一种自加热电池的制作方法

1.本实用新型属于锂电池技术领域，具体涉及一种自加热电池。


背景技术：

2.锂电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应等诸多优势，是现代和未来电气装备不可缺少的重要能源。但温度对锂离子电池的性能有着十分重要的影响，温度过低时由于电解液粘度的增加，sei膜阻抗增大，石墨负极动力学性能变差，会导致电池的电化学极化增加，极大的降低电池放电能力。同时低温充电是十分危险的，会导致锂枝晶的产生，引发严重的安全问题，因此电动汽车电池组设计方面，电池的加热和散热装置一直是必备部分，加热装置一方面增加了车用锂离子电池组的成本，增加了电池组重量，此外复杂的设计往往会导致电池的可靠性降低，因此一种能够适应低温环境的高可靠锂离子电池就应运而生。
3.为了满足电池低温环境下使用要求，学者们设计了在电池材料、电解液、电池系统、电芯电池系统内外部加热等许多方法，但电池本身温度是电性能发挥的主要影响因素，所以如何对电芯进行有效加热是亟待解决的技术问题。
4.专利号cn206976535u厦门华戎能源科技有限公司公开的一种快速加热电池，该方法将金属箔体插入电芯内部，在低温环境下使用外部电源对金属箔体供电以加热电池，缺点为该专利使用逻辑上存在诟病，电池本身为电源，使用时需另一电源对其进行供电加热，这种操作在使用场景中较不现实。专利号cn109830754a北京旭江科技有限公司公开的一种基于碳纳米管膜的自加热电池及其制备方法，其不光加热体采用柔性碳纳米管膜，且原来的正负集流体铜铝箔也采用为碳纳米管宏观膜，整个电池结构不涉及金属箔材料，这势必导致电池的内阻急剧增加，电池性能衰降严重，并且其实施例中性能测试的升温时间需5min，效率低时间长，电池自身能量损失大。专利号 cn104064836a北京交通大学公开的一种锂离子电池的低温自加热方法，该方法利用脉冲振幅充放电方式实现锂离子电池的低温自加热，但该控制方法效果缓慢，6min电池升温11.4℃，时间太长。
5.现有常规加热技术风险较小，基本都是外部加热，不干涉电池结构，但电池受热速率慢，从外部缓慢加热到内部，存在显著的温度梯度。另外一个缺点就是常规加热技术的热效率比内部加热低，有更多的热量浪费进环境中。因此，如何提供一种能够适应低温环境的高可靠自加热锂离子电池是亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题在于提供一种自加热电池，本实用新型提供的自加热电池热转换效率高，自加热速度快，且发热面均匀，电池温度梯度小，加热膜厚度薄、质量轻，可在基本不损失电池能量密度的前提下，实现对电池内部的快速均匀加热，从而达到使电池在低温下能够放出更多容量及能量的目的。
7.本实用新型提供了一种自加热电池，包括：加热片以及设置于所述加热片两侧的
电芯，所述加热片包括石墨烯片、极耳以及设置于石墨烯片两侧的绝缘膜。
8.优选的，所述电芯包括正极、隔膜和负极；
9.所述电芯的负极或正极复合于所述加热片两侧，优选为所述电芯的负极复合于所述加热片两侧。
10.优选的，当所述电芯的负极复合于所述加热片两侧时，所述加热片的尺寸小于等于负极极片的尺寸；
11.当所述电芯的正极复合于所述加热片两侧时，所述加热片的尺寸小于等于正极极片的尺寸。
12.优选的，所述加热片设置有加热片极耳；所述正极设置有正极极耳；所述负极设置有负极极耳。
13.优选的，所述加热片极耳为两个；
14.当所述电芯的负极复合于所述加热片两侧时，所述加热片极耳为铜箔，一端的加热片极耳与负极极耳同一位置相连，另一端极耳引出作为加热片极耳；
15.当所述电芯的正极复合于所述加热片两侧时，所述加热片极耳为铝箔，所述加热片极耳的一端与正极极耳同一位置相连，另一端引出作为加热片极耳。
