一种自加热复合集流体及其制备方法与应用

本发明属于集流体相关，更具体地，涉及一种自加热复合集流体及其制备方法与应用。

背景技术：

1、在现代社会中，锂离子电池为人类的生产和生活提供了许许多多的便利性。除了在常规条件下满足人们的日常使用需求之外，锂离子电池还需要在一些极端的条件下为人们提供源源不断的电能供应。特别是在极寒低温条件下，锂离子电池的可持续工作对人们的生产和生活起着极大的作用。因此，开发能够满足在极端寒冷条件下使用的锂离子电池储能系统是人类发展过程中不得不解决的问题所在，直接影响到人类对极寒地域的探索与开发。

2、在低温环境条件下，能够维持锂离子电池可持续工作的关键是保持电池内部温度在电池可工作温度范围内。实用新型专利cn216015501u提供了一种具有自主供电加热的低温电池，在电池bms中增加了特殊的加热膜供电控制回路的设计，使其既可以在外部充电时使加热膜加热，又可以在外部供电断开时(包括电池放电状态和电池静止状态)使加热膜加热，还不对电池自身产生影响；其采用的技术方案为在每个电池芯的一侧均设置有加热膜，再将加热膜串联在一起，由bms控制板对其进行供电加热。在bms的控制下实现在极端低温环境下保持电池可持续供电。

3、实用新型专利cn216015501u提供的解决电池低温条件下使用的方案确实具有一定的可行性，但也存在极大的缺陷。首先，额外加在每个电芯一侧的加热膜极大的增加了电池的体积与重量，不利于电池的实际安装。其次，额外增加的加热膜在使用时会给整个电池系统带来极大的安全隐患。再次，夹在电芯之间的加热板传热效率慢，传热不均匀，很难在短时间内快速加热电池体系。最后，所增加的加热膜及其配套设备增加了电池系统的成本，不利于其实际生产应用。因此寻找更有效、更轻便、成本更低的替代方案显得尤为亟需。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自加热复合集流体及其制备方法与应用，其将加热层集成于集流体，如此使得集流体既能有效地为电池提供加热，又能极大地降低电池的重量和体积，同时采用阻燃添加材料能够有效提升电池的安全性。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种自加热复合集流体，所述集流体包括加热层、绝缘阻燃层及金属导电层，两个所述绝缘阻燃层分别设置在所述加热层相背的两个表面上，每个所述绝缘阻燃层远离所述加热层的表面上设置有所述金属导电层。

3、进一步地，所述加热层为石墨烯薄膜、碳布或者电热丝网。

4、进一步地，所述碳布是由碳纳米管或者碳纤维制成的。

5、进一步地，所述加热层为石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜的厚度为2um～50um。

6、进一步地，所述绝缘阻燃层的厚度为2um-20um。

7、进一步地，所述金属导电层的厚度为0.5um-10um。

8、进一步地，所述集流体为层状结构，其厚度小于40um。

9、本发明还提供了一种自加热复合集流体的制备方法，所述方法用于制备如上所述的自加热复合集流体。

10、本发明还提供了一种电池，所述电池包括极片，所述极片包括如上所述的自加热复合集流体及石墨涂层，两个所述石墨涂层分别设置在所述自加热复合集流体相背的两个表面上。

11、进一步地，所述电池为锂离子电池、钠电池、钾电池及锌电池中的任一种。

12、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，本发明提供的自加热复合集流体及其制备方法与应用主要具有以下有益效果：

13、1.本发明将加热层集成于集流体中，如此使得集流体既能有效地为电池提供加热，又能极大地降低电池的重量和体积，同时采用阻燃添加材料能够有效提升电池的安全性。

14、2.将加热层与及集流体结合后制备出的自加热复合集流体的整体厚度小于40um，在电芯内部占据空间较小，不会影响电池体系体积能量密度；且在-20℃条件下仍具有较好的性能，使得对应的电池在低温下可以正常使用。

15、3.将具有加热功能的石墨烯膜置于绝缘阻燃的pi-bps内部，加热石墨烯膜能够为电芯提供加热，满足了电池的运行温度，内部绝缘阻燃材料的使用保证了电芯的安全。

16、4.复合集流体使用了聚酰亚胺(pi)、溴化聚丙烯酯(bps)、石墨烯等质量轻的材料，相对于纯金属集流体质量明显降低，有利于提升电池体系质量能量密度。

17、5.自加热复合集流体设置在电池体系内部的每个极片中，可以直接对极片进行加热，省去了中间导热环节；因此，自加热膜对整个电芯的加热非常均匀，传热效率也有极大的提升。

18、6.自加热复合集流体所使用的材料便宜易得，所涉及的加工制备过程能够完全兼容于现有电池生产设备，使得生产制造成本投入较少，能够快速实现量产。

19、7.所使用的自加热石墨烯膜的导电性好，产热效率高，当需要进行发热来加热电池时，只需要外加小电流或者使用电池系统本身小电流放电机壳，可快速加热整个电池系统。

技术特征：

1.一种自加热复合集流体，其特征在于：

2.如权利要求1所述的自加热复合集流体，其特征在于：所述加热层为石墨烯薄膜、碳布或者电热丝网。

3.如权利要求2所述的自加热复合集流体，其特征在于：所述碳布是由碳纳米管或者碳纤维制成的。

4.如权利要求1所述的自加热复合集流体，其特征在于：所述加热层为石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜的厚度为2um～50um。

5.如权利要求1-4任一项所述的自加热复合集流体，其特征在于：所述绝缘阻燃层的厚度为2um-20um。

6.如权利要求1-4任一项所述的自加热复合集流体，其特征在于：所述金属导电层的厚度为0.5um-10um。

7.如权利要求1-4任一项所述的自加热复合集流体，其特征在于：所述集流体为层状结构，其厚度小于40um。

8.一种自加热复合集流体的制备方法，其特征在于：所述方法用于制备权利要求1-7任一项所述的自加热复合集流体。

9.一种电池，其特征在于：所述电池包括极片，所述极片包括权利要求1-7任一项所述的自加热复合集流体及石墨涂层，两个所述石墨涂层分别设置在所述自加热复合集流体相背的两个表面上。

10.如权利要求9所述的电池，其特征在于：所述电池为锂离子电池、钠电池、钾电池及锌电池中的任一种。

技术总结
本发明属于集流体相关技术领域，其公开了一种自加热复合集流体及其制备方法与应用，所述集流体包括加热层、绝缘阻燃层及金属导电层，两个所述绝缘阻燃层分别设置在所述加热层相背的两个表面上，每个所述绝缘阻燃层远离所述加热层的表面上设置有所述金属导电层。本发明将加热层集成于集流体中，如此使得集流体既能有效地为电池提供加热，又能极大地降低电池的重量和体积，同时采用阻燃添加材料能够有效提升电池的安全性。

技术研发人员：许恒辉,李诺,黄云辉
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13