CN208256852U - 一种固态锂离子电池及电池系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种固态锂离子电池，包括：固态锂离子电池电芯；温度采集器，其用于采集所述固态锂离子电池电芯的温度信息；产热装置，所述产热装置产生热量并传递至所述固态锂离子电池电芯；控制开关，所述固态锂离子电池电芯、所述温度采集器、所述产热装置及所述控制开关形成加热电路，当所述固态锂离子电池电芯达到预定温度时，所述控制开关控制所述加热电路断开或闭合。本实用新型还公开了一种电池系统。
Description
技术领域
本实用新型涉及电池技术领域，尤其涉及一种固态锂离子电池及电池系统。
背景技术
固态锂离子电池属于锂离子电池的一种。绝大多数固态电解质由于常温下离子电导率低(10-4～10-3S/m)，导致固态锂离子电池大电流充放电能力差，因此倍率和功率性能受限。
某些固态电解质如LLZO和Li0.33La0.69TiO3，常温下有高10-4～10-3S/cm的离子电导率；但这些材料生产环境普遍要求比较苛刻，需要在高温1000℃以上温度长时间烧结。某些硫化物电解质如Li10GePS12、Li7P3S11和Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3，常温下更有高达10-3～10- 2S/cm的离子电导率；但这些硫化物电解质对金属锂不稳定，在大电流时有被锂枝晶刺穿的可能，与电极的接触状况在卸去外加压力时又迅速恶化。另外，聚合物电解质需要在高于其融点以上的温度去工作，如聚氧化乙烯(PEO)基电解质一般要在高于60℃以上的温度下才能具有较高的离子电导率。
同时，为提升固态锂离子电池能量密度，金属锂则是理想的固态锂离子电池负极材料，然而锂金属的贮存、运输有相当严格的安全要求(GB/T 4369-2015 锂)。同时，硫化物固态电解质与空气中水反应会生成H2S有毒气体的问题，虽然已有缓解的措施，但对于实用化学来说，结果仍不理想，这些局限都影响了固态电池的推广应用。
如果采用对固态锂离子电池加热升温的方式，让电池在相对较高的温度状态下去工作，可以解决固态锂离子电池离子电导率偏低的问题，进而提升固态锂离子电池的倍率和能量性能。然而，一般的加热方式，如中国专利(一种锂离子电池自加热装置及方法,CN104282965A)，需额外配备电源给加热丝供电，且加热时间10min左右，升温速度非常慢，也同样限制固态锂离子电池的推广应用。
因此，有必要开发一种具有温度调节能力的固态锂离子电池：在非工作状态下，电化学性能不活泼，表现为高的安全性；当需要工作时(例如充电或放电)，在很短的时间内(<5min)，电池的温度以可控的手段快速升高，从而表现出正常的电性能。这样不仅可以提高在固态锂离子电池在非工作状态时的安全性能，又能拓宽固态电解质的选择范围、拓宽固态锂离子电池的使用环境温度区间，推动固态锂离子电池的推广应用。
实用新型内容
本实用新型提供了一种固态锂离子电池，其技术方案为：一种固态锂离子电池，包括：固态锂离子电池电芯；温度采集器，其用于采集所述固态锂离子电池电芯的温度信息；产热装置，所述产热装置产生热量并传递至所述固态锂离子电池电芯；控制开关，所述固态锂离子电池电芯、所述温度采集器、所述产热装置及所述控制开关形成加热电路，当所述固态锂离子电池电芯达到预定温度时，所述控制开关控制所述加热电路断开或闭合。
进一步地，当所述固态锂离子电池电芯低于预定温度时，所述控制开关根据所述温度采集器发送而来的信号而闭合并使所述产热装置产生热量；当所述固态锂离子电池电芯等于或高于预定温度时，所述控制开关根据所述温度采集器发送而来的信号而断开所述加热电路。
进一步地，包括充电装置，所述充电装置与所述固态锂离子电池电芯形成充电电路。
进一步地，当充电装置对所述固态锂离子电池电芯充电时，若所述固态锂离子电池电芯温度低于预定温度，控制开关闭合并使所述充电装置与所述产热装置连接，若所述固态锂离子电池电芯温度等于或高于预定温度时，所述控制开关将所述充电装置与所述产热装置断开，并使充电装置与所述固态锂离子电池电芯连接。
进一步地，所述固态锂离子电池电芯为卷绕式或叠片式。
