一种半导体热电控温的全固态能量储存与转化装置的制造方法
【专利摘要】一种半导体热电控温的全固态能量储存与转化装置，包括：全固态锂基电池组(1)、半导体热电转化系统(3)等；各单体全固态锂基电池上分布有温度传感器(5)，电池管理系统(4)中直流电源(11)与热电堆(7)串联，温度传感器(5)与电池管理系统(4)连接；半导体热电转化系统(3)安装在全固态锂基电池组(1)两侧且贴紧全固态锂基电池组(1)；全固态锂基电池组(1)、半导体热电转化系统(3)、电池管理系统(4)、温度传感器(5)安装在电池箱(2)内。本发明克服商业锂离子电池技术的安全隐患、现有全固态锂基电池技术的高内阻和低比能量等不足，满足高安全、大比能量、长寿命的用电需求。
【专利说明】
-种半导体热电控溫的全固态能量储存与转化装置
技术领域
[0001 ]本发明设及一种能量储存与转化装置。
【背景技术】
[0002] 针对高能量和高安全两大必要的储能需求，各国的科研工作者正积极研发全固态 裡离子电池或全固态裡电池(全固态裡基电池），特别是利用无机固体电解质材料的完全不 可燃性，彻底解决了电池的安全隐患。与传统液态电解质相比，无机固态电解质具有的优缺 点如下表1所示。
[0003] 表1无机固态电解质对比传统液态电解质的优势
[0004]
[0005] 目前，全固态裡基电池的应用需要解决一些科学与技术问题，主要包括:提高固体 电解质材料的裡离子导电率;减小电解质相与电极相界面间的离子输运电阻。研究表明，提 高全固态裡基电池运行溫度（如60 °C W上），可W降低全固态裡基电池的电池内阻，放电容 量明显增加，使之具有真正的实用价值。不像其它电化学储能系统，如儀氨电池和裡离子电 池等，充放电伴生的反应热不容易散出，长时间工作在热环境中，将缩短电池使用寿命，降 低电池性能，甚至引起热失控和电池故障直接威胁人员的生命安全。
【发明内容】
[0006] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明公开了一种半导体热电 控溫的全固态能量储存与转化装置，克服商业裡离子电池技术的安全隐患、现有全固态裡 基电池技术的高内阻和低比能量等不足，满足高安全、大比能量、长寿命的用电需求，并对 能量储存与转化装置外的组件进行降溫或升溫的额外功能。
[0007] 本发明的技术解决方案是：一种半导体热电控溫的全固态能量储存与转化装置， 包括:全固态裡基电池组、电池箱、半导体热电转化系统、电池管理系统、溫度传感器;全固 态裡基电池组包括m个单体全固态裡基电池，其中，m为正整数，各单体全固态裡基电池上分 布有溫度传感器;半导体热电转化系统包括热电堆、风扇、基板;基板分别安装在热电堆两 侧，在基板上未与热电堆接触的一侧分别安装风扇；电池管理系统包括直流电源、溫度检测 模块;直流电源与热电堆串联，溫度检测模块根据各溫度传感器发送的溫度数据控制直流 电源的正向电流方向；半导体热电转化系统安装在全固态裡基电池组两侧且贴紧全固态裡 基电池组;全固态裡基电池组、半导体热电转化系统、电池管理系统、溫度传感器安装在电 池箱内。
[0008] 所述热电堆包括N型半导体、P型半导体、金属导体;N型半导体和P型半导体通过金 属导体串联组成电偶对，n个电偶对通过金属导体串联形成热电堆，其中，n为正整数;金属 导体固定在基板上。
[0009] 所述溫度检测模块控制直流电源正向电流方向的控制律为：当任意一个溫度传感 器采集到的溫度低于设定的单体全固态裡基电池正常工作溫度范围的最低值时，半导体热 电转化系统贴紧全固态裡基电池组一侧的基板上金属导体内的正向电流从P型半导体流向 N型半导体；当任意一个溫度传感器采集到的溫度高于设定的单体全固态裡基电池正常工 作溫度范围的最高值时，半导体热电转化系统贴紧全固态裡基电池组一侧的基板上金属导 体内的正向电流从N型半导体流向P型半导体。
[0010] 所述设定的单体全固态裡基电池的正常工作溫度范围为60°C~200°C。
[0011] 所述全固态裡基电池组有i个，各全固态裡基电池组间有风道，基板上与全固态裡 基电池组贴紧一侧安装的风扇与风道对应，其中，i为正整数。所述基板材料为陶瓷。
