一种基于形状记忆效应的低温锂电池智能加热装置及方法

技术领域

本发明涉及电化学新能源领域，具体涉及一种具有低温智能加热功能的锂离子电池加热装置及加热方法，所述智能加热设计能够显著改善新能源电池的低温充放电性能。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、环境污染小等优点，但是，锂离子电池在-20℃以下的低温环境中充放电性能将大幅度降低，不适应外太空、南北极以及高纬度等极寒地区的长期使用。从国内外的研究现状来看，内、外部加热和电极材料体系改进是目前常用的两种方法，而内、外部加热又是最简单、有效的一种设计方法。

中国专利(104282965A)公开了一种锂离子电池自加热装置及方法，即通过对锂离子电池组进行高频充放电，通过加热控制器开关使锂离子电池进行自加热的方法。

中国专利(106450527A)公开了一种采用锂离子电池组低温放电过程自身产热、通过加热控制器开关的方法，实现锂离子电池自加热，从而提高电池组低温容量利用率。

中国专利(109066017A)公开了一种通过锂离子电池自身放电给石墨烯加热片通电，通过加热控制器开关，实现电池自加热的目的，并通过仿真模拟手段预测电池自加热的温度及时间。

但是，上述加热方式都是采用电子控制器或继电器来打开/关闭加热过程，需要在电池组的基础上再设计额外的控制电路系统，目前还需要开发一种简单的电池低温加热方法。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提出一种利用形状记忆材料设计具有自主开、关功能的智能加热装置，改善锂电池的低温充放电性能。

本发明技术方案如下：

本发明提供的锂离子电池智能加热装置包括保温外壳，所述保温外壳内部设有锂离子电池组、电致形状记忆加热片和具有主动打开、关闭功能的电致形状记忆开关；所述锂离子电池组与电致形状记忆开关和电致形状记忆加热片通过导线形成连接回路；所述电致形状记忆加热片在加热状态时贴合在锂离子电池组的表面；所述电致形状记忆加热片在非加热状态时与锂离子电池组的表面相接触但不贴合。

优选地，本发明提供的保温外壳为强度较高的金属材料表面涂覆保温绝热层，例如聚氨酯保温层、酚醛树脂保温层等。

优选地，本发明所提供的电致形状记忆开关为形状记忆转变温度以下的电致形状记忆材料，主要是碳纳米管、石墨烯等纳米碳材料与形状记忆合金或形状记忆聚合物复合而成，其中的形状记忆合金包括镍钛、镍铝、铜铝镍等合金材料，形状记忆聚合物包括聚偏氟乙烯/丙烯酸酯、热塑聚氨酯(TPU)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、热塑性橡胶(TPR)等聚合物。

本发明提供的电致形状记忆加热片是碳纳米管、石墨烯等纳米碳材料与镍钛形状记忆合金复合而成，在形状记忆转变温度以下通电后形状记忆加热片在通电后发生弯曲变形贴合在电池表面进行加热，电池组、加热片和形状记忆开关相连形成闭合电路。

本发明的利用形状记忆开关实现锂离子电池低温智能加热方法，包括以下步骤：

(1)锂离子电池组在电致形状记忆开关的形状记忆转变温度以下的低温环境中使用；

(2)电致形状记忆开关闭合，锂离子电池组、电致形状记忆加热片和电致形状记忆开关相连形成闭合电路；

(3)电致形状记忆加热片在通电后发生弯曲变形贴合在电池表面进行加热；

(4)锂离子电池组内部温度上升到电致形状记忆开关的形状记忆转变温度以上后，电致形状记忆开关断开，电致形状记忆加热片停止加热，锂离子电池加热完毕。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