进一步地，所述固态锂离子电池电芯包括平均粒径为10-20μm的正极活性材料。
进一步地，所述固态锂离子电池电芯包括平均粒径为15-30μm的负极活性材料。
进一步地，所述固态锂离子电池电芯包括在25℃时下离子电导呈电化学惰性特征的固态电解质或半固态电解质。
进一步地，所述温度采集器为热电偶或热敏电阻。
进一步地，所述产热装置由可产生焦耳热的金属或者无机非金属材质制成。
进一步地，所述产热装置放置于所述固态锂离子电池电芯的内部或外部。
本实用新型还提供了一种电池系统，其包括一种固态锂离子电池，该固态锂离子电池包括固态锂离子电池电芯；温度采集器，其用于采集所述固态锂离子电池电芯的温度信息；产热装置，所述产热装置产生热量并传递至所述固态锂离子电池电芯；控制开关，所述固态锂离子电池电芯、所述温度采集器、所述产热装置及所述控制开关形成加热电路，当所述固态锂离子电池电芯达到预定温度时，所述控制开关控制所述加热电路断开或闭合。
本实用新型的有益效果为：
(1)通过产热装置热量补偿，可以提高固态锂离子电池的温度适用性，使固态锂离子电池在更宽的温度范围内电导率及锂离子传输发挥到相对较高的水平。图5为某款固态锂离子电池在20℃、30℃温度下，0.1C倍率的充放电容量 -电压曲线，当固态锂离子电池温度由20℃提升到30℃后，0.1C倍率的充放电容量显著增加。
(2)通过使用大颗粒的正、负极活性材料、常温下离子电导呈电化学惰性特征的固态电解质或半固态电解质，从而保证固态锂离子电池有较高的安全性。通过设置温度采集器检测固态锂离子电池电芯的温度，在固态锂离子电池电芯的温度小于预设值时，控制开关连通加热电路，在加热电路闭合后，产热装置产生热量，传递至固态锂离子电池电芯，使得固态锂离子电池温度具备温度调节特性。图6所示，某款固态锂离子电池在加热电路闭合期间，在4min时间内，可以由-30℃迅速升温至30℃。
本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1示出了本实用新型的固态锂离子电池的结构示意图；
图2示出了本实用新型的固态锂离子电池的负载连接示意图；
图3示出了本实用新型的固态锂离子电池的连接结构示意图；
图4示出了本实用新型的固态锂离子电池的充电连接示意图；
图5示出了某款固态锂离子电池在20℃、30℃温度下，0.1C倍率的充放电容量-电压曲线；
图6示出了某款固态锂离子电池在加热电路闭合期间，在4min时间内的温度变化曲线。
附图标记说明：
| 1、固态锂离子电池电芯 | 2、温度采集器 |
| 3、控制开关 | 4、产热装置 |
| 5、负载 | 6、充电装置 |
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1-2所示，一种固态锂离子电池，固态锂离子电池电芯1和温度采集器2，该温度采集器2用于采集固态锂离子电池芯体1的温度信息，具体地，该温度采集器2可为热电偶或热敏电阻。该固态锂离子电池还包括产热装置4，该产热装置4与固态锂离子电池电芯1相连，控制开关3与产热装置4相连。具体地，产热装置可采用产生焦耳热的金属或者非金属材质制成。进一步地，温度固态锂离子电池电芯1、温度采集器2、产热装置4、控制开关3形成一加热电路。此外，该固态锂离子电池与负载5连接，负载5与固态锂离子电池电芯1 组成电池工作电路。
进一步地，固态离子电池电芯1的正负极使用大颗粒活性材料、常温下离子电导呈电化学惰性特征的固态电解质或半固态电解质，从而保证固态锂离子电池在常温搁置时具有较高的安全性。具体地，固态锂离子电池电芯1包括大颗粒的正负极活性材料，其中大颗粒正极材料的平均粒径为10-20μm，大颗粒负极活性材料的平均粒径为15-30μm。
进一步地，如图3所示，产热装置4设置于固态锂离子电池电芯1的正负极片之间，控制开关3设置于产热装置4与固态锂离子电池电芯1之间。产热装置4的一极耳与控制开关3连接，另一极耳与固态锂离子电池电芯1的负极极耳连接。具体为：固态锂离子电池电芯1包括两个极耳11、12，产热装置4 包括两个极耳41、42。产热装置4的极耳41通过导线与固态锂离子电池电芯1 的12极耳连接，产热装置4的极耳42通过导线与控制开关3连接，固态锂离子电池电芯1的极耳11通过导线与控制开关3连接。
