一种用于锂离子电池的复合散热薄膜及其制备方法

1.本发明涉及锂离子电池热管理领域，尤其涉及一种用于锂离子电池的复合散热薄膜及其制备方法。


背景技术：

2.锂离子电池，因其具有高稳定性、高能量密度、高功率密度、循环寿命长等优点，被广泛用于各种移动设备和电动汽车。然而，锂离子电池的性能和寿命在很大程度上受到温度的影响。通常来说，商用锂离子电池在工作温度大于35℃时，其容量和循环寿命会大大缩短。此外，锂离子电池过热会导致热失控的发生，这是目前锂离子电池的一个重要的安全风险因素。因此，控制温度在一个合适的区间对锂离子电池性能和安全来说至关重要。
3.水凝胶是一种极为亲水的三维网络结构凝胶，由于存在交联网络结构和大量的亲水聚合物链，水凝胶可以吸收并保有大量的水(可保有高达99％的水)。同时，即使存在大量的水，水凝胶网络的结构完整性也能很好地保持，避免了水的流动性问题。这些特性使水凝胶在利用水的冷却能力方面具有巨大潜力。然而，水凝胶过低的导热系数(小于1w m-1
k-1
)限制了其在散热领域的应用。尤其在应用于锂离子电池散热时，由于锂离子电池本身不同位置的产热率分布不均匀，低导热系数的水凝胶很难有效地改善电池的温度分布，最终削弱整体冷却效果。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于锂离子电池的复合散热薄膜及其制备方法，上述复合散热薄膜由导热框架和水凝胶组成，水凝胶填充在导热框架的孔隙中，并利用水凝胶形成过程中的交联反应形成一体化的薄膜。该复合散热薄膜具有高导热，含水量大等优点，机械性能良好且能弯折，适用于各种形状的锂离子电池的散热。
5.本发明是通过以下技术方案得以实现的：
6.一种用于锂离子电池的复合散热薄膜，复合散热薄膜是由导热框架和水凝胶组成的一体化结构，水凝胶填充在导热框架的孔隙中，利用水凝胶形成过程中的交联反应定型成膜。
7.一种用于锂离子电池的复合散热薄膜的制备方法，包括如下步骤：
8.(1)取线性多糖放置于容器中，再加入水，线性多糖与水的质量比为2～5：100；
9.(2)将步骤(1)得到的线性多糖和水的混合溶液加热搅拌1～3小时，直到线性多糖完全溶解在水中；
10.(3)将步骤(2)得到的溶液静置2～10小时，至溶液中气泡完全消失；
11.(4)将步骤(3)得到的溶液倾倒入导热框架，静置12～24小时，使得溶液充分进入导热框架的孔隙中；
12.(5)取交联剂溶于水中，交联剂与水的质量比为1～3：100，搅拌1～2小时，得到交联剂溶液；
13.(6)将步骤(5)得到的交联剂溶液倒入喷雾器中，再均匀地喷洒在步骤(4)中得到的导热框架上，导热框架孔隙内的线性多糖在喷洒的交联剂作用下发生交联反应，在导热框架的孔隙内形成水凝胶，静置8～12小时后，得到含有水凝胶和导热框架的薄膜；
14.(7)将步骤(6)中得到的薄膜背面翻转过来，重复步骤(6)，得到水凝胶和导热框架组成的具有一体化结构的复合散热薄膜；
15.(8)将步骤(7)中得到的复合散热薄膜贴附在锂离子电池表面，即在电池工作产热时吸收热量，保持电池温度在合理得区间。
16.所述的用于锂离子电池的复合散热薄膜的制备方法，步骤(1)中，线性多糖为天然多糖。
17.所述的用于锂离子电池的复合散热薄膜的制备方法，天然多糖为壳聚糖或海藻酸钠。
18.所述的用于锂离子电池的复合散热薄膜的制备方法，步骤(2)中，加热温度为60～80℃，搅拌转速为400～800rpm。
19.所述的用于锂离子电池的复合散热薄膜的制备方法，步骤(4)中，导热框架是由高导热材料形成的三维多孔结构，包括碳毡、石墨毡或泡沫碳。
