CN207852829U

CN207852829U - 一种复合电芯及电化学储能器件

Info

Publication number: CN207852829U
Application number: CN201721242002.7U
Authority: CN
Inventors: 吉纯; 蒋世用; 钟宽; 李影; 曾庆苑; 段科; 王晋; 陈宝荣; 李乾乾
Original assignee: Gree Electric Appliances Inc of Zhuhai
Current assignee: Gree Electric Appliances Inc of Zhuhai
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2018-09-11
Anticipated expiration: 2027-09-26

Abstract

本实用新型提供一种复合电芯及电化学储能器件。该复合电芯包括电芯主体，所述电芯主体表面上覆盖有多孔相变材料层。该复合电芯具有较好的散热性能和较好的电解液保持能力。

Description

一种复合电芯及电化学储能器件

技术领域

本实用新型属于电池领域，具体涉及一种复合电芯及电化学储能器件。

背景技术

锂离子电池由于具有高放电电压、高能量密度、高功率密度以及良好的循环性能，已经在手机、相机、手提电脑等便携式电子设备中得到广泛应用，也是新一代混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)的优秀动力源。然而，锂离子电池在充放电的过程中，容易产生热量，而产生的热量如果不能及时散出，不仅会降低电池的容量，还有可能因为高温触发电池内部的放热反应，造成热失控，引发火灾、爆炸等危险，因此为了提高锂离子电池的安全性，提高散热非常必要。

目前对锂离子电池的散热主要体现在两个方面，一方面是从电池本身来改善，主要是通过锂电池材料配方或电解液等成分，以及锂电池结构优化，针对单电池及电池模组自行散热；另一方面是借助外界的冷却方式来对电池进行散热处理，针对电池应用环境所做的电池热管理。

申请号为201310292980.2的专利公开了一种超轻聚合物锂离子电池，其结构为碳纳米纸负极和碳纳米纸正极中间夹层隔膜，多层交替叠放或呈卷绕叠放，聚合物电解质均匀分布与电池内，并充分渗透到碳纳米纸正负极的网格结构中。

申请号为201510223913.4的专利公开了一种在锂离子电池中使用柔性石墨纸替代铝箔和铜箔，作为负载电极材料活性物质的集流体的方法。

申请号201610672133.2的专利公开了一种锂电池用导热铝塑复合膜极其制造方法，对基底材料的双面进行预处理、在基底材料经过预处理的一面涂覆涂料，在铝箔表面进行水洗、涂敷上钝化阻隔层和下钝化阻隔层、上粘合层和下粘合层，使铝塑膜拥有良好的导热性能。

实用新型内容

本实用新型一方面提供一种复合电芯，包括电芯主体，所述电芯主体上覆盖有多孔相变材料层。

相比于致密无孔相变材料层，多孔相变材料层具有与电解液具有更大的接触面积，因而散热性能更好。另外，多孔相变材料层能还能够在孔中存储电解液，避免电解液流失，起到提高电池保液量的作用。另外，多孔相变材料层还具有较低的密度，能够降低电池的质量，提高电池的能量密度。

在一个实施方案中，所述多孔相变材料层具有海绵状的多孔结构。

在一个实施方案中，所述多孔相变材料层具有毛细多孔结构。

在一个实施方案中，所述多孔相变材料层上有孔径为1～100μm的孔，例如1～50μm的孔，例如1～20μm的孔，例如1～10μm的孔。

在一个实施方案中，所述多孔相变材料层的孔隙率为10％以上，例如20～70％，例如30～60％。

在一个实施方案中，所述多孔相变材料层的厚度为20～500μm，例如20～300μm，例如20～100μm。

多孔相变材料可以是“陈立萌,朱孝钦,周新涛,等.多孔基复合相变材料的制备与研究进展[J].材料导报,2016,30(7):127-132.”中记载的任一种多孔基复合相变材料。

在一个实施方案中，所述多孔相变材料层含有石蜡、硬脂酸、二十二烷、正二十二烷、十六烷、正十八烷、聚乙二醇或十四烷醇。

在一个实施方案中，所述多孔相变材料层中含有无机纳米颗粒，例如ZnO、Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO或SiO₂等金属氧化物纳米颗粒，添加量优选为1％～5％。

在一个实施方案中，所述多孔相变材料层中含有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酰胺、环氧树脂、酚醛树脂等，含量优选为10％～35％。

在一个实施方案中，所述电芯主体为方形(或长方体)，所述多孔相变材料层覆盖于方形(或长方体)未封装裸电芯主体两侧的表面上。

在一个实施方案中，所述多孔相变材料层平铺在电芯主体两侧表面，多孔相变材料层厚度优选为5～40μm，宽度优选比电芯主体宽度小2～10mm，长度优选比不含极耳的电芯主体长度小2～10mm。

