的电池系统，包括电池包，所述电池包内设有至少一个串联于电池充放电回路的电芯。
一种应用于自适应限温电芯的PTC材料，所述PTC材料的制备原料按照质量配比包括80％～90％的钛酸钡与10％～20％的元素添加剂，所述元素添加剂为Al3+、Fe3+、Nb5+、Y3+、La3+氧化物中的至少两种，将全部制备原料充分混合后烧结，烧结温度为1100～1300℃，形成PTC块状陶瓷材料。
进一步的，所述PTC材料的居里温度为50℃～110℃，25±5℃下所述PTC材料的电阻率小于10Ω·m。优选地，所述PTC材料的居里温度为50℃～80℃，25±5℃下所述PTC材料的电阻率为0.2～2Ω·m。
本发明实施例具有如下优点：
本发明实施例所述的一种基于PTC材料的自适应限温电芯及电池系统利用PTC材料的正温度效应来实现给电池限温功能，在电池温度升高时，PTC电阻增大，等效于电池内阻增大，降低整体电池包的功率性能，大幅度降低电池产热，从而实现电池温度的降低，避免热失控的情况发生。
本发明实施例所述的一种基于PTC材料的自适应限温电芯及电池系统将PTC材料串联在电池包内部电路中自主实现对电池温度的降低，不需要依靠外部用电设备的控制，可以避免通讯异常或者外部用电设备异常时限制电池对外放电功率功能失效的风险。
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自适应限温电芯的产品结构图；
图2为本发明实施例提供的一种自适应限温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自适应限温电芯的产品结构图；
图4为本发明另一实施例提供的一种自适应限温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、PTC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1-3所示，一种基于PTC材料的自适应限温电芯，包括电芯1及与电芯1正负两极分别连接的两个极耳2，其中至少一个极耳2的外接端的外侧面上设有PTC材料3。在25±5℃(即20℃～30℃)的情况下，所述PTC材料3的电阻小于10mΩ；在大于或等于居里温度的情况下，所述PTC材料3的电阻率至少是25±5℃下的30倍。常温下，PTC材料3的电阻很小，如2mΩ，不会影响电池的内阻变化。当电池在经过剧烈工况运行后，电芯1温度上升，PTC材料3温度也随之上升，当电池温度上升至PTC材料3的居里温度时，PTC材料3的电阻率急剧上升，当电池温度大于居里温度时PTC材料3电阻率约为常温下的30-50倍，此时PTC材料3的电阻为60-100mΩ。由于PTC材料3串联在电池主回路中，此时等效于电池内阻突然增大，限制对外输出功率，达到缓和电池运行工况，进一步降低电池温度的效果；当电池温度下降至居里温度以下时，PTC材料3的电阻率急剧下降，电池恢复大功率充放电性能，基于此电池温度将被限制在PTC材料3的居里温度以下，电池的充放电性能和安全性能也将得到保障。本实施例中所述PTC材料的居里温度优选为50℃～110℃。
所述极耳2的外接端的内侧面与电芯1之间设有空气隔层，用于极耳2的散热，降低极耳2产生的热量对电芯1温度变化的影响。
确定电芯内阻，设定PTC材料在25±5℃下的电阻R为0.1-2倍电芯内阻，优选为0.1倍电芯内阻，使PTC材料在常温下不会过大影响电芯内阻的电阻变化。根据电阻公式R＝(ρ*L)/S计算得到PTC材料的设置厚度或设置面积，式中R为PTC材料在25±5℃下的电阻，ρ为PTC材料在25±5℃下的电阻率，L为PTC材料的设置厚度，S为PTC材料的设置面积。具体的，由于电池空间有限，电芯的安装空间有限，PTC材料的设置厚度变化很小，因此根据电芯的安装空间确定PTC材料的设置厚度，再根据电阻公式R＝(ρ*L)/S计算得到PTC材料的设置面积，式中R为PTC材料在25±5℃下的电阻，ρ为PTC材料在25±5℃下的电阻率，L为PTC材料的设置厚度，S为PTC材料的设置面积。或者，先设定PTC材料的设置面积，再根据电阻公式确定PTC材料的设置厚度的技术方案也包含在本专利的保护范围之内。优选PTC材料的设置厚度为1um～50um，优选PTC材料3的设置面积为0.01dm2～5dm2
所述PTC材料3通过冷喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、磁控溅射、打印喷涂中的任意一种喷涂在极耳2表面。
如图4所示，两个极耳2的外接端的外侧面上均设有PTC材料3。双侧均设有PTC材料3，则在PTC材料3设置过程中不用区分电芯1的正负极，可提升制备上述电芯1的生产效率，以及提升在使用所述电芯1组装模组和电池系统时的便利性和组装效率。
实施例2
如图5所示，一种使用基于PTC材料的自适应限温电芯的电池系统，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PTC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PTC材料3，不仅能够限制电池包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PTC材料，组成电池系统，使PTC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。
实施例3
一种应用于自适应限温电芯的PTC材料，所述PTC材料3的制备原料按照质量配比包括：
钛酸钡 80％～90％；
元素添加剂 10％～20％；
所述元素添加剂为Al3+、Fe3+、Nb5+、Y3+、La3+氧化物中的至少两种；将全部制备原料充分混合后高温烧结，烧结温度为1100～1300℃，烧结时间为6～12小时，形成PTC块状陶瓷材料。所述元素添加剂为氧化铝(Al2O3)、氧化铁(Fe2O3)、氧化铌(Nb2O5)、氧化钇(Y2O3)、氧化镧(La203)中至少两种混合得到。
