CN105594009A - 具有内部相变材料的电池 - Google Patents

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Abstract

一种电化学电池单元包括负电极、正电极、位于负电极和正电极之间的分离器；以及电化学电池单元内的相变材料。

Description

具有内部相变材料的电池
本申请根据35U.S.C.§119要求2013年2月21日递交的美国临时申请No.61/767,564的优先权，通过引用在其整体上并入该临时申请的公开内容。
技术领域
本公开内容涉及电池，且更具体地涉及暴露于内部或外部产生的热中的电池。
背景技术
电池是一种有用的存储的能量的源，其可以合并入多种***中。尽管通常是安全的，但是电池中存储的能量的量以及用于制造电池的材料在不同的场景下可能存在安全问题。当电池经受由于内部处理器或是由于电池所处的环境导致的增加的温度时，安全尤其成为问题。
作为举例，当电池在充电或放电时，由于包括电阻，质量传递以及动能项的内阻，它们典型地产生热。放热副反应也在电池内产生热。如果该热产生大且快，则该热产生可能造成安全风险。例如，如果内电池单元温度攀升至阴极的分解温度(～180到220℃，取决于化学成分和充电状态)以上，则商用锂离子电池单元通常进入热失控。通常，导致温度上升到该临界温度以上的事件是在低得多的温度触发的。例如，放热阳极膜分解可能在～120℃发生，这为电池温度上升到180℃以上提供了足够的能量。
除了安全考虑，增加的温度影响电池的操作特性。在较温暖的温度(对于锂离子电池40到100℃)，电池的老化通常会加速。这是由于大部分有害副反应是热激发的(但是不是电池的所有老化机制都会在高温时加速)。因此建议在操作期间和/或在高环境温度时冷却电池，以便增强它们的循环和/或日历寿命。对于商用电池有许多冷却概念，包括主动式空气冷却、液体冷却以及使用具有高导热性的材料。
然而，电池的外部冷却未防止热增加的局部区域。例如，在高电流放电期间放置在冰浴中并然后被内部加热的电池可以维持在冰的融化温度直到冰完全融化，但这只是在电池的外表面维持。在内部，电池在局部位置的温度将明显更高，从而产生不均匀热分布图(heatprofile)。电池的内部温度因此可能攀升到远在冰的融化温度以上。
因此需要的是较不易受到增加的温度的有害影响的电池。存在对减少局部热分布图波动的电池的进一步需要。
发明内容
在一个实施例中，一种电化学电池单元包括负电极、正电极、位于负电极和正电极之间的分离器；以及电化学电池单元内的相变材料。
在另一个实施例中，一种操作电化学电池单元的方法包括：通过对电化学电池单元充电或放电来利用电化学电池单元产生热，电化学电池单元包括负电极、正电极以及位于负电极和正电极之间的分离器；以及使用产生的热来改变电化学电池单元内的相变材料的相。
附图说明
通过参考以下的详细描述和附图，上述特征和优势以及其他特征和优势对于本领域的普通技术人员应该变得容易清楚，在附图中：
图1描绘了根据本公开的原理的包括在负电极和正电极具有相变材料的电池单元的电池***的示意图。
具体实施方式
为了促进本公开原理的理解的目的，现在将参考附图中图示的以及下面书写的说明书中所描述的实施例。应该理解的是，由此不意图对本公开范围有任何限制。还应理解的是，本公开包括对于所说明实施例的任何变更和修改并进一步包括本公开原理的应用，如本公开所属领域技术人员将通常想到的那样。
图1描绘了电化学电池单元100的示意图。电化学电池单元100包括负电极102，其与正电极104被多孔分离器106分离。在该实施例中，负电极102包括集电器108、活性材料110、惰性材料112以及相变材料114。负电极102可以由锂金属或嵌锂化合物形成。
在个实施例中，正电极104包括集电器118、活性材料120、惰性材料122以及相变材料124。惰性材料122可形成多孔基质，其是由导电材料(例如导电碳或泡沫镍)形成的导电基质，但是可以使用各种替代基质结构和材料。分离器106阻止负电极102与正电极104电气连接。
电化学电池单元100包括存在于正电极104中并且在某些实施例中存在于分离器106和负电极102中的电解质溶液116。
在金属是锂的情况中，电化学电池单元100在负电极102中的锂金属离子化为Li+离子与自由电子e-的情况下放电。Li+离子在箭头120所指示的方向朝正电极104行进通过分离器106。
在电池单元放电(或充电)时可能产生热。热也可能在电池单元100外部产生并传递进入电池单元100。相变材料114/124通过接受(或拒绝)热能来维持***的温度在恒定温度(转变温度)，直到该材料由相A完全变换为相B。相变材料114/124遍及电池单元分布以便最小化遍及电池单元的温度变化。在其他实施例中，为了将表面温度维持在相变温度，相变材料114/124位于电池外表面。例如，在高电流放电期间放置在冰浴中并然后被内部加热的电池可以维持在冰的融化温度直到冰完全融化，但这只是在电池的外表面维持。电池的内部温度可能攀升到远在冰的融化温度以上。