[001^ 所述单体全固态裡基电池的正极活性物质为LiCo02、LiNi02、LiMn204、LiFeP04、 LiCoP04、Li(NiCoMn)02、Li(NiCoAl)02、Li2S JeS、NiS、TiS2 中一种或组合。所述单体全固态 裡基电池的负极活性物质为Li、Li基合金、碳材料、Si基合金、Sn基合金、Ti基合金、Li20、 Si02、SiO、Sn02、Ti02中一种或组合。所述单体全固态裡基电池的电解质为Perovski te、 NASIC0N、LISIC0N、Garnet、LiP0N、Li3N、Li4Si04、Li浊03、(6-Al203、护-Al203、Li3P04、硫化物中 一种或组合。
[0013] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0014] (1)本发明在全固态裡基电池组的箱体上连接半导体热电转化系统，联结全固态 裡基电池的宽溫度适用性和半导体的制热功能，可W明显降低电池内阻和能量损失，提高 电池的比能量和充放电循环性，为空间航天器、电动汽车等供应大比能、持久性的电能提供 了保障。
[0015] (2)本发明的能量储存与转化装置通过改变其中的直流电流或电压可W实现制 冷、制热W及控制升降溫速率等优点;基于质量轻、尺寸小、无运动部件、无噪音、可靠性高、 及可同时实现制冷和制热效果等优点，本发明使用半导体热电转化装置加热全固态裡基电 池，并保持电池溫度处于合适工作溫度范围内，使之能够连续可靠、安全灵活、高效可控的 进行供电。
[0016] (3)本发明采用半导体热电技术辅助加热的全固态裡基电池，基于电池组中无机 固态电解质的使用，避免了商用的液态电解液的可自燃、漏液、爆炸等隐患，在提供大比能 电输出的同时，彻底解决了储能电池的安全问题，特别是无机全固态裡基电池完全排除产 生气体或自燃的可能，使得电供应具有高安全可靠和良好的电化学稳定性。
[0017] (4)本发明提出的基于全固态裡基电池和半导体热电转化技术的能量储存与转化 装置，为航天器、航空移动、纯电动汽车、混合动力汽车W及大中型电动工具等供应电能需 求的同时，可W实现对装置外的组件和空间进行降溫的功能；而且在装置内的电池管理的 智能控制下，采用半导体制冷和制热的双向控制策略，可W降溫或加热系统外的组件和空 间环境，特别是通过调整半导体热电转化系统的直流电源电压的大小，使得电池组内的溫 度具有连续可调的能力。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明半导体热电控溫的全固态能量储存与转化装置的结构示意图。
[0019] 图2为本发明半导体热电转化系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0020] 如图1所示，一种半导体热电控溫的全固态能量储存与转化装置，是一种基于全固 态裡基电池和半导体热电转化技术的能量储存与转化装置，包括：多个全固态裡基电池组 1、电池箱2、半导体热电转化系统3、电池管理系统4、溫度传感器5。
[0021 ] 全固态裡基电池组1包括多个由正极、固态电解质和负极组成的单体全固态裡基 电池，全固态裡基电池组1之间留有一定空间作为风道;电池箱2包括机箱、面板、盖板、推拉 机构、定位套、蓄电池组挡板、通风栅板、烙断器等；电池管理系统4提供半导体热电转化系 统3的直流输入可调电源，并监测电池电压、溫度、电流W及保护等功能；电池管理系统4包 括直流电源11、溫度检测模块;直流电源11与热电堆7串联，溫度传感器5与电池管理系统4 连接，溫度检测模块根据各溫度传感器5发送的溫度数据控制直流电源11的正向电流方向。 溫度传感器5使用导线与电池管理系统4相连，实时采集各个溫度分布点的溫度，上送至电 池管理系统4。
