CN214477633U - 一种密封式热管理结构及锂离子电池电芯 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及锂电池散热技术领域，公开了一种密封式热管理结构及锂离子电池电芯，密封式热管理结构包括相变材料层和高分子薄膜，高分子薄膜包覆在相变材料层外形成密封结构。锂离子电池电芯包括电极片和密封式热管理结构，密封式热管理结构粘结于电极片的电极集流体的空白表面上，可设置任意数目及位置。本实用新型提出了一种密封式热管理结构，其设于锂电池电芯内部进行散热工作时，相变材料不会与电池电芯及电解液接触，因而不仅能够提高电芯内结构的热传导，达到更好的散热效果，并且有效增加了热管理结构自身的工作循环次数和使用寿命，同时有效避免因相变材料物质的干扰导致的电池储能特性衰减或安全隐患，有效保障电池安全性。

Description

一种密封式热管理结构及锂离子电池电芯

技术领域

本实用新型涉及锂电池散热技术领域，特别是涉及一种密封式热管理结构及锂离子电池电芯。

背景技术

在锂离子电池使用中，由于单体电芯自身具有一定的内阻，在输出电能的同时会产生一定的热量，使得自身温度变高，当自身温度超出其正常工作温度范围间时，有涨液，爆炸等风险，会大大影响电池的性能和寿命。因此，电池和电芯的及时散热显得尤为重要。

由于散热的重要性，锂离子电池一般配套有热管理系统，现有的主流热管理系统的种类包括：直冷系统、冷却液冷却系统、空气冷却系统和相变材料冷却系统。

相变材料冷却系统作为一种被动热管理系统，由于具有高效，紧凑和轻便的特点，近年来越来越受到人们的重视。相变材料以潜热的形式存储热量，在几乎恒定的温度下从固态到液态或液态到气态发生相变。

现有技术的相变材料冷却系统一般将相变散热材料直接涂覆在电芯极片上，相变散热材料直接和极片以及电解液接触。这种结构存在以下缺点：

(1)相变散热材料中常含有石蜡等有机化合物，易溶解于锂离子电池的有机电解液，导致相变散热材料无法维持其机械强度和形貌，从而导致相变散热材料快速失效；

(2)相变散热材料直接接触电芯，导致相变散热材料随着电芯上电压的变化而发生相应化学反应，从而导致相变散热材料失效；

(3)相变散热材料溶解于电解液，电芯被相变散热材料覆盖后，影响电芯本身的储能特性，甚至出现安全隐患。

因此，现有技术亟待改进。

实用新型内容

本实用新型的目的是：本实用新型提供了一种密封式热管理结构及锂离子电池电芯，以解决现有技术的相变散热材料直接涂覆在电芯极片上导致相变散热材料容易失效以及影响电池性能及安全的技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种密封式热管理结构及锂离子电池电芯，包括：

相变材料层；

高分子薄膜，其包覆在所述相变材料层外形成密封结构。

本申请一些实施例中，所述高分子薄膜为流延聚丙烯膜。

本申请一些实施例中，所述高分子薄膜的厚度为20－100μm。

本申请一些实施例中，所述相变材料层包括膨胀石墨与相变材料，所述膨胀石墨为微观多孔结构。

本申请一些实施例中，所述相变材料由LiNO₃·3H₂O、NH₄NO₃和水组成，其中所述LiNO₃·3H₂O的含量为55－70wt％，所述NH₄NO₃的含量为27－40wt％。

本申请一些实施例中，所述相变材料由LiNO₃·3H₂O、Mg(NO₃)₂·6H₂O和KNO₃组成，其中所述LiNO₃·3H₂O的含量为55－67wt％，所述Mg(NO₃)₂·6H₂O的含量为17－31.5wt％，所述KNO₃的含量为12－18.6wt％。

本申请一些实施例中，所述相变材料由LiNO₃·3H₂O、Mg(NO₃)₂·6H₂O和NaNO₃组成，其中所述LiNO₃·3H₂O的含量为60－72wt％，所述Mg(NO₃)₂·6H₂O的含量为19－31wt％，所述NaNO₃的含量为1.9－8.6wt％。

