[发明专利]一种热耦合抗低温锂离子电池

说明书

一种热耦合抗低温锂离子电池，主要由锂离子电池、碳层电热薄膜、温度控制器、温度电阻组成，碳层电热薄膜紧贴于锂离子电池的两面，碳层电热薄膜通电时表面发热，碳层电热薄膜表面的热量传导至锂离子电池，锂离子电池获得热量，温度上升，与此同时，锂离子电池在放电过程自身产热，锂离子电池自身产热与碳层电热薄膜加热形成热耦合，使锂离子电池温度上升速度进一步加快，温度上升至设定温度时，温度控制器断开碳层电热薄膜与锂离子电池电路，碳层电热薄膜停止工作，锂离子电池进入常温态工况。放电容量即可恢复到常温工况，改善了现有锂离子电池在低温下性能劣化的缺陷，使得电池在极端气候特别是在较低的温度下也能提供供电保障。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别是一种热耦合抗低温锂离子电池。

背景技术

锂离子电池因具有质量轻、比能量高及寿命长等优点，广泛用于各种电子设备。尤其是军用通信领域，无线通信基站电源，以及新能源汽车。军用通信对电池特性具有更严格的要求，特别是在较低的温度下也能提供供电保障，必须满足极端气候下的可靠性。

文献记载，研究表明LiCoO₂/C锂离子电池常温和低温特性差异，-20℃温度下，起始放电仅3.8V，比常温时放电降低了0.35V，在放电过程中，电池电压下降速度较快，整个放电过程中无明显的放电电压平台，放电容量也减少30％[陈继涛，周恒辉，倪江锋，常文保，慈云祥C/LiCoO₂系锂离子电池低温充放电性能[J]电池2003(34)2，89～91]。导致锂离子电池低温下容量下降主要由以下三方面因素：

①电解液的锂离子传输性能差；

②充电过程中由于金属锂的沉积，导致电解液的分解；

③锂离子在石墨负极中的扩散阻力大。

文献记载：碳负极在低温下，锂离子嵌入碳负极的扩散速度，比锂离子从碳层中脱出时的扩散速度更慢，在低温条件下充电时，负极表面容易造成锂的析出与沉积，沉积出的金属锂比表面积大，具有高度的反应活性，与电解液发生不可逆反应，从而致使电池的容量不可逆的降低[陈猛，付庆茂，杨春林，文钟晨，赖春艳，解晶莹，史鹏飞，三电极电池用于锂离子电池低温性能研究[J]，中国稀土学报，2004，(22)专辑，173～176]

低温下正、负极颗粒固相传输离子阻抗的增大，导致低温下电池大电流充电性能的恶化，大电流充电时，固相传输的速率限制了锂离子的脱出和嵌入，正极颗粒内的锂离子来不及补充颗粒外部脱出的锂离子，颗粒内、外层就产生浓差极化。

锂离子电池低温条件下性能劣化，也存在其它物理因素，随着温度降低，电池内部各相，其物理特性也随之变化，液相向固相转化，电解液的部分溶剂凝固，导致离子迁移困难，导电能力下降，通过加入低凝固点的小分子溶剂改善溶剂低温凝固，会明显提高低温导电能力，但是采用小分子溶剂会导致腐蚀电极集流体，和带来负极表面化成不良问题。

隔膜由柔性向刚性转变，极片涂层中胶体化合物，其刚度不断随温度降低而增加，原来屈服状态的层间空间，因屈服状态变成刚性应力而增大，导致的离子迁移阻力增大，从而使内阻增加，有效容量减少。

影响锂离子电池低温性能劣化，还包括SEI膜电阻、界面电荷传递电阻增大，锂离子通过SEI膜扩散系数降低。

隔膜在低温下的电解液润湿性变差，导致的离子迁移阻力增大，低温情况下这些因素都影响锂离子电池低温性能。

发明内容