[发明专利]一种锂离子电池自控温集流体及其制备方法、应用

说明书

本发明公开了一种锂离子电池自控温集流体及制备方法，目的在于解决锂离子电池和固态锂电池在低温环境下的充放电性能差、倍率性能差等问题。该自控温集流体包括：导电涂层，用于负载电极材料；聚合物薄膜层，负载导电涂层及封装自控温电加热层，作为集流体的基体部分；电加热层电极，用于驱动自控温电加热层工作；自控温电加热层，设置于第一聚合物薄膜层和第二聚合物薄膜层之间，通过外接电源将电能转化为热能，并具有自控温特性，用于自限温加热锂电池。本发明具有加热速度快、加热效率高、结构简单、无控温元件和系统、制造工艺简单、成本低廉、且兼具自限温特性等优点。

技术领域

本发明涉及一种自控温集流体，具体而言，涉及一种具有自我控制温度能力的锂离子电池集流体的制备方法及应用。

背景技术

锂离子电池作为21世纪的“绿色二次电池”，具有能量密度大、开路电压高、使用寿命长、环境友好及自放电小等优点，被广泛应用于便携式电子设备、新能源汽车以及储能系统等领域。然而，在低温环境下，锂离子电池的电化学性能，包括充放电性能、倍率性能等，受到了极大的限制。这一问题广泛体现在智能手机在寒冷环境下电量骤降，电动汽车在冬季充电时间加倍以及续航里程腰斩等问题上。因此，如何保证锂离子电池在寒冷环境下使用是刻不容缓的现实问题。

在相关文献的记载中，一般采用加热元件对电芯或电池模组进行加热。例如，专利CN107591589A中提出的解决方案是，首先利用热敏电阻对电芯的温度进行测定，接着利用测压元件采集电芯的电压，若电芯未处于充放电状态，且电芯温度低于预热温度范围，将电芯加热至预热温度范围上限；若电芯处于充放电状态，且电芯温度低于正常工作温度范围，将电芯加热至正常工作温度范围上限。其中的加热系统由加热膜、保险丝、若干开关及电路组成。又如，专利CN110931675A提及，用串并联电路的方式在电芯单元之间引入加热器件，加热器件由加热元件（硅胶加热板）和加热继电器组成，最终组装成一整个电池模组。

显然，这类专利均存在响应时间滞后（一般需要热敏电阻进行温度测定，然后再启动加热）、加热慢（电池外向电池内加热的方式）、结构复杂（需要大量元器件，包括加热元件、加热继电器、热敏电阻、保险丝、开关等）、电池模组的空间利用率低（导致电池模组的体积比容量和质量比容量大幅降低）、工艺复杂、成本高等弊端。

发明内容

为了解决上述现有技术中的对锂电池电芯或电池模组进行加热时，响应时间长、加热速度慢、结构复杂等问题，本发明提供了一种锂离子电池自控温集流体，包括导电涂层、聚合物薄膜层、电加热层电极、自控温电加热层，所述导电涂层包括第一导电涂层和第二导电涂层，所述聚合物薄膜层包括第一聚合物薄膜层和第二聚合物薄膜层，所述导电涂层，用于负载正极材料或者负极材料；所述聚合物薄膜层，负载所述导电涂层及封装自控温电加热层，作为锂离子电池自控温集流体的基体部分；所述电加热层电极，设置于第二聚合物薄膜层上，对其施加直流或交流电来驱动自控温电加热层工作；所述自控温电加热层，设置于第一聚合物薄膜层和第二聚合物薄膜层之间。其工作原理为，在外加电压下，自控温电加热层的自控温电热复合材料内部由于自由电子沿外电场方向移动而形成电流，根据焦耳一楞次定律，随着时间的延长而产生热量，即电能转化为热能。其控温原理为当温度接近自控温电热复合材料结晶性基体的熔点时，结晶熔融使得体积发生膨胀，导致内部导电通路被迅速破坏，使自控温电热复合材料的电阻率发生剧增，出现明显的PTC效应，从而实现控制加热温度的效果。

进一步的，所述第一导电涂层和第二导电涂层由铝、铜、银或铂构成，通过蒸发镀膜、磁控溅射、浆料涂覆分别与第一聚合物薄膜层和第二聚合物薄膜层任意一个表面复合获得单面导电聚合物薄膜层，导电涂层厚度为5-20μm。

进一步的，所述聚合物薄膜层为聚酰亚胺、聚醚砜树脂、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯这些聚合物薄膜中的一种或几种，其厚度为5-20μm。

进一步的，所述电加热层电极以铜、银或铂作为电极材料，通过丝网印刷、蒸发镀膜、磁控溅射、贴合将铜或银或铂电极设置于所述第一导电涂层和第一聚合物薄膜层构成的单面导电聚合物薄膜层的非导电面，并与自控温电加热层接触。