在一个实施方案中，所述电芯主体包括正极、负极和隔膜，隔膜位于正极和负极之间。

在一个实施方案中，所述电芯主体是为卷绕结构或叠片结构。例如电芯主体由电极片卷绕而成或由电极片层叠而成。电极片由正极、隔膜和负极依次层叠而成。

本实用新型一方面提供一种电化学储能器件，包括密封的外壳，所述外壳内有电解液和权利要求1所述的复合电芯，所述复合电芯浸泡在所述电解液中。

在一个实施方案中，所述外壳为刚性外壳或软包外壳。

在一个实施方案中，电化学储能器件为锂离子电池。

在一个实施方案中，本实用新型的相变材料是指在30～60℃范围(例如40～50℃)内能够发生由固态向液态转变的材料。

本实用新型任一实施方案具有以下一项或多项有益效果：

本实用新型拟采用优化电芯结构的方式来改善散热，相较于配方优化，这种方式操作简单，验证方便，而相比于借助外界冷却，此方法针对电芯本身改善散热，不受限于应用环境，不需要提供额外的散热装置。

一个或多个实施方案的复合电芯或电化学储能器件表现出以下一项或多项有益效果：

1)较高的充放电比容量；

2)较好的倍率性能；

3)较高的库伦效率；

4)较低的内阻；

5)较低的成本；

6)较低的电池温度；

7)较好的安全性能；

8)较高的保液能力(电解液保持能力)；

9)较长的循环寿命；

10)较好的抗震抗压能力。

附图说明

图1为实施例1的复合电芯的正视图(a)和侧视图(b)；

其中：电芯主体10，多孔相变材料层20；

图2为实施例1和对比例1的电池温度随循环周数的变化曲线；

图3为实施例2和对比例2的电池温度随循环周数的变化曲线。

具体实施方式

现在将详细提及本实用新型的具体实施方案。具体实施方案的例子图示在附图中。尽管结合这些具体的实施方案描述本实用新型，但应认识到不打算限制本实用新型到这些具体实施方案。相反，这些实施方案意欲覆盖可包括在由权利要求限定的实用新型精神和范围内的替代、改变或等价实施方案。在下面的描述中，阐述了大量具体细节以便提供对本实用新型的全面理解。本实用新型可在没有部分或全部这些具体细节的情况下被实施。在其它情况下，为了不使本实用新型不必要地模糊，没有详细描述熟知的工艺操作。

当与本说明书和附加权利要求中的“包括”、“装置包括”或类似语言联合使用时，单数形式“某”、“某个”、“该”包括复数引用，除非上下文另外清楚指明。除非另外定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1和对比例1

1.将154g石蜡与40g高分子聚乙烯分别加热到熔融状态，混合并充分搅拌，在125℃温度下恒温保持1h；

2.将6g纳米Al₂O₃缓缓加入上一步的熔融混合物中，搅拌2h；

3.将上一步的产物冷却凝固，制成厚度150μm薄片，获得具有多孔结构的相变材料膜，其孔隙率为53.7％，平均孔径为3.36μm；

4.以钴酸锂为正极，石墨为负极分别按常规配比制成厚度正负极极片，用隔膜将正负极极片隔开，获得电极片，将电极片以常规方形卷绕锂离子电池制作工艺制成电芯主体；

5.将制得的电芯主体分为两类：

实施例1的电芯主体的两侧表面覆盖上述的多孔相变材料薄膜。

对比例1的电芯主体不覆盖上述多孔相变材料膜。

将实施例1和对比例1的电芯用相同的工艺以铝塑膜封装，注入浓度1mol/L的LiFP₆乙基碳酸酯(EC)和二甲基碳酸酯(DMC)(体积比为1:1)的电解液，分别获得实施例1和对比例1的软包锂离子电池，电池规格长91mm，宽65mm，厚3.5mm。

6.将实施例1和对比例1锂离子电池在3-4.2V电压范围、1500mA电流密度下进行循环充放电测试，及常温、高温短路测试，测试过程中通过热电偶实时监测电芯表面温度。实验结果如下表1所示。

实施例1的电池比对比例1的电池最高表面温度低17.3℃，常温短路测试通过率高8.04％，高温短路测试通过率高5.72％，在300次循环后，实施例1的电池的容量保持率为98.74％，对比例1的电池的电容量保持率为93.28％。

