JP2021514518A - 内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池 - Google Patents
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Abstract
本発明は、リチウムイオン電池加熱分野に属し、具体的に内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池に関する。電池の内部に電池セルが設けられ、電池セルの上端に第一の電池セルタブ、第二の電池セルタブが設けられ、第一の電池セルタブ、第二の電池セルタブがそれぞれ電池セルに接続され、電池セルの内部に熱発生装置が設けられ、熱発生装置が第一層の加熱シートを含み、第一層の加熱シートがそれぞれ電池セルの外に延びる第一層の加熱シ—トの第一の電極タブ、第一層の加熱シートの第二の電極タブに接続され、制御スイッチが第一の制御スイッチと第二の制御スイッチで構成され、外部装置と第二の制御スイッチが第一のブランチを構成し、第一の電池セルタブ、電池セルと第二の電池セルタブが第二のブランチを構成し、第一層の加熱シートの第一の電極タブ、第一層の加熱シート、第一層の加熱シートの第二の電極タブ、第一の制御スイッチが第三のブランチを構成する。本発明は、充電が速く、安全性が高く、低温での電池の動作性能を向上させることができる。【選択図】図9
Description
本発明は、リチウムイオン電池加熱分野に属し、具体的に内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池に関する。
リチウムイオン電池は液体、半固体及び固体リチウムイオン電池を含む。ほとんどのリチウムイオン電池は、低温環境におけるSEI膜、表面電荷伝達抵抗及び電極におけるリチウムイオンの拡散差などの原因により、リチウムイオン電池の大電流充放電能力が弱くなり、そのため倍率及び電力性能が制限される。
したがって、補助手段によって電池の低温性能を向上させることは、重要な研究方向になり、交流加熱方法、ペルチェ加熱方法、加熱プレート加熱方法、流体加熱及び加熱ジャケット加熱方法が提案される。しかしながら、これらの加熱方法、例えば中国特許(リチウムイオン電池の自己発熱装置及び方法、CN104282965A)では、電熱線に電力を供給するための電源を追加的に配置する必要があり、且つ加熱時間が約10minであり、昇温速度が非常に遅い。また、これらの加熱方法は、エネルギー消費が大きく、平均で約20%であり、同様にリチウムイオン電池の普及及び使用が制限される。
同時に、どのようにリチウムイオン電池の内部温度を動的に検出するかは一つの重要な使用上の難題であり、これはリチウムイオン電池の安全制御に関わる重要なパラメータである。現在の研究が比較的成熟しているが、検出装置はコストが高く、広い範囲での使用に不利となる。
したがって、正常な動作状態で、リチウムイオン電池セルの内部温度をリアルタイムに検出することができ、低温動作が必要となる場合(例えば充電又は放電)、非常に短い時間内(<5min)で、電池の温度が制御可能な手段で急速に上昇し、それによって正常な電気性能を示すという温度検出機能及び調整機能を同時に備えた高性能リチウムイオン電池を開発する必要がある。このようにしてリチウムイオン電池セルの内部温度を動的に検出することができるだけでなく、低温での動作性能を向上させ、リチウムイオン電池の使用環境温度区間を広げ、リチウムイオン電池の普及及び応用を促進することができる。
上記技術的問題を解決するために、本発明は、充電が速く、安全性が高く、低温での電池の動作性能を向上させることができる、内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池を提供する。
本発明の技術的解決策は以下のとおりである。
内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池は、電池の内部に電池セル1が設けられ、電池セル1の上端に第一の電池セルタブ11、第二の電池セルタブ12が設けられ、第一の電池セルタブ11、第二の電池セルタブ12がそれぞれ電池セル1に接続され、電池セル1の内部に熱発生装置2が設けられ、熱発生装置2が第一層の加熱シート2−1を含み、第一層の加熱シート2−1がそれぞれ電池セルの外に延びる第一層の加熱シ―トの第一の電極タブ21、第一層の加熱シートの第二の電極タブ22に接続され、制御スイッチ5が第一の制御スイッチ51と第二の制御スイッチ52で構成され、外部装置と第二の制御スイッチ52が第一のブランチを構成し、第一の電池セルタブ11、電池セル1と第二の電池セルタブ12が第二のブランチを構成し、第一層の加熱シートの第一の電極タブ21、第一層の加熱シート2−1、第一層の加熱シートの第二の電極タブ22、第一の制御スイッチ51が第三のブランチを構成し、第二のブランチがそれぞれ第一のブランチ、第三のブランチに直列接続されてもよく、又は第二のブランチが第三のブランチに並列接続された後に第一のブランチに直列接続される。
