CN106785190B - 用于动力电池散热的导热结构及其制备方法 - Google Patents

用于动力电池散热的导热结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及散热导热结构技术领域，公开了一种用于动力电池散热的导热结构及其制备方法。本发明包括导热层、封闭层和绝缘层，所述导热层包括表面均匀分布有通孔的载体石墨膜和附着在载体石墨膜表面的石蜡层，导热层两侧分别设置一封闭层，封闭层为石墨膜，两封闭层外侧分别设置绝缘层。本发明结构简单、成本低、导热性能良好、散热效果好、不易泄露、使用安全便捷。

Description

用于动力电池散热的导热结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及散热导热结构技术领域，特别是涉及一种用于动力电池散热的导热结构及其制备方法。
背景技术
随着当前能源危机和环境问题日益突出,新能源汽车发展迅速。然而，近年来新能源汽车安全问题频出，动力电池作为新能源汽车的必备动力单元，其动力电池组的散热效率与新能源汽车的安全息息相关。
目前来讲，动力电池散热措施主要包括空气冷却、液体冷却和相变冷却等。由于空气冷却的比热容和导热系数较小，而风机的功率又与电池能量要求相矛盾，致使空气对电池组的冷却效果有限；使用液体作为传热介质，对密封性的要求高，质量相对较大，需要水套、换热器等部件，结构相对复杂，同时还需考虑极低温度下液体的冻结等问题；相变材料具有高蓄热能力，但本身无法进行热传递，应用时需与其他散热***共同使用。
相变材料是指随温度变化而改变物质状态并能提供潜热的物质，相变过程即为相变材料转变物理性质的过程，在相变过程中，相变材料吸收或释放大量的潜热。相变材料主要包括无机、有机以及复合相变材料三类，石蜡作为有机相变材料中应用最广泛的一种，具有性能稳定、无相分离和过冷现象、价格低廉等优点，但其导热性能较差，一般都需通过复合其他高导热材料来提高相变材料的导热性能。
中国专利“一种新型相变材料组合物”(CN201310714156.1)公布了一种新型组合物，物通过添加石墨烯增加材料导热性，且组合物还添加了碳纳米管，由于石墨烯、碳纳米管的价格较高，不利于该相变材料组合物的大规模应用。
发明内容
本发明提供一种结构简单、成本低、导热性能良好、散热效果好、不易泄露、使用安全便捷的用于动力电池散热的导热结构及其制备方法。
解决的技术问题是：
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明用于动力电池散热的导热结构，包括导热层、封闭层和绝缘层，所述导热层包括表面均匀分布有通孔的载体石墨膜和附着在载体石墨膜表面的石蜡层，导热层两侧分别设置一封闭层，封闭层为石墨膜，两封闭层外侧分别设置绝缘层。
本发明用于动力电池散热的导热结构，进一步的，所述通孔的直径为0.5-1mm，通孔以矩阵形式分布。
本发明用于动力电池散热的导热结构，进一步的，所述载体石墨膜的厚度为18-25μm，平面导热系数为1500-1700W/(m·K)；封闭层的石墨膜的厚度为25-30μm，平面导热系数为1300-1500W/(m·K)。
本发明用于动力电池散热的导热结构，进一步的，所述通孔内表面的石蜡层厚度为0.05-0.1mm，载体石墨膜上表面和下表面的石蜡层厚度不超过0.1mm。
本发明用于动力电池散热的导热结构，进一步的，所述绝缘层采用R-4绝缘板、聚酰亚胺膜、PET膜或PP绝缘片制成。
本发明用于动力电池散热的导热结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、准备工作：在载体石墨膜表面开设通孔，并将石蜡加热熔融；
步骤二、浸泡石蜡：将熔融的石蜡加热到80-100℃，然后将步骤一加工得到的载体石墨膜浸泡到石蜡中，使得载体石墨膜表面的石蜡层的厚度为0.05-0.1mm；
步骤三、涂覆石蜡：在步骤二制得的载体石墨膜表面涂覆熔融石蜡，涂覆后载体石墨膜表面的石蜡层厚度不超过0.1mm；
步骤四、贴合封闭层：在石蜡层表面覆贴石墨膜，对齐，压紧；
步骤五、封装绝缘层：使用绝缘材料板对步骤四制得的复合层进行封装。
本发明用于动力电池散热的导热结构的制备方法，进一步的，步骤二中载体石墨膜在石蜡中浸泡的时间不超过30min。
本发明用于动力电池散热的导热结构的制备方法，进一步的，步骤三中利用刮刀涂覆石蜡，所涂覆的石蜡的温度为70-80℃。
本发明用于动力电池散热的导热结构的制备方法，进一步的，步骤四中封闭层的贴合选用以下方式进行：
方式一、步骤三在载体石墨膜表面涂覆石蜡层后立即在石蜡层表面覆贴封闭层石墨膜，压紧后冷却；
方式二、步骤三在载体石墨膜表面涂覆石蜡层后，冷却，然后在石蜡层表面均匀涂覆导热胶，在导热胶表面粘覆封闭层石墨膜，压紧后冷却。