16.优选的，所述负极宽度wa理论上超过正极宽度wc两边各o1/2，o1在 0.2～10mm范围内；
17.所述隔膜宽度ws理论上超过负极宽度wa两边各o2/2，o2在0.2～50mm 范围内；
18.所述负极长度la理论上超过正极长度lc两边各o3/2，o3在0.2～50mm 范围内；
19.所述隔膜长度ls理论上超过负极长度la两边各o4/2，o4在0.2～50mm 范围内。
20.优选的，所述绝缘膜选自聚酰亚胺绝缘膜、聚乙烯绝缘膜、聚丙烯绝缘膜、聚四氟乙烯绝缘膜或者氧化铝绝缘膜。
21.优选的，所述绝缘膜的厚度为2～100μm，优选为50～90μm；所述石墨烯片厚度为5～90μm，优选15～45μm。
22.与现有技术相比，本实用新型提供了一种自加热电池，包括：加热片以及设置于所述加热片两侧的电芯，所述加热片包括石墨烯片、极耳以及设置于石墨烯片两侧的绝缘膜。本实用新型提供的基于石墨烯片的自加热电池由于石墨烯加热膜具有电热转换效率高(接近100％)、发热面均匀、质量轻与柔性可卷曲等优势，可在基本不损失电池能量密度的前提下，实现对电池内部的快速均匀加热。从而达到使电池在低温下能够放出更多容量及能量的目的。
23.结果表明，本实用新型设计的低温自加热电池1min内自加热即可达到效果。
附图说明
24.图1为自加热电池电芯的局部结构示意图；
25.图2为自加热电池电芯结构示意图以及电芯局部放大图；
26.图3为自加热电池的电池结构示意图；
27.图4为加热片极耳与负极极耳先连接结构电池自加热时线路连接示意图；
28.图5为加热片极耳与正极极耳先连接结构电池自加热时线路连接示意图；
29.图6为负极尺寸示意图；
30.图7为正极尺寸示意图；
31.图8位加热片尺寸示意图；
32.图9为加热片厚度示意图；
33.图10为隔膜尺寸示意图；
34.图11为自加热圆柱电池的电芯的结构示意图；
35.图12为对比例1和实施例1的电池0.5c，25℃充电/-20℃放电曲线；
36.图13为对比例1和实施例1的电池0.5c，25℃充电/-40℃放电曲线。
具体实施方式
37.本实用新型提供了一种自加热电池，包括：加热片以及设置于所述加热片两侧的电芯，所述加热片包括石墨烯片以及设置于石墨烯片两侧的绝缘膜。
38.在本实用新型中，所述电芯包括正极、隔膜和负极；其中，所述电芯的负极或正极复合于所述加热片两侧。
39.在本实用新型的一些具体实施方式中，所述电芯的负极复合于所述加热片两侧，从而形成外层膜层/正极/隔膜/负极/加热片/负极/隔膜/正极/外层膜层的结构。其中，所述一侧的外层膜层可以为隔膜/负极/隔膜结构，也可以为隔膜/负极/隔膜/正极/隔膜/负极的重复单元再在最外层复合隔膜，另一侧的外层膜层对称设置，或者，如果正极片和负极片的叠片的片数为单数时，使加热膜两侧的正极片和负极片片数相差一片即可，尽量保证加热膜在电池叠片中间。
40.参见图1，图1为自加热电池电芯的局部结构示意图。其中，001为石墨烯加热片，002为负极极片，003为隔膜，004为正极极片；
41.在本实用新型的一些具体实施方式中，所述电芯的正极复合于所述加热片两侧，从而形成外层膜层/负极/隔膜/正极/加热片/正极/隔膜/负极/外层膜层的结构。其中，所述一侧的外层膜层可以为隔膜，也可以为隔膜/正极/隔膜/ 负极的重复单元再在最外层复合隔膜。所述另一侧的外层膜层对称设置，或者，如果正极片和负极片的叠片的片数为单数时，使加热膜两侧的正极片和负极片片数相差一片即可，尽量保证加热膜在电池叠片中间。
42.参见图2，图2为自加热电池电芯结构示意图以及电芯局部放大图。
43.当所述电芯的负极复合于所述加热片两侧时，所述加热片的尺寸小于等于负极极片的尺寸；
44.当所述电芯的正极复合于所述加热片两侧时，所述加热片的尺寸小于等于正极极片的尺寸。
45.在本实用新型中，所述加热片设置有加热片极耳；所述正极设置有正极极耳；所述负极设置有负极极耳。