内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池は、電池の内部に電池セル1が設けられ、電池セル1の上端に第一の電池セルタブ11、第二の電池セルタブ12が設けられ、第一の電池セルタブ11、第二の電池セルタブ12がそれぞれ電池セル1に接続され、電池セル1の内部に熱発生装置2が設けられ、熱発生装置2が第一層の加熱シート2−1を含み、第一層の加熱シート2−1がそれぞれ電池セルの外に延びる第一層の加熱シ―トの第一の電極タブ21、第一層の加熱シートの第二の電極タブ22に接続され、制御スイッチ5が第一の制御スイッチ51と第二の制御スイッチ52で構成され、外部装置と第二の制御スイッチ52が第一のブランチを構成し、第一の電池セルタブ11、電池セル1と第二の電池セルタブ12が第二のブランチを構成し、第一層の加熱シートの第一の電極タブ21、第一層の加熱シート2−1、第一層の加熱シートの第二の電極タブ22、第一の制御スイッチ51が第三のブランチを構成し、第二のブランチがそれぞれ第一のブランチ、第三のブランチに直列接続されてもよく、又は第二のブランチが第三のブランチに並列接続された後に第一のブランチに直列接続される。
さらに、第一の温度採集器3は電池セルの内部に設けられ、第二の温度採集器4は電池の表面に設けられ、制御スイッチ5は第一の温度採集器3と第二の温度採集器4からの信号を受信することができる。
さらに、第二のブランチがそれぞれ第一のブランチ、第三のブランチに直列接続されてもよい場合、外部装置は負荷6である。
さらに、第二のブランチが第三のブランチに並列接続された後に第一のブランチに直列接続される場合、外部装置は充電装置7である。
さらに、第一の温度採集器3、第二の温度採集器4はそれぞれ第一の制御スイッチ51の開閉を制御することができ、第一の温度採集器3、第二の温度採集器4はそれぞれ第二の制御スイッチ52の開閉を制御することができる。
さらに、電池セルは捲回型又は積層型である。
さらに、電池は方形又は円筒形である。
さらに、電池は液体、半固体又は固体リチウムイオン電池である。
さらに、熱発生装置2は第二層の加熱シ―ト2−2を含み、第二層の加熱シ―ト2−2がそれぞれ電池セルの外に延びる第二層の加熱シ―トの第一の電極タブ23、第二層の加熱シ―トの第二の電極タブ24に接続され、第二層の加熱シ―トの第一の電極タブ23、第二層の加熱シ―ト2−2、第二層の加熱シ―トの第二の電極タブ24、第三の制御スイッチが第四のブランチを構成し、第四のブランチが第三のブランチに直列接続され又は並列接続されて共通ブランチを形成することができ、第二のブランチがそれぞれ第一のブランチ、共通ブランチに直列接続されてもよく、又は第二のブランチが共通ブランチに並列接続された後に第一のブランチに直列接続される。
さらに、第一の温度採集器3、第二の温度採集器4はそれぞれ第三の制御スイッチ52の開閉を制御することができる。
さらに、熱発生装置はジュール熱を発生できる金属又は無機非金属材質で作られる。
さらに、第一の温度採集器3は熱電対又はサーミスターであり、第二の温度採集器4は熱電対又はサーミスターである。
本発明の有益な効果は以下のとおりである:
(1)熱発生装置の熱補償により、リチウムイオン電池の温度適応性、特に低温環境への適応性を向上させることができ、リチウムイオン電池の充放電性能によってより広い温度範囲で比較的高いレベルまで発揮し、本出願ではリチウムイオン電池の温度は、−30℃から30℃に上昇した後に従来技術におけるリチウムイオン電池の−30℃と比較して、1C倍率の放電容量がほぼ2倍になる。
(2)温度採集器と熱発生装置により、リチウムイオン電池の動作中の電池セルの内部温度を動的に検出することができ、安全温度(55℃)よりも高い場合、リチウムイオン電池の動作状態をタイムリーに調整し、安全性を保証し、所定の温度(30℃)よりも低い場合、加熱プログラムをタイムリーに起動し、良い動作状態を保証し、即ち適切な温度範囲内で、リチウムイオン電池の容量と充電速度を大幅に上げることができる。
図1−9を参照して本発明をさらに説明する。
実施例1
