一种提高储能器件一致性的方法与流程

1.本发明涉及储能器件技术领域，具体涉及一种提高储能器件一致性的方法。


背景技术：

2.自从人类诞生以来，能源是人类赖以生存必不可少的需求。人类的祖先最开始学会了钻木取火，通过存储木材来保存能源。随着人类生活进入20世纪以后，电能逐渐成为人类生活赖以生存的必需品。为了存储电能，人类发明了一系列的储能器件来存储电能。
3.随着储能器件的使用越来越广泛，储能器件的一致性问题成为人们需要解决的一个重要技术难点。储能器件的一致性差主要有容量的一致性差、电压的一致性差、内阻的一致性差。其中储能器件的容量不一致是指有多个储能器件串并联后，不同储能器件的容量不一样；电压一致性差是指多个储能器件串并联后，不同储能器件的电压不一样；内阻一致性差是指单个储能器件不同部位内阻不一样，多个储能器件串并联后，不同储能器件的内阻不一样。其中电压的不一致可以通过电池管理电路bms来控制，将串并联的所有电池的电压控制在一个很小的范围内波动，从而达到一致性。这三种一致性中内阻的一致性差，对储能器件的影响最大，影响储能器件的使用周期、安全性。
4.内阻的一致性差主要是储能器件在制备的过程中单个器件中不同部位制备的过程有差异造成器件内部电阻不一样，不同器件之间的差异造成不同储能器件的内阻不一样。由于储能器件的内阻的一致性差是本征问题，没有方法可以在储能器件上解决这个问题。储能器件的一致性差带来的直接后果是在储能器件的不同部位的内阻不一样，造成储能器件在使用的过程中不同部位的温度不一样，从而造成不同部位电池的衰减(老化)速度不一样，直接后果是影响储能器件的使用周期。储能器件内阻的一致性差带来的问题很严重。
5.随着储能器件，在人类的生活中扮演的角色越来越多，这种现象给社会带来的危害越来越大。这是人类社会以前一般将储能器作为消费电子产品的储能单元，单个电池的一致性差对其带来的损害比较小(例如手机的电池)，几个电池的串并联带来的损害也在人们的接受范围之内(例如笔记本电脑的电池)。但是随着人们使用电池作为动力电池和储能电池，由于在这两个领域中一个带电单位所串并联的电池数目少则几十多则几万(例如，特斯拉新能源汽车上有将近10000颗18650的电芯，一个储能电站里面的储能电池更是几万、几百万或者几千万个)，这些状况下一致性差带来的危害越来越大。
6.公开号为cn105870543a的专利公开一种提高储能器件一致性与安全性的方法，将储能器件单体可反复拔插地放置在底座上，利用固定在底座上的应变片和温度传感器同时无损监控储能器件运行过程的安全性能，但是该方法在使用过程中需要经常对储能器件进行拔插，操作不方便，同时底座位于储能器件单体底部，储能器件的其他部位一致性仍较差。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题在于现有技术中储能器件一致性的改善方法需要将储能器件单体反复拔插地放置在底座上，操作不方便，同时底座位于储能器件单体底部，储能器件的其他部位一致性仍较差，提供一种提高储能器件一致性的方法。
8.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题：
9.一种提高储能器件一致性的方法，包括以下步骤：在储能器件表面负载导热层；所述导热层主要由导热材料和粘结剂制成。
10.有益效果：本发明直接在储能器件表面负载导热层，常温下，空气的导热系数是0.023w/m
·
k，而导热材料的导热系数较高，通过在储能器件表面涂布导热材料使不同部位由于内阻不一致产生的热量快速均匀传导，从而使得储能器件的表面温度一致性好，从而提高储能器件的一致性，且方法简便。粘结剂利于将导热材料加载到储能器件表面。
11.优选地，所述储能器件包括电芯、电容、电池、电池组、电池包或移动电源。
12.有益效果：当储能器件为电芯时，可以将获得的电芯用于电池、电池组、电池包或移动电源。
