一种自加热电池及其自加热方法与流程

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种自加热电池及其自加热方法。

背景技术：

随着智能手机等便携式移动设备功能集成度的不断增加以及设备小型化轻薄外型个性化的发展，智能便携式移动设备的电能消耗不断增加的同时，留给电池的空间却不断地缩小，因而智能移动设备电池的能量密度压力越来越大。与此同时，随着锂离子电池能量密度的提升，其充电温度窗口和充电速度并没有相应增加甚至有所下降。

众所周知，锂离子电池的充电速度与其所处的环境温度条件息息相关。常用的锂离子电池其充电温度范围为0~45℃，放电温度范围为-20~60℃。在冬季或高海拔地区室外活动时常常因智能手机或使用锂离子电池的用电设备长期处于低温环境下（如低于0℃），特别是当智能移动设备长期处于户外低于-20℃的温度条件下时，几乎不能对外工作，即智能移动设备的应用环境范围受到极大的限制。

目前，提高电池低温下充电速度的方案通常有两种，一是在电池单体或模组或整箱中设置电加热部件（中小型电池）或热管理系统（大中型电池），在给电池充电前，通过电加热部件或热管理系统先将电池单体的温度加热到能够耐受大电流充电的温度窗口后，再用相应的电流给电池进行充电；二是在电池对外输出截止时，预留10%~15%的能量在电池中，在电池充电前，通过脉冲大电流放电的方式，将此部分预留电量输出给外部负载，利用电池单体内部电化学反应产生的极化热，将电池本体的温度升高到可以承受大电流充电的温度窗口后，再用相应的电流给电池进行充电。虽然上述两种方案在某种程度上可以实现电池在低温环境下补电之目的，但仍然存在不足。方案一的不足之处在于：a）因使用外部加热器件或热管理系统，明显降低了电池的体积和重量能量密度；b)电池加热之热传导方式是由电池外向电池内传递，热传导效率低，同时电池单体内外部的热量或温度很难实现均衡；c）因外部加热部件或热管理系统之热交换部件无法面面俱到，所以无法实现电池单体之间的热量或温度均衡。方案二的不足之处在于：a)为了预留部分能量给电池加热，电池在对外输出时的有效能量减少，同样减少了电池的可用能量密度；b）在使用预留容量脉冲放电时，因受到外电路负载大小以及bms的限制，很难实现有计划的脉冲大电流输出；c)因为外电路负载的存在，对负载放电时，当负载阻抗相对电池内阻越大，外部发热量相对电池本身发热量就越大，因而用于给电池本身升温的能量就越小；相反，尽管在理论上当负载阻抗相对于电池内阻越少，外部发热量相对电池本身发热量就越小，即用于给电池本身升温的能量就越多，然而因为bms系统和/或熔断器的短路保护功能之存在，使得“频繁”的大电流脉冲对外放电几乎不可能实现。

有鉴于此，确有必要提供一种自加热电池及其自加热方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，提供一种自加热电池，该电池具有物理开合式的内部加热开关，避免电池通过外部部件加热时受制于bms和/或短路保护装置，提升电池的可用能量密度，低温下具有更快的充电速度。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种自加热电池，包括正极片、负极片、间隔设置于正极片和负极片之间的隔离膜、焊接于正极片的正极极耳以及焊接于负极片的负极极耳，所述正极片包括铝箔和正极膜片，所述铝箔设置有正极涂覆区和正极加热区，所述正极膜片涂覆于所述正极涂覆区；所述负极片包括铜箔和负极膜片，所述铜箔设置有负极涂覆区和负极加热区，所述负极膜片涂覆于所述负极涂覆区，所述正极加热区和所述负极加热区相对设置，且所述正极加热区和所述负极加热区均设置有橡胶绝缘垫层。

其中，橡胶绝缘垫层相当于是物理开合式加热开关，当锂离子电池处于低温环境中需要进行自加热时，只需挤压正极加热区和负极加热区使得橡胶绝缘垫层变形，此时相当于是加热开关打开，正极加热区和负极加热区接触，正负电极间相互放电而给电池自身加热。当然，此时也可以通过外电路对电池充电，这时电池本身等效为一个纯电阻，外部电流流过电阻，电阻自身发热，从而给电池自身加热。当电池完成升温要停止自加热时，去除施加在正极加热区和负极加热区的挤压力即可，橡胶绝缘垫层恢复原状，此时相当于是加热开关关闭，正极加热区和负极加热区隔离，从而结束自加热过程。另外，正极加热区和负极加热区是与电池为一体的，避免电池通过外部部件加热时受制于bms和/或短路保护装置，消除外部热源加热带来的热不均衡问题，缩短低温充电时间；除此之外，还能提升电池的可用能量密度，实现低温下更快的充电速度。