図1−図4、図8−図9に示すように、内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池は、電池の内部に電池セル1が設けられ、電池セル1の上端に第一の電池セルタブ11、第二の電池セルタブ12が設けられ、第一の電池セルタブ11、第二の電池セルタブ12がそれぞれ電池セル1に接続され、電池セル1の内部に熱発生装置2が設けられ、熱発生装置2が第一層の加熱シート2−1を含み、第一層の加熱シート2−1がそれぞれ電池セルの外に延びる第一層の加熱シ―トの第一の電極タブ21、第一層の加熱シートの第二の電極タブ22に接続され、第一の温度採集器3が電池セルの内部に設けられ、第二の温度採集器4が電池の表面に設けられ、制御スイッチ5が第一の温度採集器3、第二の温度採集器4からの信号を受信することができ、制御スイッチ5が第一の制御スイッチ51と第二の制御スイッチ52で構成され、外部装置と第二の制御スイッチ52が第一のブランチを構成し、第一の電池セルタブ11、電池セル1と第二の電池セルタブ12が第二のブランチを構成し、第一層の加熱シートの第一の電極タブ21、第一層の加熱シート2−1、第一層の加熱シートの第二の電極タブ22、第一の制御スイッチ51が第三のブランチを構成する。熱発生装置はジュール熱を発生できる金属又は無機非金属材質で作られる。第一の温度採集器3は熱電対又はサーミスターであり、第二の温度採集器4は熱電対又はサーミスターである。電池セルは捲回型又は積層型である。電池は方形又は円筒形である。電池は液体、半固体又は固体リチウムイオン電池である。熱発生装置が図3−4に示す単層構造アセンブリである場合、熱発生装置2は、リチウムイオン電池の厚さ方向の1/2の箇所に配置される。
図1−図4、図8−図9に示すように、内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池は、電池の内部に電池セル1が設けられ、電池セル1の上端に第一の電池セルタブ11、第二の電池セルタブ12が設けられ、第一の電池セルタブ11、第二の電池セルタブ12がそれぞれ電池セル1に接続され、電池セル1の内部に熱発生装置2が設けられ、熱発生装置2が第一層の加熱シート2−1を含み、第一層の加熱シート2−1がそれぞれ電池セルの外に延びる第一層の加熱シ―トの第一の電極タブ21、第一層の加熱シートの第二の電極タブ22に接続され、第一の温度採集器3が電池セルの内部に設けられ、第二の温度採集器4が電池の表面に設けられ、制御スイッチ5が第一の温度採集器3、第二の温度採集器4からの信号を受信することができ、制御スイッチ5が第一の制御スイッチ51と第二の制御スイッチ52で構成され、外部装置と第二の制御スイッチ52が第一のブランチを構成し、第一の電池セルタブ11、電池セル1と第二の電池セルタブ12が第二のブランチを構成し、第一層の加熱シートの第一の電極タブ21、第一層の加熱シート2−1、第一層の加熱シートの第二の電極タブ22、第一の制御スイッチ51が第三のブランチを構成する。熱発生装置はジュール熱を発生できる金属又は無機非金属材質で作られる。第一の温度採集器3は熱電対又はサーミスターであり、第二の温度採集器4は熱電対又はサーミスターである。電池セルは捲回型又は積層型である。電池は方形又は円筒形である。電池は液体、半固体又は固体リチウムイオン電池である。熱発生装置が図3−4に示す単層構造アセンブリである場合、熱発生装置2は、リチウムイオン電池の厚さ方向の1/2の箇所に配置される。
リチウムイオン電池が負荷に電力を正常に供給したり、温度上昇を得るために加熱装置に電力を供給したりする必要がある場合、第二のブランチは、それぞれ第一のブランチと第三のブランチに直列に接続されてもよく、外部装置は負荷6である。第一の温度採集器3、第二の温度採集器4はそれぞれ第一の制御スイッチ51の開閉を制御することができ、第一の温度採集器3、第二の温度採集器4はそれぞれ第二の制御スイッチ52の開閉を制御することができる。動作プロセスでは、第一の温度採集器、第二の温度採集器によって温度値を検出し、ここで、電池セルの温度検出ポイントが所定の温度(即ちT1=30°C)であり、アラームポイントが安全温度(即ちT2=55℃)である。電池セルが負荷で動作する前に、第一の温度採集器、第二の温度採集器によって電池セルの温度値を検出し、収集された温度が所定の温度より低い場合、第一の温度採集器、第二の温度採集器は、信号を生成し、信号を第一の制御スイッチに送信し、第一の制御スイッチを閉じさせ、第一層の加熱シートが熱を発生し、電池セルの温度を上昇させ、電池セルの温度が所定の温度以上である場合、第一の温度採集器、第二の温度採集器は、信号を生成し、信号を第一の制御スイッチに送信し、第一の制御スイッチを切断させ、第二の制御スイッチを閉じさせ、加熱を停止し、負荷に電力を供給し、負荷への電力供給中に電池セルの温度が安全温度よりも高い場合、第一の温度採集器、第二の温度採集器は、信号を生成し、信号を第二の制御スイッチに送信し、第二の制御スイッチを切断させ、負荷への電力供給を停止する。上記調整により、リチウムイオン電池の使用性能と安全性能が向上する。
