CN116589985B - 一种用于锂电池多温度热管理的合金相变材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于锂电池多温度热管理的合金相变材料，属于锂电池技术领域，通过不同多孔材料‑低熔点合金的配比，制备出的复合材料融化后无液体流出，多孔材料电阻率提升4个数量级，热导率与纯金属相比降低幅度小于20%；本发明在复合金属相变材料热管理作用下，低温时施加小电压，电池可以快速均匀加热；电池工作过程中产生的热量可以被相变材料吸收，防止电池超过60℃的安全上限，同样维持较好的温度均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种用于锂电池多温度热管理的合金相变材料。
背景技术
锂电池热管理的要求是保证锂电池在充放电过程中工作在合理的温度范围内，避免温度过高或过低导致电池性能下降、寿命缩短或安全隐患；通常锂电池的适宜温度范围是20-50℃，电池组内的温差应控制在5℃以内。
相变冷却是一种能够利用相变材料的潜热储存特性，将电池产生的热量吸收并储存起来，在需要时释放出来，优点是温度稳定、无噪音。相变材料热管理目前主要采用有机相变材料，但是有机相变材料存在热导率低、蒸气压大、易燃等特点。低熔点金属作为一种新型相变材料，具有有机材料不具备的优势，其储热密度大，单位体积内能够储存和释放大量的热量；导热性能好，热导率高，比有机相变材料0.2W/m•K可以提升2个数量级，从而能够快速传递热量，减少温度梯度；热稳定性好，不易发生相分离、降解或者挥发；可以通过调节合金成分来改变相变温度，满足不同的应用需求。
但是金属熔化后也会变成具有流动性的液体，造成泄漏风险。如果将金属与多孔材料进行复合，可以解决其液漏问题，使其熔化后保持定型特性。而且通过多孔材料调节低熔点金属的导电性，增大其电阻，同时保留其较好的导热，可以在小电流情况下快速加热电池；应用于电池热管理可以解决电池宽温域热管理问题。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于锂电池多温度热管理的合金相变材料，本发明将相变材料包裹电池后，一方面，低温下对导电相变材料通电可以快速均匀加热电池；另一方面，20-50℃范围内，金属可以吸收电池产生的热量相变，对电池进行冷却。一旦电池发生热失控，相变材料可以将电池产生的热量迅速传递至其他电池，利用电池模组整体显热对热失控电池降温，防止热失控传播。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种用于锂电池多温度热管理的合金相变材料，由多孔基材与低熔点金属组成，所述多孔基材与低熔点金属的质量比为1:1-10。
进一步方案为，所述低熔点金属为铟、铋、锡、镓或铟、铋、锡、镓四种金属的合金，合金中各组分质量比为49.6-50.7：31.6-32.3：16-16.3：0.7-2.8，且所述低熔点金属的熔点范围为30-55℃，密度为5-8g/cm3，相变焓为20-60 J/g，热导率5-100W/m·K，电阻率0.0001-0.8Ω·cm。
进一步方案为，所述相变材料具有以下性能：在低温（<0℃）时，单电池施加0.1-2V电压，以5-25℃/min速率提高电池温度，电池平均温差小于5℃实现锂离子电池的加热；在中温（20-50℃）时，通过相变材料从固态转化为液态，吸收热量，实现锂离子电池的冷却，控制电池温度小于60℃，温差小于5℃。
进一步方案为，所述多孔基材为膨胀石墨、氧化铝、氧化镁、氮化硼中的一种或多种。
本发明另一方面还提供了一种锂离子电池组件，包括至少一个锂离子电池单体；以及
包裹在所述锂离子电池单体外部的相变材料层；
所述相变材料层为上述的合金相变材料。
进一步方案为，锂离子电池组件还包括连接在所述相变材料层上的电极片，用于向所述相变材料层提供电流；
以及连接在所述电极片上的温度传感器，用于检测所述相变材料层的温度。
本发明的有益效果在于：
通过不同多孔材料-低熔点合金的配比，制备出的复合材料融化后无液体流出，多孔材料电阻率提升4个数量级，热导率与纯金属相比降低幅度小于20%。
在复合金属相变材料热管理作用下，低温时施加小电压，电池可以快速均匀加热；电池工作过程中产生的热量可以被相变材料吸收，防止电池超过60℃的安全上限，同样维持较好的温度均匀性。
电池发生热失控的情况下，电池产生的热量可以迅速被传导开，避免局部过热，从而起到防止电池热失控传播的作用，避免电池包爆炸。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要实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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明电池热管理结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