46.参见图3，图3为自加热电池的电池结构示意图，005为正极极耳，006 为负极极耳，007为加热片极耳。
47.在本实用新型中，所述加热片极耳为两个，本实用新型对所述两个加热片极耳的位置并没有特殊限制，在本实用新型的一些具体实施方式中，所述两个极耳分别设置于所述加热片的对边；
48.当所述电芯的负极复合于所述加热片两侧时，所述加热片极耳为铜箔，一端的加
热片极耳与负极极耳同一位置相连，另一端转接负极极耳引出作为加热片极耳；参见图4，图4为进行自加热时线路连接示意图。
49.当所述电芯的正极复合于所述加热片两侧时，所述加热片极耳为铝箔，所述加热片极耳的一端与正极极耳同一位置相连，另一端转接正极极耳引出作为加热片极耳。参见图5，图5为进行自加热时线路连接示意图。
50.参见图6～图10，图6为负极尺寸示意图，图7为正极尺寸示意图，图8 位加热片尺寸示意图，图9为加热片厚度示意图，图10为隔膜尺寸示意图。
51.其中，所述负极宽度wa理论上超过正极宽度wc两边各o1/2，o1在 0.2～50mm范围内；
52.所述隔膜宽度ws理论上超过负极宽度wa两边各o2/2，o2在0.2～50mm 范围内；
53.所述负极长度la理论上超过正极长度lc两边各o3/2，o3在0.2～50mm 范围内；
54.所述隔膜长度ls理论上超过负极长度la两边各o4/2，o4在0.2～50mm 范围内。
55.在本实用新型中，所述绝缘膜的厚度为2～100μm，优选为50～90μm；所述石墨烯片厚度为5～90μm，优选15～45μm。在本实用新型中，加热片厚度 th＝石墨烯片厚度tg 2*绝缘膜厚度tp。
56.在本实用新型中，所述绝缘膜选自聚酰亚胺绝缘膜、聚乙烯绝缘膜、聚丙烯绝缘膜、聚四氟乙烯绝缘膜或者氧化铝绝缘膜。
57.在本实用新型中，所述自加热电池可以通过叠片得到也可以通过卷绕得到，参见图11，图11为对应自加热圆柱电池的电芯结构示意图。
58.当自加热电池为圆柱结构电池时，所述电芯结构为依次叠加的加热膜、负极、隔膜和正极，或依次叠加的加热膜、正极、隔膜和负极。
59.在本实用新型中，所述自加热电池的制备工艺为本领域技术人员公知的电池制备工艺，仅是在进行叠片或卷绕时，将加热膜与电芯一起叠片或卷绕即可。具体的：将正、负极活性物质分别经过搅拌
→
涂布
→
辊压
→
极片成型
→
叠片或卷绕
→
封装
→
烘烤
→
注液
→
静置
→
化成
→
除气
→
老化
→
分容。其中正负极片成型可用刀模或者激光模切成型。
60.本实用新型具体如下有益效果：
61.(1)本实用新型所公开的一种自加热电池基于内置的石墨烯片进行自加热。
62.(2)本实用新型所公开的石墨烯片电热转换效率高，质量轻，自加热时间短，可在基本不损失电池能量密度的前提下，实现对电池内部的快速加热。
63.(3)本实用新型所公开的石墨烯片发热面均匀、柔性可卷曲，且内置在电池内部，可实现对电池内部的均匀加热，减少电池内部的温度梯度。
64.(4)本实用新型所公开的自加热电池制作过程兼用常规锂电池制造工艺，制造成本低。
65.(5)本实用新型所公开的基于石墨烯片的自加热电池，短暂加热后能使电池在低温下放出更多电量，效果明显。
66.为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型提供的自加热电池进行说明，本实用新型的保护范围不受以下实施例的限制。
67.实施例1
68.电池按照常规制造工艺制备，不同点为电芯装配工序(叠片或卷绕)时电芯中部加
入一张石墨烯加热膜，加热膜一端引出作为第三极耳，另一端与负极相连。其它工艺按电池原本制造工艺无差别。其中电池正极极片片数为 11片。
69.具体尺寸如下：