[0022] 半导体热电转化系统3安装在电池箱2内侦U，制热面的陶瓷的基板10紧密接触全固 态裡基电池组1，其中连接的风扇8对着全固态裡基电池组1之间的风道;而另一片制冷的陶 瓷的基板10紧密接触在电池箱2上的通风栅板，其连接的风扇8对着电池箱2外部环境。在全 固态裡基电池组1内部均匀布置溫度传感器5,当采集到的溫度在单体全固态裡基电池正常 工作溫度范围内（例如80-15(TC )，半导体热电转化系统3不进行工作；当某一个溫度传感器 5采集到的溫度低于单体全固态裡基电池正常工作溫度范围的最低点时，电池管理系统4输 出正向直流电压，电池箱2内开启半导体制热模式，制热端作为热源加热全固态裡基电池组 1，并通过风扇8使电池箱2箱体内部在短时间内控溫到所设溫度范围内，达到快速加热电池 箱2内全固态裡基电池组1及实现全固态裡基电池组1空间内热均衡的目的，而电池箱2外会 开启半导体制冷模式，达到对电池箱2外组件及空间降溫的目的；当某一个溫度传感器5采 集到的电池箱2内溫度高于单体全固态裡基正常工作溫度范围的最高点（如15(TC W上)时， 电池管理系统4向半导体热电转化组件提供反向直流电压，电池箱2体内部开启半导体制冷 模式，上述的制热端变为制冷端，并通过风扇将冷风送至电池箱内，形成冷热循环气流直到 整个电池组降溫到适宜的溫度范围，而电池箱体外开启半导体制热模式，并通过风扇8释放 热量，或者加热电池箱2外组件及空间环境。另外，通过调整直流电源11电压的大小，可W控 制全固态裡基电池组1溫度在所设单体全固态裡基电池正常工作溫度范围内。
[0023] 电池箱2内部的多个全固态裡基电池组1之间串联连接，全固态裡基电池组1内含 有多个单体全固态裡基电池，而单体全固态裡基电池由正极集流体、正极、固态电解质、负 极、负极集流体按顺序紧密排列，并由绝缘外壳组装而成。单体全固态裡基电池正极活性物 质是由 LiCo〇2、LiNi〇2、LiMn2〇4、LiFeP〇4、LiCoP〇4、Li(NiCoMn)〇2、Li(NiCoAl)〇2、Li2S、FeS、 NiS、TiS2等一种或两种W上材料组合而成；单体全固态裡基电池负极活性物质是由Li、Li 基合金、各种碳材料、Si基合金、基合金、Ti基合金、Li2〇、Si化、SiO、Sn〇2、Ti化等一种或两 种W上材料组合而成；单体全固态裡基电池电解质是由化rovskite(巧铁矿KNASICON^b 超离子导体）、LISIC0N(错酸锋裡）、Garnet(石恼石）、LiPON、Li3N、Li4Si〇4、Li3B〇3、e-Al2〇3、 护-Al 2〇3、Li3P〇4、硫化物（如Li2S-P2Ss、Li l〇GeP2Sl2等）等一种或两种W上无机固态材料组合 而成。
[0024] 单体全固态裡基电池间紧密接触，全固态裡基电池组1之间留有一定空间作为风 道，全固态裡基电池组1中间的导线一边连接着电池的极板，另一头连到电池管理系统4, W 便检测全固态裡基电池组1电压，从而保证全固态裡基电池组1正常工作。每一个全固态裡 基电池组1分布着保险丝和溫度传感器5，当出现溫度过高之类的异常现象时，保险丝自动 烙断，W保护整个全固态裡基电池组1。
[0025] 如图2所示，半导体热电转化系统3主要包括热电堆7、风扇8、基板10等部件，热电 堆7包括金属板9、N型半导体、P型半导体，如图2所示。其中两种不同的N型半导体和P型半导 体材料是由元素Bi、Te、Cs、Bi、Sb、Ag、Cu、Ti、Y、Ba、Cu、S;r等组成的二元或多元固溶体或合 金、W及两种W上元素形成的氧化物、或者是运样的氧化物与固溶体或合金材料的组合。N 型和P型半导体之间用金属导体9(如铜、侣或其它金属）串联组成电偶对，几十、上百或上千 个电偶对在电路上串联形成热电堆7,并由两个陶瓷的基板10分别放在热电堆7两侧，将热 电堆7夹在两个基板10中间，金属导体9固定在基板10上，基板10必须绝缘且导热良好。在电 路中接通直流电源11后，就能产生能量的转移，电流由N型半导体流向P型半导体的接头吸 收热量，成为冷端，电流由P型半导体流向N型半导体的接头释放热量，成为热端，并在冷热 端分别安装风扇8。
[0026] 半导体热电转化系统3放置在电池箱2内巧U，陶瓷的基板10热端上连接风扇8对着 全固态裡基电池组1之间的风道;而另一片陶瓷的基板10冷端放置在电池箱2上通风栅板的 内测，基板10上面冷端的风扇8对着外部环境。
[0027] 本发明的各个组成部件，连接方式和相对位置在不改变其功能的情况下，进行等 效变换或替代，也落入本发明的保护范围。