13.优选地，将电芯与pcb板固定后，在电芯与pcb板表面负载导热层。
14.优选地，所述电芯的个数为多个，多个电芯串并联。
15.优选地，所述导热层的厚度为1nm以上。
16.优选地，所述导热材料包括ag、cu、石墨、碳黑、碳纳米管、石墨烯、硅、二氧化硅(sio2)、碳化硅(sic)、氮化铝(aln)、三氧化二铝(al2o3)、氧化镁(mgo)、氧化铍(beo)、金刚石中的任意一种或两种以上的混合物。
17.优选地，所述粘结剂包括树脂、硅胶、橡胶中的一种或两种。
18.优选地，所述树脂包括热固性树脂或热塑性树脂。
19.优选地，所述热固性树脂包括环氧树脂、聚氨基甲酸酯(pu)、有机硅树脂、酚醛树脂、聚乙烯醇肉桂酸酯、脲醛树脂、三聚氰胺－甲醛树脂、不饱和树脂、聚氨酯或聚酰亚胺树脂。
20.热固性树脂在一定温度下，经一定时间加热、光、加压或加入硬化剂后，发生化学反应而硬化。
21.优选地，所述热塑性树脂包括聚丙烯树脂、聚偏氟乙烯、聚氧化乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯树脂或聚氯乙烯树脂。
22.优选地，所述橡胶包括单组分室温硫化硅橡胶、双组分缩合型室温硫化硅橡胶、双组分加成型室温硫化硅橡胶、单组分室温硫化环化橡胶、双组分室温硫化环化橡胶、双组分室温硫化乙丙橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶或硅橡胶。
23.优选地，所述导热层的制备过程中还加入溶剂，所述导热层的制备方法包括以下步骤：将导热材料、粘结剂和溶剂混合后，涂布或喷涂在储能器件表面，然后烘干。
24.优选地，所述溶剂包括无水乙醇、甲醇、水或n-甲基吡咯烷酮。
25.优选地，所述导热层的制备过程中还加入添加剂，所述导热层的制备方法包括以下步骤：将导热材料、粘结剂和添加剂混合后，负载到储能器件表面，然后将储能器件置于真空处理0-720min，最后将真空处理后的储能器件置于25-100℃静置1-300min；或将导热材料、粘结剂和添加剂混合后，加热至150℃以上混合，将混合后的材料覆盖在储能器件表
面，然后将覆盖了材料的储能器件进行固化，并置于真空处理0-720min。
26.当粘结剂为热塑性材料时，通过高温使材料从固态转变为液态。
27.优选地，所述导热层的制备过程中还加入光引发剂，所述导热层的制备方法包括以下步骤：将导热材料、粘结剂、光引发剂和添加剂混合后，负载到储能器件表面，然后将储能器件置于真空处理0-720min，最后将真空处理后的储能器件在一定波长的光下照射1-10min。
28.优选地，所述添加剂包括着色剂、阻燃剂、增韧纤维、抗氧化剂、抗静电剂、发泡剂、增韧剂、填料中的一种或多种。
29.优选地，所述增韧纤维包括聚酯纤维(涤纶)、聚酰胺纤维(锦纶或尼龙)、聚乙烯醇纤维(维纶)、聚丙烯腈纤维(腈纶)、聚丙烯纤维(丙纶)或聚氯乙烯纤维(氯纶)。
30.优选地，所述导热层外还设有封装层。
31.有益效果：由于有机聚合物在加入大量的无机材料后分子之间的结合力变弱，导致材料在受到外力的作用后抗拉强度降低，因此需要在外面再次封装一层抗拉强度高的材料，从而保护整个产品结构，尤其针对移动电源。
32.优选地，将负载导热层的储能器件置于模具中，注入封装剂的前驱体进行封装，形成封装层。
33.优选地，所述封装剂包括聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂、聚氯乙烯、硅橡胶、丁苯橡胶中的一种。
34.优选地，所述封装剂还包括添加剂，所述添加剂包括着色剂、增韧纤维、抗氧化剂、抗静电剂、发泡剂、增韧剂、填料中的一种或多种。
35.有益效果：上述添加剂的颗粒较大，不会破坏高分级有机材料聚合以后的分子键。
36.优选地，所述着色剂包括无机着色剂或有机着色剂。