本申请一些实施例中，所述相变材料由Mn(NO₃)₂·6H₂O、Na₂SO₄·10H₂O和KF组成，其中所述Mn(NO₃)₂·6H₂O的含量为18.6－24.7wt％，所述Na₂SO₄·10H₂O的含量为62.7－86.4wt％，所述KF的含量为2－12wt％。

本申请一些实施例中，所述相变材料由MgCl₂·6H₂O、CaCl₂·10H₂O和SrCO₃·6H₂O组成，其中所述SrCO₃·6H₂O的含量为0－5wt％，其余组分为MgCl₂·6H₂O与CaCl₂·10H₂O，且MgCl₂·6H₂O与CaCl₂·10H₂O的质量之比介于0.2－5。

本申请一些实施例中，所述相变材料为石蜡、CaCl₂·10H₂O或Na₂SO₄·10H₂O中的一种。

本申请一些实施例中，所述相变材料层为胶囊状。

本实用新型还提供一种锂离子电池电芯，包括电极片和如上任一项所述的密封式热管理结构；

所述电极片包括电极集流体和电极材料；所述电极材料涂覆于所述电极集流体上，所述电极集流体上未涂覆所述电极材料的位置为空白表面；

所述密封式热管理结构粘结于所述电极集流体的空白表面上，所述密封式热管理结构设于所述电极集流体的一端或两端或两端以及相邻的所述电极材料之间。

本实用新型实施例一种密封式热管理结构及锂离子电池电芯与现有技术相比，其有益效果在于：

本实用新型提出的一种密封式热管理结构及锂离子电池电芯，其设于锂电池电芯内部进行散热工作时，相变材料不会与电池电芯及电解液接触，因而相变材料不会参与电池内的电化学反应，并且避免了在电芯或电解液中引入新的化合物(相变材料中的物质)。因此，本实用新型的密封式热管理结构不仅能够提高电芯内结构的热传导，达到更好的散热效果，并且有效增加了热管理结构自身的工作循环次数和使用寿命，同时有效避免因相变材料物质的干扰导致的电池储能特性衰减或安全隐患，有效保障电池安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例一种密封式热管理结构的结构示意图；

图2是现有技术锂离子电池电芯的电极片的平铺状态示意图；

图3是现有技术锂离子电池电芯的电极片的卷绕状态示意图；

图4是一端设有密封式热管理结构的电极片的平铺状态示意图；

图5是一端设有密封式热管理结构的电极片的卷绕状态示意图；

图6是一端设有密封式热管理结构的电极片的卷绕状态示意图；

图7是两端设有密封式热管理结构的电极片的平铺状态示意图；

图8是两端设有密封式热管理结构的电极片的卷绕状态示意图；

图9是两端及电极材料之间均设有密封式热管理结构的电极片的平铺状态示意图；

图10是两端及电极材料之间均设有密封式热管理结构的电极片的卷绕状态示意图；

图中，1、相变材料层1；2、高分子薄膜；100、密封式热管理结构；200、电极集流体；300、电极材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参见图1，是本实用新型优选实施例的一种密封式热管理结构100，包括相变材料层1和高分子薄膜2，高分子薄膜2包覆在相变材料层1外形成密封结构。

本实用新型提出了一种密封式热管理结构，利用高分子薄膜2包覆在相变材料层1外形成密封结构，使密封式热管理结构设于锂电池电芯内部进行散热工作时，相变材料不会与电池电芯及电解液接触，因而相变材料不会参与电池内的电化学反应，并且避免了在电芯或电解液中引入新的化合物(相变材料中的物质)。因此，本实用新型的密封式热管理结构不仅能够提高电芯内结构的热传导，达到更好的散热效果，并且有效增加了热管理结构自身的工作循环次数和使用寿命，同时有效避免因相变材料物质的干扰导致的电池储能特性衰减或安全隐患，有效保障电池安全性。

