一种复合结构的锂离子电池热管控技术及其制备

技术领域

本发明属于锂离子电池与热电材料技术领域，具体涉及一种新型复合锂离子电池热管控技术及其制备方法。

背景技术

所有电池都有正极和负极，为我们的便携式设备供电。因此，手机或者电动汽车等使用锂离子电池的器件里电学本质上是电子流和其余零部件。以电动汽车为例，其一般使用磷酸铁锂电池，磷酸铁锂电池是以磷酸铁锂为正极的锂铁二次电池电极材料。磷酸铁锂电池通常是由正极、负极、隔膜和电解液组成，如图1所示。磷酸铁锂材料为电池正极，固体活性物质的混合物材料(Li

总方程式为：

由于磷酸铁锂电池具有能量密度高、污染少、性能稳定、生命周期长等优异性能已成为现今最具前景的电源之一，且广泛应用于便携式电子产品和交通运输工具中。同时，磷酸铁锂电池在高温、低温、过充过放等极端条件下的失效的安全性问题应得到重视和解决。磷酸铁锂电池在电池组中使用时，不免会出现一定程度的过充或过放的情况，是因为不同电池之间总是存在容量差异的。电池组中的每个单个的磷酸铁锂电池是十分困难将其的充电状态(SOC)控制为完全相同的，因此，电池组中的单个磷酸铁锂电池不可避免地会出现一定程度的过充电或过放电。

在各种锂离子电池中，将LiFePO

发明内容

针对现有技术的缺点或改进需求，本发明提供了一种复合结构的锂离子电池热管控技术及其制备，其采用全新的结构设计，将锂离子电池与热电电池进行复合，采用相应的制备方法进行两者的集成，从而制备出复合结构得锂离子电池。该电池不仅可以在过放电时提供一定电荷保护电池；另外对电池的温度实施控制，达到冬暖夏凉的效果，从而提升锂离子电池的使用寿命；并且还能够解决锂离子电池在过充过放电以及高温状况下的安全性问题。

为实现上述目的，按照本发明的制作锂离子电池方法，其中结构为：在锂离子电池周围集成纵向四块通以电压的热电电池，以及横向电池上下表面的自吸热放电的热电电池，所述锂离子电池在对电极上通过蒸镀、沉积、生长工艺方法分别在横纵两向沉积P型的热电材料，制备热电电池。

作为本发明的进一步优选，其中热电电池为复合薄膜热电材料制备的热电器件，它为纵向四块依次串联连接并与锂离子电池纵向四面相粘合；横向两块热电电池与锂离子电池的上下表面相粘合。

作为本发明的进一步优选，所述锂离子电池可以为基于环状包裹结构的磷酸铁锂电池(不仅局限于该类锂离子电池，也可以为其它类锂离子电池)，其中环状包裹结构具体为纵向四块通以电压的热电电池，以及横向电池上下表面的自吸热放电热电电池。

作为本发明的进一步优选，所述热电器件得材料可以采用碲化铋(Bi

按照本发明的另一方面，提供一种新型复合结构的锂离子电池制备方法，用于制备集成锂离子电池与热电电池的集成式新型锂离子电池，该方法具体包括：

(1)其包括将锂离子电池和热电电池表面作清洁处理；

(2)使用粘合剂将所述四块纵向热电电池热端分别与所述锂离子电池的正负电极相粘合,两块横向热电电池直接与锂离子电池的上表面与下表面粘合；

(3)将所述纵向热电电池的电极与电源相连接。

作为本发明的进一步优选，其中锂离子电池为基于环状包裹结构的磷酸铁锂电池(不仅局限于该类锂离子电池，也可以为其它类锂离子电池)，所述热电电池为横纵两个方向，纵向为隔膜平行且与横向垂直的方向，横向为锂离子电池正极-隔膜-负极的方向,其中环状包裹结构具体为纵向四块通以电压的热电电池，以及横向电池上下表面的自吸热放电热电电池。

本发明的复合结构的锂离子电池器件，在过充电过放电以及温度高的情况下，此时在复合器件中，通过对纵向四块热电电池加以电压能够使电池正负极四周(即放热量最大的地方)进行制冷处理；同时在过充放电时正负极会产生一定温差，利用塞贝克效应，横向两块热电电池将热能转换为电能，将会对锂离子电池的正负两极产生电荷进行微充电保护，从而在过充放电的情况下保护电池电量损耗。过充放电会对电池的可逆性物质产生破坏，从而使锂离子电池的总容量减少并且电池损耗会增大影响电池寿命，因此热电电池通过充放电在正负极(因为电化学反应)产生温度差形成的电荷积累可以有效的解决这一问题，且热电电池采用的是大面积扩散型的薄膜结构，因此对于电池的自然散热的影响几乎为零。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明中将锂离子电池与热电电池进行复合集成，制备的复合结构的锂离子电池不仅可以在过放电时提供一定电荷保护电池，而且能够提升锂离子电池的使用寿命；并且能够解决锂离子电池在过充过放电以及高温状况下的安全性问题。