作为本发明所述的自加热电池的一种改进，所述正极加热区设置于所述铝箔的边缘区域，所述负极加热区设置于所述铜箔的边缘区域，所述橡胶绝缘垫层设置于所述正极加热区的两面以及所述负极加热区的两面。

作为本发明所述的自加热电池的一种改进，所述正极加热区设置于所述铝箔的主体区域，所述负极加热区设置于所述铜箔的主体区域，所述橡胶绝缘垫层设置于所述正极加热区朝向所述隔离膜的一面以及所述负极加热区朝向所述隔离膜的一面。

作为本发明所述的自加热电池的一种改进，所述隔离膜在所述正极加热区和所述负极加热区对应的位置设置有镂空区。

作为本发明所述的自加热电池的一种改进，所述正极加热区的形状大小大于所述镂空区的形状大小，所述镂空区的形状大小大于所述负极加热区的形状大小。

作为本发明所述的自加热电池的一种改进，所述橡胶绝缘垫层的厚度为0.05~2mm。

本发明的另一个目的在于提供一种电池的自加热方法，包括以下步骤：

（1）锂离子电池在低温环境中使用；

（2）挤压锂离子电池的正极加热区和负极加热区，使得橡胶绝缘垫层变形，正极加热区和负极加热区接触；

（3）锂离子电池正负电极间相互放电实现自身加热，或者通过外电路对锂离子电池充电实现自身加热；

（4）当电池自加热到预定温度时，去除施加在正极加热区和负极加热区的挤压力，橡胶绝缘垫层恢复原状，使得正极加热区和负极加热区之间隔离，从而结束自加热过程。

作为本发明所述的电池的自加热方法的一种改进，所述低温环境是指温度在-50℃~0℃范围内的环境。

作为本发明所述的电池的自加热方法的一种改进，所述正极加热区和所述负极加热区接触后的接触电阻r大于锂离子电池当前温度tx下的交流阻抗r1，所述正极加热区和所述负极加热区接触后的接触电阻r小于锂离子电池当前温度tx下使用2c电流放电时的直流电阻r2。当r值过小时容易导致加热电流过大，正极加热区和负极加热区局部过热，当热量大于隔离膜耐受温度时，容易造成隔膜之不可逆损伤；当r值r值过大时容易致使加热电流过小，加热效率过底，以至于加热效果不显著。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

1）本发明变传统的电池外部加热为电池内部自加热，减少热量传导过程，使得自加热效率更高；

2）本发明在正极加热区和负极加热区设置橡胶绝缘层，使得正极加热区和负极加热区之间可以实现物理开合，避免电池通过外部部件加热时受制于bms和/或短路保护装置；

3）与传统外部加热方式相比，本发明提升了电池的可用能量密度，特别是低温环境下的可用能量密度；

4）与传统外部加热方式相比，本发明在低温环境下具有更快的充电速度。

附图说明

图1是实施例1和实施例2中正极片的结构示意图。

图2是实施例1和实施例2中负极片的结构示意图。

图3是实施例1和实施例2中电池的结构示意图。

图4是实施例3和实施例4中正极片的结构示意图。

图5是实施例3和实施例4中负极片的结构示意图。

图6是实施例3和实施例4中隔离膜的结构示意图。

图7是实施例3和实施例4中电池的结构示意图。

其中：1-正极片，2-负极片，3-隔离膜，4-正极极耳，5-负极极耳，6-橡胶绝缘垫层，11-铝箔，12-正极膜片，21-铜箔，22-负极膜片，31-镂空区，111-正极涂覆区，112-正极加热区，211-负极涂覆区，212-负极加热区。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例1

如图1~3所示，本实施例提供一种自加热电池，包括正极片1、负极片2、间隔设置于正极片1和负极片2之间的隔离膜3、焊接于正极片1的正极极耳4以及焊接于负极片2的负极极耳5，正极片1包括铝箔11和正极膜片12，铝箔11设置有正极涂覆区111和正极加热区112，正极膜片12涂覆于正极涂覆区111；负极片2包括铜箔21和负极膜片22，铜箔21设置有负极涂覆区211和负极加热区212，负极膜片22涂覆于负极涂覆区211，正极加热区112和负极加热区212相对设置。正极加热区112设置于铝箔11的边缘区域，负极加热区212设置于铜箔21的边缘区域，橡胶绝缘垫层6设置于正极加热区112的两面以及负极加热区212的两面。橡胶绝缘垫层6的厚度为0.05~2mm。