在PTC材料中，在满足总和为100％的前提下，各个制备原料可以为上述范围内的任意数值，如，钛酸钡的质量配比可以为80％、82％、84％、86％、88％、90％等，元素添加剂的质量配比可以为10％、12％、14％、16％、18％、20％等。
优选地，PTC材料中各个制备原料的质量配比为钛酸钡82％～86％、元素添加剂14％～18％。
将所述PTC块状陶瓷材料先经过研磨，再过200目筛子，得到粉状PTC材料3，所述PTC材料3的居里温度不低于50℃，25±5℃下所述PTC材料3的电阻率小于10Ω·m，优选为为0.2～2Ω·m。由于居里温度过高无法实现本发明的技术效果，因此需要限定居里温度的上限，本实施中优选于PTC材料3的居里温度不超过110℃，更优选地，PTC材料3的居里温度不超过80℃。
下面4个具体实施例进一步说明上述技术内容，具体如下：
表1PTC材料的配比及其性能
根据表1所示，由对比例1-16中配比得到PTC材料3在高于居里温度时的电阻率不超过其在25℃下电阻率的30倍，当电芯温度过高时该PTC材料的电阻无法快速增加充放电回路电阻，达到使电芯大幅度降低或停止做功的效果；对比例17为钛酸钡的具体属性，由于钛酸钡的居里温度过高，无法降低电芯温度；而配比1中PTC材料3在超过居里温度的电阻率是25℃情况下电阻率的36倍；配比2中PTC材料3在超过居里温度的电阻率是25℃情况下电阻率的37倍；配比3中PTC材料3在超过居里温度的电阻率是25℃情况下电阻率的40倍；配比4中PTC材料3在超过居里温度的电阻率是25℃情况下电阻率的43倍，本发明方法制备得到的PTC材料3在等于或高于居里温度时的电阻率是其在常温下电阻率的至少30倍。而且，配比1-4中PTC材料3的居里温度均位于50℃-110℃之间，因此能够满足当电芯温度超过居里温度时内阻大幅度增加，且居里温度位于合理的范围内，不会因为居里温度过高而无法实现在电芯温度过高时大幅度增加内阻的效果，实现了在电芯温度过高时控制电芯做功效率，以抑制电芯温度的有益效果。
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 (7)
1.一种电池系统，其特征在于：
包括电池包，所述电池包内设有至少两个串联于电池充放电回路的电芯，所述电芯之间相互压接组成模组时，两个所述电芯之间设有至少一层PTC材料；其中，所述电芯为自适应限温电芯，所述电芯正负两极分别连接的两个极耳，所述极耳从所述电芯的正极或负极一端延伸并翻折形成外接端，沿电芯之间相互压接的方向上，所述外接端与对应电芯的表面相对设置，其中至少一个极耳的外接端的外侧面上设有所述PTC材料；
在25±5℃的情况下，所述PTC材料的电阻为0.1-2倍电芯内阻；
所述PTC材料串联在电池主回路中，在大于或等于居里温度的情况下，电阻率不低于其在25±5℃下的30倍；
所述PTC材料的居里温度为50℃～80℃，25±5℃下所述PTC材料的电阻率为0.2～10Ω·m，但不包括10Ω·m。
2.根据权利要求1所述的一种电池系统，其特征在于：
所述PTC材料的设置厚度与设置面积的计算方法包括：
设定PTC材料的设置厚度，根据电阻公式R＝(ρ*L)/S计算PTC材料的设置面积，或者，设定PTC材料的设置面积，根据电阻公式R＝(ρ*L)/S计算PTC材料的设置厚度，式中R为PTC材料在25±5℃下的电阻，ρ为PTC材料在25±5℃下的电阻率，L为PTC材料的设置厚度，S为PTC材料的设置面积。
3.根据权利要求2所述的一种电池系统，其特征在于：
所述PTC材料的厚度为1μm～50μm。
4.根据权利要求2所述的一种电池系统，其特征在于：
所述PTC材料的设置面积为0.01dm2～5dm2。
5.根据权利要求1所述的一种电池系统，其特征在于：
所述PTC材料通过冷喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、磁控溅射、打印喷涂中的任意一种方法喷涂在极耳表面。
6.根据权利要求1所述的一种电池系统，其特征在于：
所述极耳的外接端的内侧面与电芯之间设有空气隔层。
7.一种应用于权利要求1-6中任意一项所述电池系统的PTC材料，其特征在于，
所述PTC材料的制备原料按照质量配比包括：
钛酸钡80％～90％；
元素添加剂10％～20％；
所述元素添加剂为Al3+、Fe3+、Nb5+、Y3+、La3+氧化物中的至少两种；
将全部制备原料充分混合后烧结，烧结温度为1100～1300℃，形成PTC块状陶瓷材料，将所述PTC块状陶瓷材料经过研磨得到粉状PTC材料。
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| CN101887960A (zh) * | 2010-07-13 | 2010-11-17 | 清华大学 | 锂离子电池极耳及具有该极耳的锂离子电池 |
| CN104201327A (zh) * | 2014-08-14 | 2014-12-10 | 中天储能科技有限公司 | 一种锂离子储能电池极片及其制作方法 |
| CN107768589A (zh) * | 2016-08-15 | 2018-03-06 | 万向二三股份公司 | 一种高安全型高能量密度锂离子电池 |
| CN113651612A (zh) * | 2021-08-13 | 2021-11-16 | 湖州南木纳米科技有限公司 | 钛酸钡系ptc热敏陶瓷材料及其在锂电池中的应用 |
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2022
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