进一步地，在一个实施例中，当固态锂离子电池电芯1达到预定温度时，控制开关3控制加热电路断开或闭合。具体地，当固态锂离子电池电芯1低于预定温度时，控制开关3根据温度采集器2发送而来的信号而闭合并使产热装置产生热量；当固态锂离子电池电芯1等于或高于预定温度时，控制开关3根据温度采集器2发送而来的信号而断开加热电路。再具体地，固态锂离子电池电芯1作为工作卷芯，为整个锂离子电池提供能量；利用设置于固态锂离子电池电芯1上的温度采集器2来检测其温度值。其中固态锂离子电池电芯1的温度检测点为T1＝30℃(即预定温度)。在固态锂离子电池电芯1准备对负载5做功前，首先用温度采集器2检测固态锂离子电池电芯1的温度，如果固态锂离子电池电芯1的温度小于T1，温度采集器2可产生信号，将信号发送至控制开关3，控制开关3根据信号处于闭合状态，此时产热装置4产生热量并传递至固态锂离子电池电芯1，使得固态锂离子电池电芯1的温度升高；然后温度采集器 2检测到固态锂离子电池电芯1的温度大于或等于T1，向控制开关3发送第二信号，控制开关3断开加热电路。此时固态锂离子电池电芯1处于较高温度状态，能量和功率性能良好，最后向负载5做功。在该实施例中，通过温度采集器2获取固态锂离子电池电芯1的温度，根据温度的高低来对控制开关3进行干预，通过控制开关3及时有效的调节固态锂离子电池电芯1的温度，保证固态锂离子电池良好的使用性能。
进一步地，在另一个实施例中，如图4所示，该固态锂离子电池还包括充电装置6，充电装置6、温度采集器2、产热装置4、控制开关3形成一加热电路；充电装置6与固态锂离子电池电芯1组成电池充电电路。具体地，当充电装置6对固态锂离子电池电芯1充电时，若固态锂离子电池电芯1温度低于预定温度，控制开关3闭合并使充电装置6与产热装置4连接，若固态锂离子电池电芯1温度等于或高于预定温度时，控制开关3将充电装置6与产热装置4断开，并使充电装置6与固态锂离子电池电芯1连接。再具体地，充电装置6 为整个锂离子电池提供能量。利用设置于固态锂离子电池电芯1上的温度采集器2来检测固态锂离子电池电芯1的温度值。其中固态锂离子电池电芯1的温度检测点为T1＝30℃(即预定温度)。当充电装置准备对固态锂离子电池电芯1 充电时，首先用温度采集器2检测固态锂离子电池电芯1的温度，如果固态锂离子电池电芯1的温度小于T1，温度采集器2可产生信号，将信号发送至控制开关3，控制开关3根据信号将充电装置6与产热装置4连接，此时产热装置4 产生热量并传递至固态锂离子电池电芯1，使得固态锂离子电池电芯1的温度升高；然后温度采集器2检测到固态锂离子电池电芯1的温度大于或等于T1，向控制开关3发送第二信号，控制开关3根据第二信号将充电装置6与产热装置4 断开，将充电装置6与固态锂离子电池电芯1连接，充电装置6开始向固态锂离子电池电芯1充电。此时固态锂离子电池电芯1处于较高温度状态，充电性能良好，显著提高固态锂离子电池充电容量。在该实施例中，通过温度采集器2获取固态锂离子电池电芯1的温度，根据温度的高低来对控制开关3进行干预，通过控制开关3及时有效的调节充电装置6接入状态，提高固态锂离子电池电芯1的温度，保证固态锂离子电池良好的充电性能。
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种固态锂离子电池，其特征在于，包括：
固态锂离子电池电芯；
温度采集器，其用于采集所述固态锂离子电池电芯的温度信息；
产热装置，所述产热装置产生热量并传递至所述固态锂离子电池电芯；
控制开关，所述固态锂离子电池电芯、所述温度采集器、所述产热装置及所述控制开关形成加热电路，当所述固态锂离子电池电芯达到预定温度时，所述控制开关控制所述加热电路断开或闭合。
2.如权利要求1所述的固态锂离子电池，其特征在于，当所述固态锂离子电池电芯低于预定温度时，所述控制开关根据所述温度采集器发送而来的信号而闭合并使所述产热装置产生热量；当所述固态锂离子电池电芯等于或高于预定温度时，所述控制开关根据所述温度采集器发送而来的信号而断开所述加热电路。
3.如权利要求1所述的固态锂离子电池，其特征在于，包括充电装置，所述充电装置与所述固态锂离子电池电芯形成充电电路。