本实施例中电池的自加热方法，包括以下步骤：

（1）锂离子电池在-50℃~0℃的低温环境中使用；

（2）挤压锂离子电池的正极加热区112和负极加热区212，使得橡胶绝缘垫层6变形，正极加热区112和负极加热区212接触；

（3）锂离子电池正负电极间相互放电实现自身加热；

（4）当电池自加热到预定温度时，去除施加在正极加热区112和负极加热区212的挤压力，橡胶绝缘垫层6恢复原状，使得正极加热区112和负极加热区212之间隔离，从而结束自加热过程。

需要说明的是，正极加热区112和负极加热区212接触后的接触电阻r大于锂离子电池当前温度tx下的交流阻抗r1，正极加热区112和负极加热区212接触后的接触电阻r小于锂离子电池当前温度tx下使用2c电流放电时的直流电阻r2。

实施例2

与实施例1不同的是：本实施例中电池的自加热方法，包括以下步骤：

（1）锂离子电池在-50℃~0℃的低温环境中使用；

（2）挤压锂离子电池的正极加热区112和负极加热区212，使得橡胶绝缘垫层6变形，正极加热区112和负极加热区212接触；

（3）通过外电路对锂离子电池充电实现自身加热；

（4）当电池自加热到预定温度时，去除施加在正极加热区112和负极加热区212的挤压力，橡胶绝缘垫层6恢复原状，使得正极加热区112和负极加热区212之间隔离，从而结束自加热过程。

需要说明的是，正极加热区112和负极加热区212接触后的接触电阻r大于锂离子电池当前温度tx下的交流阻抗r1，正极加热区112和负极加热区212接触后的接触电阻r小于锂离子电池当前温度tx下使用2c电流放电时的直流电阻r2。

其它的与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例3

如图4~7所示，本实施例提供一种自加热电池，包括正极片1、负极片2、间隔设置于正极片1和负极片2之间的隔离膜3、焊接于正极片1的正极极耳4以及焊接于负极片2的负极极耳5，正极片1包括铝箔11和正极膜片12，铝箔11设置有正极涂覆区111和正极加热区112，正极膜片12涂覆于正极涂覆区111；负极片2包括铜箔21和负极膜片22，铜箔21设置有负极涂覆区211和负极加热区212，负极膜片22涂覆于负极涂覆区211，正极加热区112和负极加热区212相对设置。正极加热区112设置于铝箔11的主体区域，负极加热区212设置于铜箔21的主体区域，橡胶绝缘垫层6设置于正极加热112区朝向隔离膜3的一面以及负极加热区212朝向隔离膜3的一面。隔离膜3在正极加热区112和负极加热区212对应的位置设置有镂空区31。正极加热区112的形状大小大于镂空区31的形状大小，镂空区31的形状大小大于负极加热区212的形状大小。橡胶绝缘垫层6的厚度为0.05~2mm。

本实施例中电池的自加热方法，包括以下步骤：

（1）锂离子电池在-50℃~0℃的低温环境中使用；

（2）挤压锂离子电池的正极加热区112和负极加热区212，使得橡胶绝缘垫层6变形，正极加热区112和负极加热区212接触；

（3）锂离子电池正负电极间相互放电实现自身加热；

（4）当电池自加热到预定温度时，去除施加在正极加热区112和负极加热区212的挤压力，橡胶绝缘垫层6恢复原状，使得正极加热区112和负极加热区212之间隔离，从而结束自加热过程。

需要说明的是，正极加热区112和负极加热区212接触后的接触电阻r大于锂离子电池当前温度tx下的交流阻抗r1，正极加热区112和负极加热区212接触后的接触电阻r小于锂离子电池当前温度tx下使用2c电流放电时的直流电阻r2。

实施例4

与实施例3不同的是：本实施例中电池的自加热方法，包括以下步骤：

（1）锂离子电池在-50℃~0℃的低温环境中使用；

（2）挤压锂离子电池的正极加热区112和负极加热区212，使得橡胶绝缘垫层6变形，正极加热区112和负极加热区212接触；

（3）通过外电路对锂离子电池充电实现自身加热；

（4）当电池自加热到预定温度时，去除施加在正极加热区112和负极加热区212的挤压力，橡胶绝缘垫层6恢复原状，使得正极加热区112和负极加热区212之间隔离，从而结束自加热过程。

需要说明的是，正极加热区112和负极加热区212接触后的接触电阻r大于锂离子电池当前温度tx下的交流阻抗r1，正极加热区112和负极加热区212接触后的接触电阻r小于锂离子电池当前温度tx下使用2c电流放电时的直流电阻r2。

其它的与实施例3相同，这里不再赘述。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。