(1)采用电致形状记忆开关，加热控制方式简单，不需要继电器等电子控制开关；

(2)采用电致形状记忆加热片，加热方式简单、可控，不需要加热器等加热装置。

附图说明

图1为本发明提供的锂离子电池加热装置的结构图；

图2为本发明提供的锂离子电池加热装置的电路图；

图中，1保温外壳；2锂离子电池组1；3电致形状记忆加热片；4电致形状记忆开关。

具体实施方式

实施例1

首先取形状记忆转变温度为0℃的镍铁合金丝，直径0.1mm，在-10℃对镍铁合金丝进行拉伸变形，变形量为150％；

通过氩气保护的化学气相沉积法将镍铁合金丝与石墨烯复合，在750～800℃以酒精为碳源，在镍铁合金丝表面生长石墨烯，反应10～20分钟后获得镍铁合金丝与石墨烯的质量比为5:1～8:1的镍钛/石墨烯电致形状记忆开关。

电致形状记忆加热片也是通过上述氩气保护的化学气相沉积法将镍铁合金丝与石墨烯复合，镍铁合金丝与石墨烯的质量比为3.5:1～5.5:1。

将锂离子电池组、电致形状记忆加热片和电致形状记忆开关形成具有自加热功能的锂离子电池组，并置于保温外壳中，形成锂离子电池加热装置。

本实施例所提供的锂离子电池加热装置的结构图和电路图分别如图1和图2所示。锂离子电池加热装置包括保温外壳，保温外壳内部设有锂离子电池组、电致形状记忆加热片和具有主动打开、关闭功能的电致形状记忆开关；锂离子电池组与电致形状记忆开关和电致形状记忆加热片通过导线形成连接回路(由于锂离子电池组的遮挡，电致形状记忆开关在图1中未画出)；电致形状记忆加热片在加热状态时贴合在锂离子电池组的表面；电致形状记忆加热片在非加热状态时与锂离子电池组的表面相接触但不贴合。

将锂离子电池组在0℃以下的低温环境中使用；

镍铁合金丝发生收缩变形，电致形状记忆开关闭合，锂离子电池组、电致形状记忆加热片和电致形状记忆开关相连形成闭合电路；

电致形状记忆加热片在通电后发生弯曲变形贴合在锂离子电池组表面进行加热；

电池组内部温度上升到0℃以上后，镍铁合金丝发生伸长变形，电致形状记忆开关断开，电致形状记忆加热片停止加热。

实施例2

首先取形状记忆转变温度为-10℃的聚偏氟乙烯/丙烯酸酯丝，直径0.1mm，在-10℃对聚偏氟乙烯/丙烯酸酯丝进行拉伸变形，变形量为200％；

通过静电纺丝工艺将聚偏氟乙烯/丙烯酸酯丝与石墨烯复合获得电致形状记忆开关，具体步骤为：将聚偏氟乙烯/丙烯酸酯丝与石墨烯按照质量比2:1～3:1进行混合，在室温将配制好的聚偏氟乙烯/丙烯酸酯丝/石墨烯混合溶液放入玻璃毛细管中，在20～30kV电压条件下混合溶液喷射形成细流，再固化成为纤维状细丝；

电致形状记忆加热片也是通过上述静电纺丝工艺将聚偏氟乙烯/丙烯酸酯丝与石墨烯复合而成，聚偏氟乙烯/丙烯酸酯丝与石墨烯的质量比为1.5:1～2.5:1。

将锂离子电池组、电致形状记忆加热片和电致形状记忆开关形成具有自加热功能的锂离子电池组，并置于保温外壳中，形成锂离子电池加热装置。

本实施例所提供的锂离子电池加热装置的结构图和电路图分别如图1和图2所示。

锂离子电池组在在-10℃以下的低温环境中使用；

聚偏氟乙烯/丙烯酸酯丝发生收缩变形，电致形状记忆开关闭合，电池组、加热片和形状记忆开关相连形成闭合电路；

电致形状记忆加热片在通电后发生弯曲变形贴合在电池表面进行加热；

电池组内部温度上升到-10℃以上后，聚偏氟乙烯/丙烯酸酯丝发生伸长变形，电致形状记忆开关断开，电致形状记忆加热片停止加热。