20.所述的用于锂离子电池的复合散热薄膜的制备方法，步骤(4)中，导热框架的孔隙率为80％～98％，孔径范围为20～50μm。
21.所述的用于锂离子电池的复合散热薄膜的制备方法，步骤(5)中，交联剂为天然多糖交联剂，搅拌转速300～600rpm。
22.所述的用于锂离子电池的复合散热薄膜的制备方法，天然多糖交联剂为氯化钙或硫酸锌。
23.所述的用于锂离子电池的复合散热薄膜的制备方法，复合散热薄膜的厚度为1.5～4mm。
24.本发明的设计思想是：
25.本发明提出了一种将水凝胶填充在导热框架的孔隙中，以形成一体化的复合散热薄膜的设计思路。本发明通过巧妙的材料与结构设计，采用导热框架来提高单一水凝胶材料的热导率和机械强度，利用水凝胶合成过程中的交联反应，形成水凝胶和导热框架的一体化结构，从而得到具有高吸水性、高含水量和高热导率的复合散热薄膜。同样值得称道的是，该复合水凝胶拥机械性能优良，能够弯折，适用于各种不同形状的锂离子电池。
26.相比于现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：
27.1、本发明所提出的复合散热薄膜，具有更高的热导率和更好的机械性能，极大地提高了应用于锂离子电池时的散热效果。
28.2、本发明所提出的复合散热薄膜的制备方法，利用填充在导热框架孔隙内的水凝胶的交联反应，形成一体化的导热框架—水凝胶的复合结构。
29.3、本发明适用于不同外形的动力电池，如：方块电池、圆柱电池，应用场景灵活。
30.4、本发明所提出的复合散热薄膜的制备方法，所使用的原材料是天然多糖，具有丰富的来源和非常低廉的价格，且合成得到的天然高分子水凝胶，容易降解，对环境友好。
附图说明
31.图1为实施例1制备的用于锂离子电池的复合散热薄膜的照片。其中，(a)为复合散热薄膜表面，(b)为复合散热薄膜侧面和弯曲图。
32.图2为实施例1和对比例1所对应的25ah软包锂离子电池2.0c放电条件下的温度变化。
具体实施方式
33.在具体实施过程中，本发明用于锂离子电池散热的复合散热薄膜及其制备方法，水凝胶与导热框架组成一体化的散热薄膜，其制备步骤如下：
34.(1)取一定量的线性多糖材料(如：壳聚糖或海藻酸钠等，孔隙率为80％～98％)放置于容器中，再加入一定量的水，线性多糖与水的质量比为2～5：100；
35.(2)将步骤(1)得到的线性多糖和水的混合溶液加热搅拌1～3小时，直到线性多糖完全溶解在水中；
36.(3)将步骤(2)得到的溶液静置2～10小时，至溶液中气泡完全消失；
37.(4)取合适大小和厚度的导热框架，将步骤(3)得到的溶液倾倒入导热框架，静置12～24小时，使得溶液充分进入导热框架的孔隙中；
38.(5)取一定量的交联剂(如：氯化钙或硫酸锌等)溶于水中，交联剂与水的质量比为1～3：100，搅拌1～2小时，得到交联剂溶液；
39.(6)将步骤(5)得到的交联剂溶液倒入喷雾器中，再均匀地喷洒在步骤(4)中得到的导热框架上，导热框架孔隙内的线性多糖在喷洒的交联剂作用下发生交联反应，在导热框架的孔隙内形成水凝胶，静置8～12小时后，得到含有水凝胶和导热框架的薄膜；
40.(7)将步骤(6)中得到的薄膜翻转，重复步骤(6)，得到水凝胶和导热框架组成的具有一体化结构的复合散热薄膜；
41.(8)将步骤(7)中得到的复合散热薄膜贴附在锂离子电池表面，即可在电池工作产热时吸收热量，保持电池温度在合理的区间。
42.为了便于理解本发明，下面将结合实施例和附图，对本发明进行更全面的描述和说明。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