因此，相变材料114/124防止可能导致提早老化或安全隐患的电池中的过度温度，以及改进了遍及电池的温度的一致性。在不同的实施例中，相变材料合并于阳极、阴极、分离器或是电池单元的其他部分中。
选择相变材料(PCM)的量以使得其可以在电池单元加热期间吸收足够的热量但并不会太大以致于损害电池的能量密度或功率密度。选择相变温度为在使电池单元提早老化或造成安全风险所必需的温度以下的温度。它同样远高于电池单元的正常操作温度，以致于既不限制电池单元的倍率性能(其在较高温度增强)，也不允许PCM在由于电池单元加热导致的典型热能冲击期间完全改变其相，因为一旦PCM完成相变，电池单元的温度就可能攀升到超过相转变温度。因此，通过将足够的PCM合并到电池单元中并避免过低的转变温度来避免完全相转变是必要的。
优选但非必然的是，PCM是在正常电池单元操作期间经历的电压、电流和温度不与其他电池单元组分反应的惰性组分。PCM和其他组分之间发生的任何反应应当是良性的和可逆的(或几乎完全可逆的)。相变本身也应该是可逆的(或几乎完全可逆的)。
电池的外部冷却(被动地或主动地)被采用来吸收来自电池的热能并防止PCM完全相变。外部冷却也可在电池处于开路时采用以便逆转内部相变过程。这样做使得PCM在下次电池内部产生这样的能量时吸收更多的热能。
在不同实施例中使用的一些相变材料在下表中阐述：
其他相变材料包括：
其他PCM包括：
名称 T熔解[C] dH(J/g)
二十一烷 40.01 152.44087
苯酚 40.89 122.30239
1，6-己二醇 41.5 187.85858
磷酸 42.4 136.74167
4-氯苯酚 42.8 109.67983
4-甲基苯胺 43.6 176.3833
二十二烷 43.6 157.11526
月桂酸 43.8 181.21187
1-氯-3-硝基苯 44.4 123.1316
2-硝基苯酚 44.8 127.23835
氰胺 45.56 172.93054
2，6-二甲苯酚 45.8 154.71006
二十三烷 47.76 156.67212
苯甲酮 47.9 99.826032
1-十六醇 49.2 138.59099
百里香酚 49.5 141.79487
二十四烷 50.4 160.63593
吡嗪 51 161.07282
1，2，3-三氯苯 51.3 98.651397
4-硝基甲苯 51.63 122.57815
顺丁烯二酸酐 52.56 138.69484
p-二氯苯 53.09 123.73981
二苯胺 53.2 109.32385
二十五烷 53.93 161.3356
十四烷酸 54.2 197.48567
二甲基草酸 54.8 178.67879
二十六烷 56.1 163.61837
1-十八醇 57.9 166.36229
二十七烷 59.23 162.5807
1，3，5-三氧杂环己烷 60.29 167.74531
二十八烷 61.1 164.90991
十六烷酸 62.5 209.41878
1，3，5-三氯苯 62.8 99.753647
氯乙酸 63 129.95122
3，5-二甲苯酚 63.4 142.431496 -->
二十九烷 63.7 163.65531
三十烷 65.1 161.53713
3，4-二甲苯酚 65.1 148.16149
1-二十醇 65.4 140.68184
1，3-二胺苯 66 143.97869
亚硝基苯 67 289.42209
反式-偶氮苯 67.88 123.58687
联苯 68.93 120.42255
硬脂酸 69.3 215.13087
三十二烷 69.4 168.12091
4-氯苯胺 70.5 156.77421
1H吡唑 70.7 205.64949
2-硝基苯胺 71 116.56193
三十三烷 71.2 171.00709
反式-2-丁烯酸 71.5 151.00476
2，3-二甲苯酚 72.5 171.90007
三十四烷 72.5 165.78969
磷酸 74.4 156.10518
三十五烷 74.6 175.06953
2，5-二甲苯酚 74.8 191.54579
三十六烷 75.8 172.98752
苯乙酸 76.5 119.72178
四十烷 78.6 248.95986
1，2，4，5-四甲基苯 79.3 156.46188
其他PCM包括：
虽然在附图和前述描述中已经详细说明和描述了本公开，但是应将这认为是说明性的并且在特性上不是限制性的。应该理解的是，只给出了优选实施例，并且期望保护落在本公开精神内的所有改变、修改和另外的应用。