実施例2
充電装置によってリチウムイオン電池及び熱発生装置に電力を供給する場合、第二のブランチは第三のブランチに並列接続された後に第一のブランチに直列接続され、外部装置は、充電装置7である。第一の温度採集器3、第二の温度採集器4はそれぞれ第一の制御スイッチ51の開閉を制御することができ、第一の温度採集器3、第二の温度採集器4はそれぞれ第二の制御スイッチ52の開閉を制御することができる。
充電装置によってリチウムイオン電池及び熱発生装置に電力を供給する場合、第二のブランチは第三のブランチに並列接続された後に第一のブランチに直列接続され、外部装置は、充電装置7である。第一の温度採集器3、第二の温度採集器4はそれぞれ第一の制御スイッチ51の開閉を制御することができ、第一の温度採集器3、第二の温度採集器4はそれぞれ第二の制御スイッチ52の開閉を制御することができる。
残りは実施例1と同じである。動作プロセスでは、第一の温度採集器、第二の温度採集器によって温度値を検出し、ここで、電池セルの温度検出ポイントが所定の温度(即ちT1=30°C)であり、アラームポイントが安全温度(即ちT2=55℃)である。充電装置がリチウムイオン電池の電池セルへの充電を準備する場合、第一の温度採集器、第二の温度採集器は、電池セルの温度を収集し、収集された温度が所定の温度より低い場合、第一の温度採集器、第二の温度採集器は、信号を生成し、信号を第一の制御スイッチ、第二の制御スイッチに送信し、第一の制御スイッチ、第二の制御スイッチを閉じさせ、第一層の加熱シートは電池セルを加熱し、第一の温度採集器と第二の温度採集器が、電池セルの温度が所定の温度以上であることを検出した場合、第一の温度採集器、第二の温度採集器は信号を生成し、信号を第一の制御スイッチ51に送信し、第一の制御スイッチを切断させ、第一の加熱シ―トは加熱を停止し、充電装置が電池セルを充電する過程に、第一の温度採集器、第二の温度採集器が、電池セルの温度が安全温度より高いことを検出した場合、第一の温度採集器、第二の温度採集器は信号を生成し、信号を第二の制御スイッチに送信し、第二の制御スイッチを切断させ、充電装置は電池への電力供給を停止する。
実施例3
熱発生装置2は第二層の加熱シ―ト2−2を含み、第二層の加熱シ―ト2−2がそれぞれ電池セルの外に延びる第二層の加熱シ―トの第一の電極タブ23、第二層の加熱シ―トの第二の電極タブ24に接続され、第二層の加熱シ―トの第一の電極タブ23、第二層の加熱シ―ト2−2、第二層の加熱シ―トの第二の電極タブ24、第三の制御スイッチが第四のブランチを構成し、第四のブランチが第三のブランチに直列接続され又は並列接続されて共通ブランチを形成することができ、第二のブランチがそれぞれ第一のブランチ、共通ブランチに直列接続されてもよく、又は第二のブランチが共通ブランチに並列接続された後に第一のブランチに直列接続される。
熱発生装置2は第二層の加熱シ―ト2−2を含み、第二層の加熱シ―ト2−2がそれぞれ電池セルの外に延びる第二層の加熱シ―トの第一の電極タブ23、第二層の加熱シ―トの第二の電極タブ24に接続され、第二層の加熱シ―トの第一の電極タブ23、第二層の加熱シ―ト2−2、第二層の加熱シ―トの第二の電極タブ24、第三の制御スイッチが第四のブランチを構成し、第四のブランチが第三のブランチに直列接続され又は並列接続されて共通ブランチを形成することができ、第二のブランチがそれぞれ第一のブランチ、共通ブランチに直列接続されてもよく、又は第二のブランチが共通ブランチに並列接続された後に第一のブランチに直列接続される。
熱発生装置が図5−図7に示す二層構造アセンブリである場合、熱発生装置2は、リチウムイオン電池の厚さ方向の1/4の箇所に配置される。
上記は、本発明の好ましい実施形態に過ぎず、本発明を制限することに用いられるものではない。上記実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、当業者であれば、依然として上記の各実施例に記載される技術的解決策を変更し、又はその中の一部の技術的特徴に対して同等入れ替えを行うことができる。本発明の精神と原則内で行われるいかなる変更、同等入れ替えと改善などはいずれも本発明の保護範囲に含まれるべきである。
1:電池セル、11:第一の電池セルタブ、12:第二の電池セルタブ、2:熱発生装置、2−1:第一層の加熱シ―ト、2−2:第二層の加熱シ―ト、21:第一層の加熱シ―トの第一の電極タブ、22:第一層の加熱シ―トの第二の電極タブ、23:第二層の加熱シ―トの第一の電極タブ、24:第二層の加熱シ―トの第二の電極タブ、3:第一の温度採集器、4:第二の温度採集器、5:制御スイッチ、51:第一の制御スイッチ、52:第二の制御スイッチ、6:負荷、7:充電装置。