43.实施例1：
44.本实施例中，用于锂离子电池的复合散热薄膜的具体制备过程如下：
45.(1)取2.00g海藻酸钠置于200ml玻璃瓶中，再加入100ml的去离子水；
46.(2)将上述混合溶液在转速400rpm、温度80℃下搅拌2小时，直至海藻酸钠完全溶解；
47.(3)将步骤(2)得到的海藻酸钠溶液静置2小时，至溶液中气泡完全消失；
48.(4)取尺寸为150mm
×
200mm
×
4mm，孔隙率为96％、孔径范围为25～35μm的石墨毡(石墨毡是由碳纤维搭接形成的三维结构在高温下碳化得到，本实施例中所使用的石墨毡采购自辽宁金谷炭材料股份有限公司)，将步骤(3)得到的海藻酸钠溶液倾倒入石墨毡中，静置12小时，使得溶液充分进入石墨毡的孔隙；
49.(5)取2.00g的氯化钙于100ml水中，在转速400rpm下搅拌1小时，得到氯化钙溶液；
50.(6)将步骤(5)得到的氯化钙溶液倒入喷雾器中，均匀地喷洒在步骤(4)中含有海藻酸钠溶液的石墨毡上，海藻酸钠溶液在钙离子的作用下发生交联反应，在石墨毡的孔隙里面形成水凝胶，再静置12小时后，得到含有水凝胶和导热框架的薄膜；
51.(7)将步骤(6)中得到的薄膜背面翻转过来，再喷洒交联剂溶液，静置12小时，待定型后得到水凝胶和石墨毡组成的复合散热薄膜，复合散热薄膜的厚度为4mm；
52.(8)将步骤(7)中得到的复合散热薄膜贴附在25ah软包锂离子电池的外表面。锂离子电池连接电池测试仪，使其以不同倍率进行恒流放电，所测试的恒流放电倍率有2.0c、2.5c和3.0c，使用贴在锂离子电池表面的热电偶测试电池的温度。
53.对比例1：
54.准备同实施例1同样的锂离子电池，没有贴附复合散热薄膜，进行同样的锂离子电池放电测试。
55.如图1所示，实施例1制备的用于锂离子电池的复合散热薄膜的照片。由图1(a)、(b)可以看出，该复合散热薄膜为一体化结构，水凝胶均匀分布在石墨毡的孔隙内。由图1(b)可以看出，该复合散热薄膜具有良好的柔性。经过测试得到，该复合散热薄膜在厚度方向的热导率为1.3w m-1
k-1
。
56.如图2所示，实施例1和对比例1所对应的25ah软包锂离子电池2.0c放电条件下的温度变化。从图2可以看出，在测试条件相同时，贴有复合散热薄膜的锂离子电池的温度明显低于无散热薄膜的电池，说明该复合散热薄膜能显著降低锂离子电池在放电过程中的温度峰值。
57.表1为实施例1和对比例1所对应的25ah软包锂离子电池在不同放电倍率条件下的温度对比。
58.表1
59.电池放电倍率2.0c2.5c3.0c电池最高温度(实施例1)37.5℃40.7℃43.9℃电池最高温度(对比例1)32.8℃35.9℃39.8℃电池最低温度(实施例1)32.6℃33.9℃35.4℃电池最低温度(对比例1)29.9℃31.4℃33.5℃
60.从表1可以看出，实施例1中的锂离子电池的最高温度相比对比例1，在2.0c、2.5c和3.0c放电倍率下分别降低了4.7℃、4.8℃和4.1℃，电池最低温度分别降低了2.7℃、2.5℃和1.9℃，说明该复合散热薄膜在不同放电倍率条件下，都能显著改善锂离子电池的温度分布。
61.实施例结果表明，本发明所提出的复合散热薄膜是由导热框架和水凝胶组成的一体化结构，具有高热导率和高含水量，机械性能良好且能弯折，适用于各种外形的锂离子电池的散热。该复合散热薄膜应用于锂离子电池，具有高导热，含水量大，散热效率高等优点，可以显著改善电池的温度分布，保证电池的安全和循环寿命，为锂离子电池的热管理提供了新的高效率方案。