(2)本发明利用复合热电材料既能加以电压制冷，又能通过电池正负极温差对正负极进行电荷积累的优势，完成锂离子电池与热电电池的集成式结构设计。

(3)本发明利用电极修饰和界面工程，在锂离子电池六个面直接进行热电电池的连接与制备，纵向四个面通以电压，横向两面自然粘合，将两个器件真正的集成在一起。

(4)本发明将锂离子电池和热电电池进行集成，利用热电集成器件，既对锂离子电池的正负两极有电荷积累作用，从而在过充放电的情况下保护电池；另一方面，纵向四块热电电池加以电压能够使电池正负极四周(即放热量最大的地方)进行制冷处理。

附图说明

图1是现有技术中的一种锂离子电池结构示意图；

图2是现有技术中的一种热电电池结构示意图；

图3是本发明实施例的锂离子与热电电池集成器件结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中图3中横向热电电池有上下两块，纵向热电电池有周围四块，包裹其中的为锂离子电池。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实施例的基于锂离子电池与热电电池集成的复合结构的锂离子电池器件结构如图3所示，器件结构从图3来看，内部为锂离子电池，自上而下分别为横向热电电池-四块纵向热电电池-横向热电电池。

本实施例中锂离子电池优选为磷酸铁锂电池，也可以为其它类型的锂离子电池。当然，本发明中的磷酸铁锂电池并不限于此，磷酸铁锂电池在业内已有较为成熟的工艺，也可以采用其它结构类型。热电器件优选采用Bi

将磷酸铁锂电池与热电电池集成的器件，可以利用塞贝克效应(温度升高产生电压)在电池过充放电的情况下于正负极产生电荷积累从而保护电池，并且可以利用电池本身电流或者充电时电源电流将电池进行升温或者降温处理。

如图3所示，横向热电电池位于锂离子电池上下两面，纵向热电电池位于锂离子电池另外四个面，具体集成方法可以采用粘合方法，也可以采用沉积膜的方式进行磷酸铁锂电池与热电电池结合。

下面的实施例中，采用直接粘合方法对集成方式进行详细说明。

本实施例中，锂离子电池优选使用基于环状包裹结构的磷酸铁锂电池，其中环状包裹结构具体为纵向四块通以电压的热电电池以及横向电池上下表面的自吸热放电热电电池。热电电池优选采用Bi

集成时，首先将磷酸铁锂电池和热电电池表面作清洁处理，保持表面清洁干燥无污染物。然后，使用导热硅脂，液态金属等导热性能良好的粘合剂，将两块热电电池的一端与磷酸铁锂电池的上下两表面相粘合，四块热电电池的一端与包裹磷酸铁锂电池正负极的四个表面用导热硅脂、液态金属等导热性能良好的粘合剂进行粘接。

该实施例中，磷酸铁锂电池由多块热电电池包裹，在电池处于工作状态时，电池正负极会产生温差，根据塞贝克效应，能够在电池的正负极产生电荷积累从而在过充放电的情况下保护电池，并且在周围包裹的电池上电极与电源相连通以电压，环境温度较高或者较低时可以通过加压来产生制热或者制冷的效果。

磷酸铁锂电池与纵向的热电电池的电极采用串联的方式相连，另外通过对电极的处理和界面的修饰，将磷酸铁锂电池的正极与热电电池的负极有机的连接起来，最后引出正负极导线。

在一个优选实施例中，也可以采用薄膜层积法，即通过在已经准备好的磷酸铁锂电池上通过蒸镀、沉积、生长等方法在对电极上分别沉积不同P型复合热电材料，然后依次成膜和沉积电极，最后组成集成的热电电池器件。本实施例中，在磷酸铁锂电池的碳电极上直接沉积或生长P型的复合热电材料，使得器件的联接成为一个整体，由于采取直接沉积和生长的方式，因此器件界面处的电荷积累和损耗可以调控而减小，不仅可以在过放电时提供一定电荷保护电池，而且能够提升磷酸铁锂电池的使用寿命，并且能够解决磷酸铁锂电池在过充过放电以及高温状况下的安全性问题。

磷酸铁锂电池对滥用条件也很敏感，其中，过放电是一种常见的滥用条件，对锂离子电池的电化学性能有很大影响，包括容量衰减、温度升高甚至热失控。过放电电池的温度变化会随着电池循环次数的变化而显着变化，过放电过程中的温度升高要比过放电前快得多，这就表明过放电阶段产生的热量要高得多。且过放电会导致电池容量的总量发生衰减，并且衰减程度会随着过放电深度的增加而恶化。

此外，磷酸铁锂电池在正常工作条件时，正负极也会随电池内部的电化学反应产生一定的温差，热电电池就可以通过温差给予正负极一定的电荷积累，扩充电池的电荷容量并且在滥用条件下也能保留部分电荷从而保护正负极的磷酸铁锂，PVDF，石墨等材料，能够大幅提升电池的使用寿命以及使用的安全性。

本发明中，将磷酸铁锂电池和热电电池通过电极连接起来做成包裹结构的锂电池器件，不仅利用了热电材料可以加热制冷的特点，还利用了热电材料在温差条件下积累电荷的特点，在基本不加重磷酸铁锂电池重量以及体积的情况下给予电池使用时的保护。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。