4.如权利要求3所述的固态锂离子电池，其特征在于，当充电装置对所述固态锂离子电池电芯充电时，若所述固态锂离子电池电芯温度低于预定温度，控制开关闭合并使所述充电装置与所述产热装置连接，若所述固态锂离子电池电芯温度等于或高于预定温度时，所述控制开关将所述充电装置与所述产热装置断开，并使充电装置与所述固态锂离子电池电芯连接。
5.如权利要求4所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述固态锂离子电池电芯为卷绕式或叠片式。
6.如权利要求1-5中任一项所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述固态锂离子电池电芯包括平均粒径为10-20μm的正极活性材料。
7.如权利要求1-5中任一项所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述固态锂离子电池电芯包括平均粒径为15-30μm的负极活性材料。
8.如权利要求1-5中任一项所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述固态锂离子电池电芯包括在25℃时下离子电导呈电化学惰性特征的固态电解质或半固态电解质。
9.如权利要求8所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述温度采集器为热电偶或热敏电阻。
10.根据权利要求9所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述产热装置由可产生焦耳热的金属或者无机非金属材质制成。
11.根据权利要求10所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述产热装置放置于所述固态锂离子电池电芯的内部或外部。
12.一种电池系统，其特征在于，包括权利要求1-11中任一项所述的固态锂离子电池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201820282295.XU CN208256852U (zh) | 2018-02-28 | 2018-02-28 | 一种固态锂离子电池及电池系统 |
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| CN201820282295.XU CN208256852U (zh) | 2018-02-28 | 2018-02-28 | 一种固态锂离子电池及电池系统 |
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|---|---|
| CN208256852U true CN208256852U (zh) | 2018-12-18 |
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| CN (1) | CN208256852U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110212260A (zh) * | 2018-02-28 | 2019-09-06 | 中信国安盟固利动力科技有限公司 | 一种固态锂离子电池及电池系统 |
| EP3713008A4 (en) * | 2019-01-17 | 2021-03-10 | Risesun Mengguli New Energy Science & Technology Co., Ltd. | INTERNAL HEATING LITHIUM-ION BATTERY |
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2018
- 2018-02-28 CN CN201820282295.XU patent/CN208256852U/zh active Active
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