70.la＝73.8mm,wa＝143.8mm,lc＝71.8mm,wc＝141.8mm,ls＝78mm, o1＝2mm,o2＝0.5mm,o3＝2mm,o4＝3.2mm；
71.tg＝30μm,tp＝70μm,th＝170μm；
72.实施例2
73.电池按照常规制造工艺制备，不同点为电芯装配工序(叠片或卷绕)时电芯中部加入一张石墨烯加热膜，加热膜一端引出作为第三极耳，另一端与正极相连。其它工艺按电池原本制造工艺无差别。其中电池正极极片片数为 12片。
74.具体尺寸如下：
75.la＝144mm,wa＝74mm,lc＝142mm,wc＝72mm,ls＝148mm,o1＝2mm, o2＝0.5mm,o3＝2mm,o4＝4mm；
76.tg＝45μm,tp＝70μm,th＝185μm；
77.实施例3
78.18650电池按照常规制造工艺制备，不同点为电芯装配工序(卷绕)时电芯中部加入一张卷曲的石墨烯加热膜，加热膜一端引出作为第三极耳，另一端与正极相连。其它工艺按电池原本制造工艺无差别。
79.la＝820mm,wa＝58mm,lc＝775mm,wc＝56mm,ws＝60mm,o1＝2mm, o2＝2mm,o3＝45mm,o4＝45mm；
80.tg＝15μm,tp＝70μm,th＝155μm；
81.对比例1
82.按照实施例1的制备方法，仅是不加入加热膜。
83.对比例2
84.按照实施例2制备方法，仅是不加入加热膜。
85.对比例3
86.按照实施例3制备方法，仅是不加入加热膜。
87.实施例1测试方案
88.对比例制备的电池低温测试方法：电池在25
±
5℃的环境条件下，以0.5c 电流恒流放电至2.5v，搁置0.5h，电池以0.5c恒流充电至电池电压达到4.3v，转恒压充电，当充电电流下降至0.05c时充电结束。电池按以上流程充电结束后置于-20
±
3℃的低温箱中搁置12h。随后在此环境下以0.5c电流进行放电，当放电电压降低到2.0v时停止放电，计算电池的放电容量cl及放电能量el，其与常温放电容量c0及常温放电能量e0的比值即为低温容量及能量保持率，以百分比表示。
89.实施例制备的自加热电池操作不同点在于置于-20
±
3℃的低温箱中搁置 12h后，先启动自加热开关自加热20s，再断开自加热开关进行正常的低温放电。
90.对上述电池进行充放电测试，结果见图12，图12为对比例2和实施例2 的电池0.5c，25℃充电/-20℃放电曲线。
91.由图12可知，常规三元体系电池加入自加热结构后电池的-20℃低温放电容量从
78.4％提高到87.5％，提升了9％。
92.实施例2测试方案
93.对比例制备的电池低温测试方法：电池在25
±
5℃的环境条件下，以0.5c 电流恒流放电至2.5v，搁置0.5h，电池以0.5c恒流充电至电池电压达到4.3v，转恒压充电，当充电电流下降至0.05c时充电结束。电池按以上流程充电结束后置于-40
±
3℃的低温箱中搁置12h。随后在此环境下以0.5c电流进行放电，当放电电压降低到2.0v时停止放电，计算电池的放电容量cl及放电能量el，其与常温放电容量c0及常温放电能量e0的比值即为低温容量及能量保持率，以百分比表示。
94.实施例制备的自加热电池操作不同点在于置于-40
±
3℃的低温箱中搁置 12h后，先启动自加热开关自加热40s，再断开自加热开关进行正常的低温放电。
95.对上述电池进行充放电测试，结果见图13，图13为对比例1和实施例1 的电池0.5c，25℃充电/-40℃放电曲线。
96.由图13可知，常规三元体系电池加入自加热结构后电池的-40℃低温放电容量从27.8％提高到35.1％，提升了7％。
97.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原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。