提高电池低温启动性能的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提高电池低温启动性能的方法。
【背景技术】
[0002]目前各种二次电池均存在一个常见的问题，就是在低温环境下其性能较常温下显著变差，具体表现在放电电压大幅下降、放电容量大幅下降、充电速度显著降低等，致使电池在低温环境下电池容量得不到有效发挥、无法满足设计和使用要求。比如锂离子电池在-400C下放电容量只有室温容量的50 %左右，在-50°C下基本无法启动；铅酸电池温度没下降I度，容量衰减约1%。电池低温性能的不佳，严重制约了电动汽车、电动大巴车、电动自行车等在北方寒地的推广使用，使得传统燃油汽车启动困难，以及军用特种电池难以保证在极寒地区的作战需求等。因此，开发提高电池低温性能的方法非常重要。
[0003]影响电池低温性能的主要因素有:(I)低温下电解液的离子传输性下降，包括低温下溶剂的粘度增大，离子迀移率减小，导致电导率减小，电阻极化增大；同时电解质盐在低温下溶解度下降，出现局部结晶现象；此外，对于电解液参与反应的电池，如铅酸电池和镍氢电池等，低温下浓差极化增大。(2)低温下电极反应速率变慢，导致正负极的电化学极化加剧。对于锂离子电池来说，低温下锂离子在正负极材料中的嵌入脱出反应速度下降；对于铅酸电池和镍氢电池，低温下其正极和负极的电化学反应速率下降。上述低温导致的电化学极化、浓差极化和电阻极化程度的加剧，导致电池放电电压、放电容量和大倍率放电性能均出现显著的下降。基于上述原因，目前提高电池低温性能主要是从电池内部各个组成材料入手研宄解决方案，包括开发新的电极材料、新的电解液体系，以及优化电池的制备工艺等，目前这方面的进展十分缓慢。另一个解决思路是给电池外部加装预热系统，这一方面增加电池的重量和体积，增加了电池系统的复杂性，给电池的使用造成不便，同时加热由外向内，加热慢且不均匀，也不是有效的解决电池低温性能的方法。因此，开发简单的从电池内部实现电极材料和电解液快速升温的方法可以解决电池低温的问题，从而提高电池的环境适用性至关重要。电池的低温问题，主要是出在电池启动初期，电池正常工作后，其产生的热量可以维持电池在适宜的温度下工作。
[0004]超薄的柔性石墨纸是用可膨石墨经特殊工艺压制而成的。其密度约为1.0g/cm3至
1.8g/cm3，比铝轻25%，比铜轻75%。有优异的耐热性和耐寒性，在_200°C?450°C (在氧化介质中)的温度范围内其物理性质几乎没有什么变化；同时具有优异的耐化学和电化学腐蚀性能和导电性；其平面方向导热率可达1200W/mK并且导热均匀；能够平滑贴附在任何表面和弯曲的表面，并可根据需求改变形状。尤为重要的是，超薄柔性石墨纸还是一种极佳的电致发热材料，在直流电压的作用下，可以实现快速均匀的加热作用，在几秒钟可实现温升40度以上。上述这些性质使得超薄柔性石墨纸可以作为电池内部的电热元件，配以外加电源，实现电池温度均匀快速的提升。
【发明内容】
[0005]本发明是要解决现有电池低温启动期间电压和放电容量低，使用性能不佳的问题，提供提高电池低温启动性能的方法。
[0006]本发明提高电池低温启动性能的方法，具体为:
[0007]对于采用金属箔为集流体的锂离子电池，用柔性石墨纸替代金属箔作为集流体，将外接电源直接连接在石墨纸集流体的极耳上，控制加热电压范围I?220V，所述柔性石墨纸的厚度为0.01?1.0mm0
[0008]由于电极材料和电解液直接与石墨纸集流体接触，从而实现对电池整个电芯的快速均匀加热。
[0009]本发明另一种提高电池低温启动性能的方法，具体为:
[0010]对于使用栅板或泡沫金属为集流体的电池，将带有孔隙的柔性石墨纸作为电热元件，置于电池的正极和负极之间，单独从柔性石墨纸中引出连接片，将外接电源直接连接在石墨纸的连接片上，控制加热电压范围I?220V，所述孔隙的直径为0.01?1mm，孔隙面积占比10%?60%，孔隙均匀分布在柔性石墨纸上与电极片等尺寸的范围内，所述柔性石墨纸的厚度为0.01?1.0mm0
[0011]由于电解液直接与石墨纸加热片接触，电解液首先被迅速加热，然后带动电极材料升温，从而实现电池内部温度的迅速升高。
[0012]外接电源直接可以采用超级电容器，可以利用电池本身的容量，可以利用电池的充电电源等。
[0013]使用栅板或泡沫金属为集流体的电池有铅酸电池、镍氢电池等。
