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。
技术实现要素：
本发明针对现有锂离子电池，低温下正、负极颗粒固相锂离子传输阻抗的增大。液相向固相转化，电解液的部分溶剂凝固，导致锂离子迁移困难。隔膜由柔性向刚性转变，极片涂层中胶体化合物，其刚度随温度降低而不断增加，也会导致离子迁移困难，低温下存在多因素造成容量下降；提出一种热耦合抗低温锂离子电池。热耦合抗低温锂离子电池包括锂离子电池，碳层电热薄膜。碳层电热薄膜与锂离子电池电芯紧贴安装，碳层电热薄膜的供电，是通过锂离子电池包壳外的温度控制器，由温度控制器控制锂离子电池与碳层电热薄膜导通或断开，锂离子电池与碳层电热薄膜导通时，碳层电热薄膜产热给锂离子电池电芯加热升温，此时，锂离子电池放电状态自身同时产热，锂离子电池自身产热与碳层电热薄膜产热形成热耦合，加快了锂离子电池电芯温升，锂离子电池电芯温升后，低温下造成容量下降诸多因素得到改善，锂离子电池电芯温升升至设置的常温工况温度时，温度控制器控制其断开，此时热耦合抗低温锂离子电池处于常温工况下放电，放电性能得到了显著改善。
实现本发明的技术方案
热耦合抗低温锂离子电池包括锂离子电池、碳层电热薄膜。碳层电热薄膜与锂离子电池紧贴布置安装，碳层电热薄膜的电路接入是通过锂离子电池包壳外的温度控制器，根据实时温度需要，选择控制碳层电热薄膜与锂离子电池导通或断开；锂离子电池包壳，可选用铝塑复合膜或金属外壳。温度控制器可选用商品温度控制器。
当温度低于-30℃时，控制碳层电热薄膜与锂离子电池的电路的温度控制器控制导通，碳层电热薄膜与锂离子电池的导通之后，碳层电热薄膜面状发热与紧贴的锂离子电池接触传热，锂离子电池获得传热，即温度上升，此时，锂离子电池在给碳层电热薄膜输送电能同时，自身的放电化学反应也同步产热，锂离子电池的产热与碳层电热薄膜面状发热形成热耦合，热耦合形成的加热效应使锂离子电池的温度迅速上升，锂离子电池的温度迅速上升之后，造成低温下容量下降的诸多因素得到改善，有效放电容量迅速上升，锂离子电池即进入常温工况，此时，放电平台和放电倍率将回升到常温的特性。锂离子电池的温度回升到常温工况时，碳层电热薄膜与锂离子电池的电路导通状态由温度控制器控制断开。
所述的锂离子电池，主要由隔膜、负极、正极，隔膜组成、还包括电解液以及包壳，其中，负极、正极的组合层数可以根据电池容量确定。
所述的隔膜，可以选取单层PE、单层PP、3层PP/PE/PP复合，湿法、干法制备锂离子电池专用隔膜；
所述的正极，可选取钴酸锂、锰酸锂、镍锰钴酸锂、磷酸铁锂。
所述的负极，可选取天然石墨，人造石墨，中间相微球，钛酸锂。
所述的电解液，包括高氯酸锂、六福磷酸锂，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯；
所述的包壳，可选用铝塑复合膜、金属外壳，包壳未在附图中给出；
所述的碳层电热薄膜，包括绝缘膜，碳材料、导电带、粘合剂组成；
所述的绝缘膜，由两层绝缘膜组成夹层，夹层间是碳层、导电带、粘合剂；绝缘膜选用聚酯薄膜，聚酯薄膜机械性能优良，刚性、硬度及韧性高，耐摩擦，耐高温和低温，耐化学腐蚀、耐油、气密性好，是常用的阻透性薄膜基材。
所述的碳层，主要由纳米碳材料、黏结剂组成，纳米碳碳材料选取碳纳米管、碳纳米线、炭黑、石墨烯，或其组合，黏结剂选取聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、丁苯乳胶衍生物其中一种，混合制备薄膜，制备的薄膜具有导电性，碳层通电时具有发热功能。
所述的导电带，采用铜箔材料，导电带将碳层两端连接导通。
所述的粘合剂，选取环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、聚氨酯树脂，聚乙烯醇缩醛、过氯乙烯树脂，氯丁橡胶，丁腈橡胶其中一种；优选聚氨酯胶粘剂，聚氨酯胶粘剂具有高度的活性与极性，聚氨酯胶粘剂与塑料、木材、皮革、织物、纸张、陶瓷等基材都有优良的化学粘接力。
聚氨酯胶粘剂将绝缘膜夹层间内相向面粘结密封，使碳层、导电带处于被密封状态，以保持碳层、导电带与两层绝缘膜组成夹层外界气氛隔离，从而提高安全性、可靠性和耐用性。
本发明的积极意义