本申请的一些实施例中，高分子薄膜2为流延聚丙烯膜。进一步的，高分子薄膜2的厚度为20－100μm。

流延聚丙烯薄膜(CPP薄膜)是一种无拉伸、非定向的聚丙烯薄膜，其特性如下：透明度高，平整度好；耐温性好，易变形，具一定挺刮度不失柔韧性，软化点大约为140℃；手感好，遮光，可具热封性，不易反粘；防湿防潮性能优良，具有一定的阻氧；无毒、无味、无嗅、卫生性好，密度在0.92g/cm₃；具有优良的耐热，耐酸、耐碱、耐油脂性能。由于流延聚丙烯膜的优良特性，使用流延聚丙烯膜作为包覆相变材料1的薄膜，能够保证形成的密封式热管理结构稳定可靠，有效进行热传导的同时避免对电池电芯产生影响。

相变材料层1可以由无机相变材料、有机相变材料或复合相变材料构成。

其中，无机相变材料，主要指无机水合盐相变材料，其相变潜热大，熔解温度高。主要的无机相变材料：CaCl₂·6H₂O、Na₂SO₄·10H₂O、CaBr₂·6H₂O、CH₃COONa·3H₂O等。无机相变材料虽具有导热系数大、价格便宜的优点，但存在过冷、相分离及腐蚀性强等缺陷。

有机相变材料，为多种有机物的混合体，不同晶型和不同高分子支链结构的组合，带来不同的恒温范围。这也造就了有机相变材料的一个显著优点，即能够通过不同种类材料的混合达到调节相变温度的目的。有机相变材料的另一个优点是凝固时无过冷现象。石蜡和各种酸酯都属于有机相变材料。

有机无机复合相变材料，为将有机材料和无机材料复合在一起的材料。有机无机复合相变材料主要有两种复合方式，一种是以无机材料为骨架，有机材料作为填充物，附着在骨架上，无机骨架起到支撑形状和维持力学性能的作用，有机材料起到吸收存储热量的作用；另一种是导热材料制作成纤维状，相变材料与之复合成为复合相变材料。

本申请的一些实施例中，相变材料层1由膨胀石墨与相变材料组成，膨胀石墨为微观多孔结构，当相变材料相转变成液态时，膨胀石墨起到完美的吸附作用，避免材料出现液体状态。相变材料负责热量的吸收和储存，实现温控功能。

优选的，当相变材料的相变温度在锂离子电池最优的工作温度区间内时，能够更好地保证锂离子电池温度恒定在最优的工作温度内。因此，根据上述原则，本申请提出了一些优选实施例如下：

当锂离子电池最优的工作温度区间在约16℃时，可选择组合后相变温度约为16℃的相变材料。具体的，相变材料可由LiNO₃·3H₂O、NH₄NO₃和水组成，三者总含量为100wt％，其中LiNO₃·3H₂O的含量为55－70wt％，NH₄NO₃的含量为27－40wt％，其余为水。

当锂离子电池最优的工作温度区间在约19.8℃时，可选择组合后相变温度约为19.8℃的相变材料。具体的，相变材料可由LiNO₃·3H₂O、Mg(NO₃)₂·6H₂O和KNO₃组成，三者总含量为100wt％，其中LiNO₃·3H₂O的含量为55－67wt％，Mg(NO₃)₂·6H₂O的含量为17－31.5wt％，KNO₃的含量为12－18.6wt％。

当锂离子电池最优的工作温度区间在约20℃时，可选择组合后相变温度约为20℃的相变材料。具体的，相变材料可由LiNO₃·3H₂O、Mg(NO₃)₂·6H₂O和NaNO₃组成，三者总含量为100wt％，其中LiNO₃·3H₂O的含量为60－72wt％，Mg(NO₃)₂·6H₂O的含量为19－31wt％，NaNO₃的含量为1.9－8.6wt％。

当锂离子电池最优的工作温度区间在约22℃时，可选择组合后相变温度约为22℃的相变材料。具体的，相变材料可由Mn(NO₃)₂·6H₂O、Na₂SO₄·10H₂O和KF组成，三者总含量为100wt％，其中Mn(NO₃)₂·6H₂O的含量为18.6－24.7wt％，Na₂SO₄·10H₂O的含量为62.7－86.4wt％，KF的含量为2－12wt％。