[0014]本发明的实质是在电池内部引入柔性石墨纸作为加热元件，同时也可以作为电池的一部分(集流体)，利用外加电源或电池自身提供电能，利用石墨纸优异的电热性能，使柔性石墨纸在短时间内迅速升温，从而实现从电池内部对电池快速加热，解决电池低温性能差的缺点。
[0015]本发明的有益效果:
[0016](I)柔性石墨纸较轻，替代金属集流体，有利于提高储能元件的质量比能量。其机械加工性能好，不会生成毛刺而刺穿隔膜。机械灵活性好，可以根据需求做任何形式的加工；
[0017](2)柔性石墨纸作为一种电热元件，其产热均匀，产热快。由于柔性石墨纸直接植入电池内部，或直接充当电池的组成部分(集流体)，实现了电池与加热系统一体化，可以从电池内部对电池进行快速加热升温。克服了外部加热慢、加热不均、造成电池系统复杂和使用不便的问题。
[0018](3)柔性石墨纸在有机电解液体系和水洗电解液体系中化学及电化学性能稳定，因而不同于其他电热元件，柔性石墨纸可以直接置于电池内部，因此电池的结构、制备工艺等不需做大的改变，可利用现有生产线加工，减少了投资。
[0019](4)外接加热电源方式灵活，可以利用电池自身，也可以利用电池的充电电源等。
[0020]本发明的特点是在不显著改变电池材料、电解液和内部结构的条件下，用柔性石墨纸完全替代或部分替代金属作为电极的集流体，或者将石墨纸直接置于正负极之间作为电热元件，通过给石墨纸施加外接电源，使其迅速发热，从而实现对电极材料和电解液的快速加热，使电池内部的温度迅速升高，这样，即使电池长期处于低温环境下，利用本发明的方法，经过短时间加热，其放电电压和放电容量可以接近常温值，然后在使用时借助自身产生的热量，可保证电池正常工作，从而有效解决电池低温启动时性能大幅衰减的问题。
[0021 ] 可实现从电池的内部均匀快速的对电极材料和电解液进行加热升温的方法，
【附图说明】
[0022]图1为利用柔性石墨纸集流体对电芯进行加热的示意图。
【具体实施方式】
[0023]本发明技术方案不局限于以下所列举【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】间的任意组合。
[0024]【具体实施方式】一:本实施方式提高电池低温启动性能的方法，其特征在于该方法具体为:
[0025]对于采用金属箔为集流体的锂离子电池，用柔性石墨纸替代金属箔作为集流体，将外接电源直接连接在石墨纸集流体的极耳上，控制加热电压范围I?220V，所述柔性石墨纸的厚度为0.01?1.0mm0
[0026]在电池体系中，引入超薄柔性石墨纸充当电极的集流体，通过对其施加电压，实现从电芯内部对电极材料和电解液的均匀快速加热，从而迅速提升电池的温度，使得电池即使在低温环境存储，仍可以保持高的充放电性能，解决电池低温性能不佳的问题。
[0027]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:所述柔性石墨纸替代全部或部分Al箔作为锂离子电池正极的集流体。其它与【具体实施方式】一相同。
[0028]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:所述柔性石墨纸替代全部或部分Cu箔作为锂离子电池负极的集流体。其它与【具体实施方式】一相同。
[0029]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:所述柔性石墨纸替代全部Al箔作为锂离子电池正极的集流体，同时替代全部Cu箔作为锂离子电池负极的集流体。其它与【具体实施方式】一相同。
[0030]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:所述柔性石墨纸替代部分Al箔作为锂离子电池正极的集流体，同时替代部分Cu箔作为锂离子电池负极的集流体。其它与【具体实施方式】一相同。
[0031]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是:所述柔性石墨纸为天然石墨制备的柔性石墨纸、人工合成石墨制备的柔性石墨纸、石墨与合成纤维织物复合构成的柔性复合石墨纸、石墨烯与合成纤维织物构成的柔性复合石墨纸，所述合成纤维织物为聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯晴、聚酰胺或聚酯。其它与【具体实施方式】一至五之一相同。
[0032]本实施方式所述石墨与合成纤维织物复合构成柔性复合石墨纸的方法为现有的常规方法，石墨烯与合成纤维织物构成柔性复合石墨纸的方法为现有的常规方法。
[0033]【具体实施方式】七:本实施