37.优选地，所述无机着色剂包括二氧化钛、氧化铁、氧化锌、铬酸盐、锡盐、汞或镉。
38.优选地，所述有机着色剂包括炭黑、偶氮颜料、酞花菁、喹哪酮、异吲哚酮、蒽醌或硫靛。
39.优选地，所述阻燃剂还包括有机阻燃剂或无机阻燃剂。
40.优选地，所述有机阻燃剂包括氢氧化铝、氢氧化镁或硼酸锌。
41.优选地，所述无机阻燃剂包括磷酸三甲酯(tmp)、磷酸三乙酯(tep)、二氟乙酸甲酯(mfa)、二氟乙酸乙酯(efa)中的磷酸三甲酯(tmp)、磷酸三乙酯(tep)、二氟乙酸甲酯(mfa)、二氟乙酸乙酯(efa)中的一种或多种。
42.优选地，所述抗氧化剂包括硫代二丙酸双月桂酯、丙酸正十八碳醇酯、烷基酚硫醚、水杨酸苯酯。
43.优选地，所述抗静电剂包括三羟乙基甲基季铵甲基硫酸盐、十八烷基二甲基季铵硝酸盐、聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体、聚醚酯酰胺、聚醚酯乙酰胺、聚氧化乙烯、环氧丙烷共聚合物。
44.优选地，所述发泡剂包括有机发泡剂和无机发泡剂。
45.优选地，所述有机发泡剂包括偶氮双甲酰胺(azodicarbonamide)、偶氮双异丁晴(azobisisobutyro-nitrile简称aibn)、丁烷、戊烷、石油醚、二氟二氯甲烷、磺酰肼类化合物、亚硝基化合物。
46.优选地，所述无机发泡剂包括碳酸钙、碳酸镁、碳酸氢钠、碳黑。
47.优选地，所述表面活性剂包括直链烷基苯磺酸钠(las)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(aes)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵(aesa)、月桂醇硫酸钠(k12或sds)、月桂酰基谷氨酸、壬基酚聚氧乙烯(10)醚(tx-10)、二乙醇酰胺(6501)硬脂酸甘油单酯、木质素磺酸盐、重烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐(石油磺酸盐)、、烷基聚醚(po-eo共聚物)、脂肪醇聚氧乙烯(3)醚(aeo-3)。
48.优选地，所述增塑剂包括邻苯二甲酸酯类、脂肪族二元酸酯类、磷酸酯类、氯化石蜡。
49.优选地，所述邻苯二甲酸酯类包括邻苯二甲酸二甲酯(dmp)、邻苯二甲酸二乙酯(dep)、邻苯二甲酸二正丁酯(dbp)、邻苯二甲酸二辛酯(dop)、邻苯二甲酸丁苄酯(bbp)、邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯(dehp)、邻苯二甲酸二辛酯(dop)、邻苯二甲酸二异壬酯(dinp)。
50.优选地，所述填料包括粘土、硅酸盐、滑石、碳酸盐。
51.本发明的优点在于：本发明直接在储能器件表面负载导热层，使储能器件的表面温度一致性好，从而提高储能器件的一致性，且方法简便。
52.常温下，空气的导热系数是0.023w/m
·
k，而导热材料的导热系数可以做到8w/m
·
k以上。粘结剂可以将导热材料加载到储能器件表面。
53.当储能器件为电芯时，可以将获得的电芯用于电池、电池组、电池包或移动电源。
54.导热材料的导热系数可以做到8w/m
·
k以上，储能器件的内阻发热的计算公式q＝i2rt，对于储能器件组要保持各器件组中各部位的温度不一样，需要将在同一时间散热多的部位的热量及时均匀的传递到储能器件组的其他部位，其需要传递出去的热量的计算如1-1所示，其中rm是储能器件组中内阻最小的储能单体，其中同一个电池组中不同储能器件之间的内阻差异都在100mω以下。
55.附图说明
56.图1为本发明实施例中导热层和电池的截面结构示意图；
57.图2为本发明实施例1中处理后电池样品1的循环性能测试结果；
58.图3为本发明实施例1中处理后电池样品2的循环性能测试结果；
59.图4为本发明实施例1中处理后电池样品3的循环性能测试结果；