[0028] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【主权项】
1. 一种半导体热电控温的全固态能量储存与转化装置，其特征在于，包括:全固态锂基 电池组（1)、电池箱（2)、半导体热电转化系统（3)、电池管理系统(4)、温度传感器(5);全固 态锂基电池组（1)包括m个单体全固态锂基电池，其中，m为正整数，各单体全固态锂基电池 上分布有温度传感器(5);半导体热电转化系统(3)包括热电堆(7)、风扇(8)、基板（10);基 板(10)分别安装在热电堆(7)两侧，在基板(10)上未与热电堆(7)接触的一侧分别安装风扇 (8);电池管理系统(4)包括直流电源（11)、温度检测模块;直流电源（11)与热电堆(7)串联， 温度检测模块根据各温度传感器(5)发送的温度数据控制直流电源（11)的正向电流方向； 半导体热电转化系统（3)安装在全固态锂基电池组（1)两侧且贴紧全固态锂基电池组（1); 全固态锂基电池组（1)、半导体热电转化系统(3)、电池管理系统(4)、温度传感器(5)安装在 电池箱(2)内。2. 根据权利要求1所述的一种半导体热电控温的全固态能量储存与转化装置，其特征 在于:所述热电堆(7)包括N型半导体、P型半导体、金属导体(9) ;N型半导体和P型半导体通 过金属导体(9)串联组成电偶对，η个电偶对通过金属导体(9)串联形成热电堆(7)，其中，η 为正整数;金属导体(9)固定在基板(10)上。3. 根据权利要求2所述的一种半导体热电控温的全固态能量储存与转化装置，其特征 在于:所述温度检测模块控制直流电源（11)正向电流方向的控制律为：当任意一个温度传 感器(5)采集到的温度低于设定的单体全固态锂基电池正常工作温度范围的最低值时，半 导体热电转化系统(3)贴紧全固态锂基电池组（1)一侧的基板（10)上金属导体(9)内的正向 电流从Ρ型半导体流向Ν型半导体；当任意一个温度传感器(5)采集到的温度高于设定的单 体全固态锂基电池正常工作温度范围的最高值时，半导体热电转化系统(3)贴紧全固态锂 基电池组（1)一侧的基板(10)上金属导体(9)内的正向电流从Ν型半导体流向Ρ型半导体。4. 根据权利要求3所述的一种半导体热电控温的全固态能量储存与转化装置，其特征 在于:所述设定的单体全固态锂基电池的正常工作温度范围为60°C~200°C。5. 根据权利要求1或2或3所述的一种半导体热电控温的全固态能量储存与转化装置， 其特征在于：所述全固态锂基电池组（1)有i个，各全固态锂基电池组（1)间有风道，基板 (10)上与全固态锂基电池组（1)贴紧一侧安装的风扇(8)与风道对应，其中，i为正整数。6. 根据权利要求1或2或3所述的一种半导体热电控温的全固态能量储存与转化装置， 其特征在于:所述基板(10)材料为陶瓷。7. 根据权利要求1或2或3所述的一种半导体热电控温的全固态能量储存与转化装置， 其特征在于:所述单体全固态锂基电池的正极活性物质为LiCo0 2、LiNi02、LiMn2〇4、LiFeP〇4、 LiCoP〇4、Li(NiCoMn)〇2、Li(NiCoAl)〇2、Li2S、FeS、NiS、TiS2 中一种或组合。8. 根据权利要求7所述的一种半导体热电控温的全固态能量储存与转化装置，其特征 在于:所述单体全固态锂基电池的负极活性物质为Li、Li基合金、碳材料、Si基合金、Sn基合 金、Ti基合金、1^ 20、3丨02、3丨0、311〇2、1102中一种或组合。9. 根据权利要求8所述的一种半导体热电控温的全固态能量储存与转化装置，其特征 在于:所述单体全固态锂基电池的电解质为Perovskite、NASICON、LISICON、Garnet、LiPON、 1^必、1^431〇4、1^出〇 3、0-厶12〇3、矿-厶12〇3、1^疋〇4、硫化物中一种或组合。
【文档编号】H01M10/48GK106099221SQ201610519670
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】张辉, 姚伟
【申请人】中国空间技术研究院