实施例2和对比例2

2.将6g纳米Al₂O₃缓缓加入到上一步的熔融混合物中，搅拌2h；

3.将上一步的产物冷却凝固，制成厚度150μm薄片，获得多具有多孔结构的相变材料膜，其孔隙率为54.8％，平均孔径为4.12μm；

4.将154g石蜡，加热到熔融状态，制成厚度150μm薄片；

5.以钴酸锂为正极，石墨为负极分别按常规配比制成厚度正负极极片，用隔膜将正负极极片隔开，获得电极片，将电极片以常规方形卷绕锂离子电池制作工艺制成电芯主体(长91mm，宽65mm，厚3.5mm)；

6.将制得的电芯主体分为两类：

实施例2的电芯主体的两侧表面覆盖上述的多孔相变材料薄膜。

对比例2的电芯主体的两侧表面覆盖纯石蜡制得的相变材料薄片(不具有多孔结构)。

将实施例2和对比例2的电芯用相同的工艺以铝塑膜封装，注入浓度1mol/L的LiFP₆乙基碳酸酯(EC)和二甲基碳酸酯(DMC)(体积比为1:1)的电解液，分别获得实施例2和对比例2的软包锂离子电池，电池规格长91mm，宽65mm，厚3.5mm。

实施例3和对比例3

1.将30g石墨粉，压制成厚度具有多孔结构的石墨层；

2.将170g硬脂酸，加热到熔融状态，将熔融状态的硬脂酸缓缓添加到石墨中，待石墨将硬脂酸均匀吸附后，将相变材料制成厚度150μm薄片，获得具有多孔结构的相变材料膜，其孔隙率为36.9％，平均孔径为5.2μm；

3.以钴酸锂为正极，石墨为负极分别按常规配比制成厚度正负极极片，用隔膜将正负极极片隔开，获得电极片，将电极片以常规方形卷绕锂离子电池制作工艺制成电芯主体(长91mm，宽65mm，厚3.5mm)；

4.将制得的电芯主体分为两类：

实施例3的电芯主体的两侧表面覆盖上述的多孔相变材料薄膜。

对比例3的电芯主体不覆盖多孔相变材料层。

将实施例1和对比例1的电芯用相同的工艺以铝塑膜封装，注入浓度1mol/L的LiFP6乙基碳酸酯(EC)和二甲基碳酸酯(DMC)(体积比为1:1)的电解液，制成实施例3和对比例3的软包锂离子电池，电池规格长91mm，宽65mm，厚3.5mm。

电池性能测试：

(1)将实施例1～3和对比例1～3的软包锂离子电池在3-4.2V电压范围、1500mA电流密度下进行300周循环充放电测试，常温短路测试、高温短路测试，测试过程中通过热电偶实时监测电芯表面温度。测得电芯表面最高温度、常温短路测试通过率、高温短路测试通过率、初始放电容量、300周放电容量、300周容量保持率如下表1所示。

(2)还检测了封装电池过程中，二封前和二封后电池的重量差，以评估电池保液量。

如表1所示，相比于对比例3，实施例3的电池电芯表面最高温度较低，常温短路测试和高温短路测试的通过率都较高，初始放电容量较高，300周后放电容量较高，300周容量保持率较高，说明实施例3的电池电性能较好；另外，实施例3的电池二封前质量和二封后质量相差较低，说明实施例3的电池保液量较高。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims

1.一种复合电芯，包括电芯主体，其特征在于，所述电芯主体表面上覆盖有多孔相变材料层；

所述相变材料是指在30～60℃范围内能够发生由固态向液态转变的材料。

2.根据权利要求1所述的复合电芯，所述多孔相变材料层具有毛细多孔结构。

3.根据权利要求1所述的复合电芯，所述多孔相变材料层的孔隙率为10％以上。

4.根据权利要求1所述的复合电芯，所述多孔相变材料层上有孔径为1～100μm的孔。

5.根据权利要求1所述的复合电芯，所述多孔相变材料层的厚度为20～500μm。

6.根据权利要求1所述的复合电芯，所述多孔相变材料层含有石蜡、硬脂酸、二十二烷、正二十二烷、十六烷、正十八烷、聚乙二醇或十四烷醇。

7.根据权利要求1所述的复合电芯，所述电芯主体包括正极、负极和隔膜，隔膜位于正极和负极之间。

8.根据权利要求1所述的复合电芯，所述电芯主体为卷绕结构或叠片结构。

9.一种电化学储能器件，包括密封的外壳，所述外壳内有电解液和权利要求1～8任一项所述的复合电芯，所述复合电芯浸泡在所述电解液中。

10.根据权利要求9所述的电化学储能器件，所述外壳为刚性外壳或软包外壳。

11.根据权利要求9所述的电化学储能器件，所述电化学储能器件为锂离子电池。