60.图5为本发明实施例11-实施例14中导热层、封装层和电池的截面结构示意图；
61.图中：电池1；导热层2；正极3；封装层4。
具体实施方式
62.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
63.下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
64.实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或
条件或者按照产品说明书进行。
65.环氧树脂a胶、环氧树脂b胶、聚氨基甲酸酯a、聚氨基甲酸酯b、室温硫化硅橡胶a、室温硫化硅橡胶b购买自东莞市聚宏新材料科技有限公司。
66.实施例1
67.一种提高储能器件一致性的方法，包括以下步骤：
68.(1)对容量为400mah的电池进行电压、内阻的电化学性能测试，测试得到电池的电压为4.18v、内阻为56.85mω；
69.(2)按质量比为2:1:17称取导热材料、粘结剂和溶剂在烧杯中，通过磁力搅拌混合，本实施例中导热材料为1g石墨，粘结剂为0.5g聚偏氟乙烯(pvdf)，溶剂为8.5g无水乙醇；导热材料、粘结剂和溶剂的总量根据电池的表面积设置。
70.(3)将步骤(2)中混合后的材料涂布到电池表面；
71.(4)将电池放入真空烤箱中于50℃烘干48h，形成导热层，如图1所示。
72.对实施例1中的电池进行电化学性能测试，测量电池的电压、内阻、容量。最后测得电池的电压为4.20v、内阻为56.4mω、容量为410.29mah。
73.对电池的循环性能进行测试，测定结果如表1和图1-图3所示。
74.表1为对实施例1中三个样品进行测定的实验结果
75.样品样品1样品2样品3首次充电容量(mah)398.51410.91400.07300次充电容量(mah)401.13412.50393.74首次放电容量(mah)395.06407.29397.51300次放电容量(mah)398.04411.72394.50300次充电容量衰减率(％)100.65％100.38％98.41％300次放电容量衰减率(％)100.75％101.08％99.24％
76.从表1、图2-图4可以看出，本实施例中的电池在常温下经过300次1c充放电循环后，电池容量平均保持在100％，而实施例1未经过处理的电池在300次循环后电池容量一般会衰减为80％。其他实施例中电池的循环性能与实施例1基本相同。
77.实施例2
78.一种提高储能器件一致性的方法，包括以下步骤：
79.(1)按质量比为1:10:0.1称取导热材料、粘结剂和添加剂在烧杯中，通过磁力搅拌混合，本实施例中导热材料为1g纳米ag，粘结剂为液态5g环氧树脂a胶(主剂)和5g环氧树脂b胶(固化剂)，添加剂为0.1g无机着色剂二氧化钛；
80.(2)将步骤(1)中混合后的材料涂覆到电池表面；
81.(3)将电池于真空条件下处理10min，然后将真空处理后的电池置于60℃静置100min，最后在电池表面形成导热层。
82.实施例3
83.一种提高储能器件一致性的方法，包括以下步骤：
84.(1)按质量比为1:5:0.05称取导热材料、粘结剂和添加剂在烧杯中，通过磁力搅拌混合，本实施例中导热材料为2g二氧化硅，粘结剂为液态2.5g聚氨基甲酸酯a和2.5g聚氨基甲酸酯b，添加剂为0.05g无机阻燃剂氢氧化铝；
85.(2)将步骤(1)中混合后的材料涂覆到电池表面；
86.(3)将电池于真空条件下处理20min，然后将真空处理后的电池置于50℃静置90min，最后在电池表面形成导热层。
87.实施例4
88.一种提高储能器件一致性的方法，包括以下步骤：
89.(1)按质量比为2:5:0.1称取导热材料、粘结剂和添加剂在烧杯中，通过磁力搅拌混合，本实施例中导热材料为2g三氧化二铝，粘结剂为液态2.5g聚氨基甲酸酯a和2.5g聚氨基甲酸酯b，添加剂为0.1g有机着色剂酞花菁；