Claims (9)
- 内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池であって、
電池の内部に電池セル(1)が設けられ、電池セル(1)の上端に第一の電池セルタブ(11)、第二の電池セルタブ(12)が設けられ、第一の電池セルタブ(11)、第二の電池セルタブ(12)がそれぞれ電池セル(1)に接続され、電池セル(1)の内部に熱発生装置(2)が設けられ、熱発生装置(2)が第一層の加熱シート(2−1)を含み、第一層の加熱シート(2−1)がそれぞれ電池セルの外に延びる第一層の加熱シ―トの第一の電極タブ(21)、第一層の加熱シートの第二の電極タブ(22)に接続され、制御スイッチ(5)が第一の制御スイッチ(51)と第二の制御スイッチ(52)で構成され、外部装置と第二の制御スイッチ(52)が第一のブランチを構成し、第一の電池セルタブ(11)、電池セル(1)と第二の電池セルタブ(12)が第二のブランチを構成し、第一層の加熱シートの第一の電極タブ(21)、第一層の加熱シート(2−1)、第一層の加熱シートの第二の電極タブ(22)、第一の制御スイッチ(51)が第三のブランチを構成し、第二のブランチがそれぞれ第一のブランチ、第三のブランチに直列接続されてもよく、又は第二のブランチが第三のブランチに並列接続された後に第一のブランチに直列接続される、ことを特徴とする内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池。 - 第一の温度採集器(3)は電池セルの内部に設けられ、第二の温度採集器(4)は電池の表面に設けられ、制御スイッチ(5)は第一の温度採集器(3)と第二の温度採集器(4)からの信号を受信することができる、ことを特徴とする請求項1に記載の内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池。
- 第二のブランチがそれぞれ第一のブランチ、第三のブランチに直列接続されてもよい場合、外部装置は負荷(6)である、ことを特徴とする請求項1に記載の内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池。
- 第二のブランチが第三のブランチに並列接続された後に第一のブランチに直列接続される場合、外部装置は充電装置(7)である、ことを特徴とする請求項1に記載の内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池。
- 第一の温度採集器(3)、第二の温度採集器(4)はそれぞれ第一の制御スイッチ(51)の開閉を制御することができる、第一の温度採集器(3)、第二の温度採集器(4)はそれぞれ第二の制御スイッチ(52)の開閉を制御することができる、ことを特徴とする請求項2に記載の内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池。
- 電池セルは捲回型又は積層型である、ことを特徴とする請求項1に記載の内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池。
- 電池は方形又は円筒形である、ことを特徴とする請求項1に記載の内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池。
- 電池は液体、半固体又は固体リチウムイオン電池である、ことを特徴とする請求項1に記載の内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池。
- 熱発生装置(2)は第二層の加熱シ―ト(2−2)を含み、第二層の加熱シ―ト(2−2)がそれぞれ電池セルの外に延びる第二層の加熱シ―トの第一の電極タブ(23)、第二層の加熱シ―トの第二の電極タブ(24)に接続され、第二層の加熱シ―トの第一の電極タブ(23)、第二層の加熱シ―ト(2−2)、第二層の加熱シ―トの第二の電極タブ(24)、第三の制御スイッチが第四のブランチを構成し、第四のブランチが第三のブランチに直列接続され又は並列接続されて共通ブランチを形成することができる、第二のブランチがそれぞれ第一のブランチ、共通ブランチに直列接続されてもよく、又は第二のブランチが共通ブランチに並列接続された後に第一のブランチに直列接続される、ことを特徴とする請求項1に記載の内部加熱装置を備えたリチウムイオン電池。
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