一种热耦合抗低温锂离子电池，在增加微小的体积和重量条件下，显著的改善了现有锂离子电池在低温下性能劣化的缺陷，对军用通信领域，无线通信基站电源，以及新能源汽车。尤其是军用通信对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，即有重要的意义。
附图说明
图1是本发明热耦合抗低温锂离子电池电路原理图；
图中，V锂离子电池、101碳层电热薄膜、R2K温度控制器、R1温度电阻，T 温度信号接入端、J1温度控制器R2K输出控制端、J2温度控制器R2K输出控制端、 R3碳层电热薄膜101的受控端、R4碳层电热薄膜101电源连接端。
图2是本发明热耦合抗低温锂离子电池结构示图；
图中，101碳层电热薄膜、100隔膜、1负极、2正极，图中包壳未给出；
图3是碳层电热薄膜结构示图；
图中，由下至上各层分别为：第一层，1011绝缘膜，第二层，1012碳层、 1013导电带、1014粘合剂、第三层，1011绝缘膜；
图4是图3展开示意图；
图中，1011绝缘膜在底、和在顶，形成夹层结构，1012碳层、1013导电带、1014粘合剂，置夹层内。
具体实施方式
以下结合附图具体实施方式进一步详细说明
如图1所示，温度控制器R2K的温度信号接入端T，连接温度电阻R1，温度控制器R2K输入控制端J2，连接锂离子电池V的电源端-，温度控制器R2K输出控制端J1，连接碳层电热薄膜101的受控端R3，碳层电热薄膜101电源连接端 R4，与锂离子电池V电源端+连接；
如图2所示，所述的热耦合抗低温锂离子电池，碳层电热薄膜101、隔膜100、负极1、正极2。
其中，100、负极1、正极2组成锂离子电池，碳层电热薄膜101分别紧贴锂离子电池的上下两个面并固定，热耦合抗低温锂离子电池包壳图中未给出。
所述的负极1，可选取天然石墨，人造石墨，中间相微球，钛酸锂其中一种；
所述的正极2，可选取钴酸锂、锰酸锂、镍锰钴酸锂、磷酸铁锂其中一种；
所述的隔膜100，可以选取单层PE、单层PP、3层PP/PE/PP复合，湿法、干法制备锂离子电池专用隔膜；
所述的隔膜100、负极1、正极2的组合层数，可以根据电池容量需要组合；
如图3、图4所示，所述的碳层电热薄膜101，由绝缘膜1011，碳层1012、导电带1013、粘合剂1014组成；
所述的绝缘膜1011上下两层组成夹层结构，夹层间是碳层1012、导电带1013、粘合剂1014；绝缘膜1011选用聚酯薄膜。
所述的碳层1012，主要由纳米碳材料、黏结剂组成，纳米碳碳材料选取碳纳米管、碳纳米线、炭黑、石墨烯，或其组合，黏结剂选取聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、丁苯乳胶衍生物其中一种，混合制备薄膜，制备的薄膜具有导电性，碳层通电时具有发热功能。
所述的导电带1013，是铜箔材料，导电带将碳层两端连接导通，锂离子电池V通过导电带与碳层构成负载回路。
所述的粘合剂1014，选取环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、聚氨酯树脂，聚乙烯醇缩醛、过氯乙烯树脂，氯丁橡胶，丁腈橡胶其中一种，优选聚氨酯胶粘剂，聚氨酯胶粘剂置两层绝缘膜1011组成夹层的层内相向面粘结密封，使碳层 1012、导电带1013处于被密封状态，密封状态的绝缘膜1011组成夹层，保持碳层1012、导电带1013与夹层外气氛隔离，从而提高安全性、可靠性和耐用性。
热耦合抗低温锂离子电池工作方式
温度电阻R1探测到电池温度低于-30℃时，温度控制器R2K导通碳层电热薄膜R与锂离子电池V形回路，锂离子电池V对碳层电热薄膜101放电，碳层电热薄膜101即开始发热，碳层电热薄膜101紧贴于隔膜100、碳负极1、正极2组成的锂离子电池V的两面，碳层电热薄膜101属表面发热，碳层电热薄膜101 表面的热量迅速传导至锂离子电池V，在碳层电热薄膜101加热作用下，锂离子电池V获得热量，温度上升，锂离子电池V放电电流逐渐增大，与此同时，锂离子电池V在放电过程自身产热，锂离子电池V自身产热与碳层电热薄膜101加热形成热耦合，使锂离子电池V温度上升速度进一步加快，当锂离子电池V温度上升至设定温度时，温度控制器R2K断开碳层电热薄膜101与锂离子电池V输出电路，碳层电热薄膜101停止工作，锂离子电池进入常温态工况。锂离子电池的放电容量即可恢复到常温工况。