电池热管理的结构如图 1所示，将实施例1制备的1-5mm的合金相变材料包覆在锂离子电池表面。合金相变材料两侧分别焊接一根电极片，用于连接电源对电池加热。
工作过程中，电池产生量通过热传导方式直接被相变材料吸收。电池模组由多个电池串联并联形成，热管理结构也可以通过简单的阵列和加热电极的串并联扩展成不同规模的模组结构。
本发明所述相变材料具有以下性能：在低温（<0℃）时，单电池施加0.1-2V电压，以5-25℃/min速率提高电池温度，电池平均温差小于5℃实现锂离子电池的加热；在中温（20-50℃）时，通过相变材料从固态转化为液态，吸收热量，实现锂离子电池的冷却，控制电池温度小于60℃，温差小于5℃。
实施例2
采用铟In铋Bi锡Sn镓Ga按质量比50.7In32.3Bi16.3Sn0.7Ga熔融并冷却制备得到相变温度49℃相变材料；将质量分数80-90%的合金与10-20%氧化镁复合，制备得到合金/氧化镁复合材料；将复合材料密度7g/cm3，厚度为1mm的片层材料，70℃环境下材料的失重率小于1%，无明显液相泄漏；其电阻率为0.002Ω·cm，热导率8W/m·K，相变焓为34 kJ/kg；-20℃环境下，用于1个长宽高分别为100mm、60mm和6mm且容量为5Ah电池，材料两端焊接铜电极片；施加2A电流，电池加热速率可达7.6℃/min；加热至15℃停止加热，满充的电池以10A电流放电，电池最高温不超过49.4℃。
实施例3
采用铟In铋Bi锡Sn镓Ga按质量比49.6In31.6Bi16.0Sn2.8Ga熔融并冷却制备得到相变温度41℃相变材料；将质量分数80-90%的合金与10-20%立方氮化硼纳米颗粒复合，制备得到合金/氮化硼复合材料，60℃环境下材料的失重率小于1%，无明显液相泄漏；材料密度7g/cm3，厚度为1.5mm的片层材料，其电阻率为0.05Ω·cm，热导率12W/m·K，相变焓28kJ/kg；材料包裹多个长宽高分别为100mm、60mm和6mm且容量为5Ah电池，6个电池模块并排放置，加热电极串联联接；材料两端焊接石墨电极，电极串联；施加0.8A电流，电池加热速率可达22.3℃/min，温差4.2℃；加热至35℃时开始以10A电流放电，电池最高温度52.5℃，最大温差3.7℃。
实施例4
采用铟In铋Bi锡Sn镓Ga按质量比50.3In32.1Bi16.2Sn1.4Ga熔融并冷却制备得到相变温度44℃相变材料；将质量分数80-90%的合金与10-20%立方氮化硼纳米颗粒复合，制备得到合金/氮化硼复合材料，60℃环境下材料的失重率小于1%，无明显液相泄漏；材料密度7g/cm3，厚度为1.5mm的片层材料，其电阻率为0.0005Ω·cm，热导率80W/m·K，相变焓36kJ/kg；材料包裹多个长宽高分别为100mm、60mm和6mm且容量为5Ah电池，18个电池2并9传并排放置，加热电极串联联接；25℃环境下，当其中一个电池被针刺触发热失控时，针刺电池温度上升至150℃，其他电池最高温度上升至68℃，平均温升20℃，未发生热失控传播，避免了电池爆炸。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (4)
1.一种用于锂电池多温度热管理的合金相变材料，其特征在于，由多孔基材与低熔点金属组成，所述多孔基材与低熔点金属的质量比为1:1-10；
所述低熔点金属为铟、铋、锡、镓四种金属的合金，合金中各组分质量比为49.6-50.7：31.6-32.3：16-16.3：0.7-2.8；
所述多孔基材为膨胀石墨、氧化铝、氧化镁、氮化硼中的一种或多种；
所述低熔点金属的熔点范围为30-55℃，密度为5-8g/cm3，相变焓为20-60 J/g，热导率5-100W/m·K，电阻率0.0001-0.8Ω·cm。
2.如权利要求1所述的一种用于锂电池多温度热管理的合金相变材料，其特征在于，所述相变材料具有以下性能：在温度<0℃时，单电池施加0.1-2V电压，以5-25℃/min速率提高电池温度，电池平均温差小于5℃实现锂离子电池的加热；在温度20-50℃时，通过相变材料从固态转化为液态，吸收热量，实现锂离子电池的冷却，控制电池温度小于60℃，温差小于5℃。
3.一种锂离子电池组件，其特征在于，包括至少一个锂离子电池单体；以及
包裹在所述锂离子电池单体外部的相变材料层；
所述相变材料层为根据权利要求1-2任一项所述的合金相变材料。
4.如权利要求3所述的一种锂离子电池组件，其特征在于，还包括连接在所述相变材料层上的电极片，用于向所述相变材料层提供电流；
以及连接在所述电极片上的温度传感器，用于检测所述相变材料层的温度。
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