Claims (19)

1.一种电化学电池单元，包括：
负电极；
正电极；
位于负电极和正电极之间的分离器；以及
电化学电池单元内的相变材料。
2.根据权利要求1所述的电化学电池单元，其中相变材料是固-固相变材料。
3.根据权利要求2所述的电化学电池单元，其中相变材料的第一部分是位于正电极内的。
4.根据权利要求3所述的电化学电池单元，其中相变材料的第二部分是位于负电极内的。
5.根据权利要求4所述的电化学电池单元，其中相变材料的第三部分是位于分离器内的。
6.根据权利要求1所述的电化学电池单元，其中负电极包括锂的形式。
7.根据权利要求6所述的电化学电池单元，其中选择相变材料以具有介于40℃与100℃之间的转变温度。
8.根据权利要求7所述的电化学电池单元，其中相变材料是固-固相变材料。
9.根据权利要求8所述的电化学电池单元，其中相变材料的第一部分是位于正电极内的。
10.根据权利要求9所述的电化学电池单元，其中相变材料的第二部分是位于负电极内的。
11.根据权利要求10所述的电化学电池单元，其中相变材料的第三部分是位于分离器内的。
12.根据权利要求11所述的电化学电池单元，其中相变材料的第四部分是位于电化学电池单元的外表面的。
13.一种操作电化学电池单元的方法，包括：
通过对电化学电池单元充电或放电来利用电化学电池单元产生热，电化学电池单元包括负电极、正电极以及位于负电极和正电极之间的分离器；以及
使用产生的热来改变电化学电池单元内的相变材料的相。
14.根据权利要求13所述的方法，权利要求13所述的方法，其中，利用电化学电池单元产生热包括：
通过包括锂的形式的处理来产生热。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
将电化学电池单元置于开路配置；以及
通过当电化学电池单元处于开路配置时对其应用外部冷却来改变相变材料的相。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：
从具有介于40℃与100℃之间的转变温度的一组相变材料中选择相变材料。
17.根据权利要求16所述的方法，其中选择相变材料包括：
从由固-固相变材料组成的组中选择相变材料。
18.根据权利要求17所述的方法，其中使用产生的热来改变电化学电池单元内的相变材料的相包括：
使用产生的热来改变在电化学电池单元的负电极内的第一相变材料部分的相。
19.根据权利要求18所述的方法，其中使用产生的热来改变电化学电池单元内的相变材料的相包括：
使用产生的热来改变在电化学电池单元的正电极内的第二相变材料部分的相。
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