当锂离子电池最优的工作温度区间在约18－25℃时，可选择组合后相变温度约为18－25℃的相变材料。具体的，相变材料可由MgCl₂·6H₂O、CaCl₂·10H₂O和SrCO₃·6H₂O组成，三者总含量为100wt％，其中SrCO₃·6H₂O的含量为0－5wt％，其余组分为MgCl₂·6H₂O与CaCl₂·10H₂O，且MgCl₂·6H₂O与CaCl₂·10H₂O的质量之比介于0.2－5。

当锂离子电池最优的工作温度区间在约29℃时，可选择组合后相变温度约为29℃的相变材料。具体的，相变材料可为CaCl₂·10H₂O。

当锂离子电池最优的工作温度区间在约32.4℃时，可选择组合后相变温度约为32.4℃的相变材料。具体的，相变材料可为Na₂SO₄·10H₂O。

此外，相变材料还可为石蜡。

上述实施例中，相变材料层1可设为胶囊状。

上述实施例中，根据锂离子电池最优的工作温度区间对相变材料的组分及比例作出了限定，使密封式热管理结构能够更加精准地控制电芯内温度，有效增加电池安全性。

参见图2－8，本实用新型还提供一种锂离子电池电芯，包括电极片和上述密封式热管理结构100。

参见图2及图3，电极片包括电极集流体200(阴/阳极集流体)和电极材料300(阴/阳极材料)，电极材料300涂覆于电极集流体200上，电极集流体200上未涂覆电极材料300的位置为空白表面。图2为电极片示意图，图3为图2的电极片卷绕成电芯的示意图。

上述密封式热管理结构100设于电极集流体200的空白表面上，具体的，密封式热管理结构100通过流延聚丙烯膜外部的MPP粘结剂固定在电极集流体200上。

并且，密封式热管理结构100可设置任意数目，且设置位置灵活。

具体的，参见图4，密封式热管理结构100可设于电极集流体200的一端，当密封式热管理结构100设于电极集流体200的内卷端时如图5所示，当密封式热管理结构100设于电极集流体200的外卷端时如图6所示。

参见图7－8，密封式热管理结构100可设于电极集流体200的两端。

参见图9－10，密封式热管理结构100可设于电极集流体200的两端以及电极材料300之间。

综上，本实用新型提出了一种密封式热管理结构，适用于锂离子电池的卷绕电芯结构中(包括但不仅限于圆柱电池、软包电池、方形电池等)，通过在集流体上增加密封式热管理结构而进行热管理，能够有效地对电芯内部进行散热，杜绝了由于热管理失效带来的安全隐患。密封式热管理结构中，相变材料层被密封在高分子薄膜(流延聚丙烯膜)内，流延聚丙烯膜通过MPP粘结剂与未涂覆活性物质(阳/阴极材料)的空白集流体相粘结，使相变材料不与活性物质(阳/阴极)接触，且隔绝了相变材料和电解液的接触，避免相变材料参与电化学反应或泄露，有效保障电池安全性。

此外，密封式热管理结构可以粘结在集流体任意空白表面上，如电芯外圈的集流体上，或内圈的集流体上，或中间任意圈的集流体上，且密封式热管理结构的数目可以任意设计，安装方便，灵活性高。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范。

Claims (6)

1.一种密封式热管理结构，其特征在于，包括：

相变材料层；

高分子薄膜，其包覆在所述相变材料层外形成密封结构。

2.根据权利要求1所述的密封式热管理结构，其特征在于，所述高分子薄膜为流延聚丙烯膜。

3.根据权利要求1或2所述的密封式热管理结构，其特征在于，所述高分子薄膜的厚度为20－100μm。

4.根据权利要求1所述的密封式热管理结构，其特征在于，所述相变材料为石蜡、CaCl₂·10H₂O或Na₂SO₄·10H₂O中的一种。

5.根据权利要求1所述的密封式热管理结构，其特征在于，所述相变材料层为胶囊状。

6.一种锂离子电池电芯，其特征在于，包括电极片和如权利要求1－5任一项所述的密封式热管理结构；

所述电极片包括电极集流体和电极材料；所述电极材料涂覆于所述电极集流体上，所述电极集流体上未涂覆所述电极材料的位置为空白表面；

所述密封式热管理结构粘结于所述电极集流体的空白表面上，所述密封式热管理结构设于所述电极集流体的一端或两端或两端以及相邻的所述电极材料之间。

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