90.(2)将步骤(1)中混合后的材料涂覆到电池表面；
91.(3)将电池于真空条件下处理60min，然后将真空处理后的电池放入真空烤箱或真空烘箱中，于100℃静置1min，最后在电池表面形成导热层。
92.实施例5
93.一种提高储能器件一致性的方法，包括以下步骤：
94.(1)按质量比为1:2:0.1称取导热材料、粘结剂和添加剂在烧杯中，通过磁力搅拌混合，本实施例中导热材料为1g碳化硅，粘结剂为液态1g室温硫化硅橡胶a和1g室温硫化硅橡胶b，添加剂为0.1g有机着色剂酞花菁；
95.(2)将步骤(1)中混合后的材料涂覆到电池表面；
96.(3)将电池于真空条件下处理60min，然后将真空处理后的电池放入真空烤箱或真空烘箱中，于100℃静置1min，最后在电池表面形成导热层。
97.实施例6
98.一种提高储能器件一致性的方法，包括以下步骤：
99.(1)称取导热材料和粘结剂在烧杯中，通过磁力搅拌混合，本实施例中导热材料为0.2g石墨，粘结剂为2g光固化材料tmp3eota(乙氧基三羟甲基丙烷三丙烯酸酯)和0.02g光引发剂hmpp(2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮)；
100.(2)将步骤(1)中混合后的材料涂覆到电池表面；
101.(3)将电池于真空条件下处理60min，然后将真空处理后的电池放入真空烤箱或真空烘箱中，于100℃静置1min，最后在电池表面形成导热层。
102.实施例7
103.本实施例与实施例1的区别之处在于：先将电池与pcb板固定，然后将电池和pcb板放置到模具中，根据步骤(2)各原料的配比增加原料的添加量，然后将步骤(2)中混合的材料倒入模具中，然后将储能器件放入真空烤箱中于50℃烘干48h，形成导热层。
104.实施例8
105.本实施例与实施例2的区别之处在于：粘结剂为2g聚甲基丙烯酸甲酯和0.2g的三氧化二铝导热材料在150℃以上加热，然后将混合后涂覆在电池表面，然后将覆盖了材料的电池于室温固化，并置于真空处理20min。
106.实施例9
107.本实施例与实施例2的区别之处在于：粘结剂为光刻胶。
108.实施例10
109.本实施例与实施例2的区别之处在于：将电池替换成电池组，然后将电池组放置在
模具中，然后按照配比配制材料，将材料注入模具，将电池于真空条件下处理10min，然后将真空处理后的电池置于60℃静置100min，最后在电池表面形成导热层。
110.实施例11
111.本实施例与实施例1的区别之处在于：如图5所示，将负载导热层的储能器件置于模具中，注入封装剂的前驱体进行封装，形成封装层，本实施例中封装剂包括18g环氧树脂a胶(主剂)，9g环氧树脂b胶(硬化剂)。
112.实施例12
113.本实施例与实施例1的区别之处在于：将负载导热层的储能器件置于模具中，注入封装剂的前驱体进行封装，形成封装层，本实施例中封装剂包括15g硅胶a胶，15g硅胶b胶。
114.实施例13
115.本实施例与实施例12的区别之处在于：本实施例中封装剂还包括0.01g抗静电剂三羟乙基甲基季铵甲基硫酸盐。
116.实施例14
117.本实施例与实施例12的区别之处在于：本实施例中封装剂还包括0.01g抗静电剂三羟乙基甲基季铵甲基硫酸盐。
118.实施例15
119.本实施例与实施例12的区别之处在于：在封装层表面加载一层手感油，可以增加产品的舒适感和防尘效果。
120.实施例16
121.本实施例与实施例1的区别之处在于：将负载导热层的储能器件置于模具中，注入封装剂的前驱体进行封装，形成封装层，本实施例中封装剂包括15g硅胶a胶，15g硅胶b胶。
122.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。