本发明用于动力电池散热的导热结构与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明用于动力电池散热的导热结构以石墨膜作为相变材料石蜡的载体，结合了石蜡优异的储热性能和石墨膜良好的导热性能，在动力电池中形成了一个传热通道，将动力电池散发出的热量有效的吸收到石蜡中并通过石墨膜及时的将热量传导出去，提高了石墨膜的热容，使得导热结构的散热性能远大于两者材料的简单加和。
本发明在载体石墨膜表面开设了多个通孔，通孔内表面通过浸泡也覆盖有石蜡层，形成了一个完整连续的导热体系，不仅提高了石蜡在载体石墨膜表面的吸附量，提高了石墨膜的热容，大大提高了导热结构的散热效率。
本发明在石蜡层的表面贴覆有封闭层石墨膜，一方面对载体石墨膜表面涂覆的石蜡层起到一个封闭的作用，有效避免了因动力电池表面过热时造成的石蜡熔融外泄的情况，使用安全便捷；另一方面封闭层石墨膜本身起到一个传热通道的作用，石墨膜可快速、高效的将动力电池表面产生的热量传导出去，大大提高了导热结构的传热效率。
本发明可根据动力电池的类型选用不同材质的绝缘材料，以实现导热结构与动力电池的良好接触，整个导热结构为薄膜状，轻薄，能很好的贴覆在不同类型、不同形状、不同使用条件的动力电池的表面，配合风冷散热，确保导热结构的散热效率，扩大了本发明导热结构的适用范围，使用安全便捷。
本发明在载体石墨膜表面涂覆石蜡层时，采用了两次涂覆的工艺，先浸泡，将开有通孔的载体石墨膜浸泡在熔融石蜡中，使得通孔内表面也均匀粘覆有石蜡层，通过控制浸泡时间和浸泡温度，控制第一次涂覆的石蜡层的厚度，避免通孔内的石蜡层厚度过厚，堵塞通孔，然后冷却后再进行第二次表面涂覆，在载体石墨膜的上表面和下表面分别均匀涂覆熔融石蜡层，既提高了载体石墨膜上的石蜡吸附量，又避免了一次涂覆过多堵塞通孔的情况，提高了导热结构的传热效率。
本发明在贴合封闭层石墨膜时，可在刚涂覆石蜡层时，立即在尚未凝固的石蜡表面贴覆石墨膜，也可在石蜡层冷却后，通过导热耐热胶将石墨膜粘覆在石蜡层表面，施工工艺灵活，可操作性强，同时可根据导热结构不同的使用情况，选择合适的施工工艺，操作更方便。
下面结合附图对本发明的用于动力电池散热的导热结构作进一步说明。
附图说明
图1为本发明用于动力电池散热的导热结构的结构示意图；
图2为载体石墨膜的结构示意图；
图3本发明制备实施例1制得产品的升温速率示意图；
图4石墨膜样品的升温速率示意图。
附图标记：
1-导热层；11-载体石墨膜；12-石蜡层；13-通孔；2-封闭层；3-绝缘层。
具体实施方式
如图1所示，本发明用于动力电池散热的导热结构包括导热层、封闭层和绝缘层，导热层包括表面均匀分布有通孔的载体石墨膜和附着在载体石墨膜表面的石蜡层，如图2所示，通孔直径为0.5-1mm，通孔以矩阵形式分布，载体石墨膜的厚度为18-25μm，平面导热系数为1500-1700W/(m·K)，通孔内表面的石蜡层厚度为0.05-0.1mm，载体石墨膜上表面和下表面的石蜡层厚度不超过0.1mm，导热层两侧分别设置一封闭层，封闭层为石墨膜，封闭层的石墨膜的厚度为25-30μm，平面导热系数为1300-1500W/(m·K)；两封闭层外侧分别设置绝缘层，绝缘层采用R-4绝缘板、聚酰亚胺膜、PET膜或PP绝缘片制成。
制备实施例1
按照以下方法制备用于动力电池散热的导热结构：
在厚度为18μm，平面导热系数为1500W/(m·K)的载体石墨膜表面均匀开设通孔，开设通孔的直径为1.0mm，然后将其浸泡在80℃下熔融的液体石蜡中，10min后，取出载体石墨膜，冷却至室温，然后在其表面再次均匀涂覆70℃下熔融的液体石蜡，涂覆后，载体石墨膜表面的石蜡层厚度不超过0.1mm；涂覆石蜡层后立即在石蜡层表面贴合封闭层石墨膜，封闭层石墨膜的厚度为25μm，平面导热系数为1300W/(m·K)，压紧后冷却至；然后将贴合后的复合层结构用R-4绝缘板封装。
制备实施例2
按照以下方法制备用于动力电池散热的导热结构：
在厚度为25μm，平面导热系数为1700W/(m·K)的载体石墨膜表面均匀开设通孔，开设通孔的直径为0.7mm，然后将其浸泡在100℃下熔融的液体石蜡中，20min后，取出载体石墨膜，冷却至室温，然后在其表面再次均匀涂覆75℃下熔融的液体石蜡，涂覆后，载体石墨膜表面的石蜡层厚度不超过0.1mm；涂覆石蜡层后立即在石蜡层表面贴合封闭层石墨膜，封闭层石墨膜的厚度为25μm，平面导热系数为1500W/(m·K)，压紧后冷却至；然后将贴合后的复合层结构用聚酰亚胺膜封装。
制备实施例3
按照以下方法制备用于动力电池散热的导热结构：
在厚度为23μm，平面导热系数为1600W/(m·K)的载体石墨膜表面均匀开设通孔，开设通孔的直径为0.5mm，然后将其浸泡在90℃下熔融的液体石蜡中，30min后，取出载体石墨膜，冷却至室温，然后在其表面再次均匀涂覆80℃下熔融的液体石蜡，涂覆后，载体石墨膜表面的石蜡层厚度不超过0.1mm；涂覆石蜡层后冷却至室温，在石蜡层表面涂覆导热耐热胶，在胶层表面粘合封闭层石墨膜，封闭层石墨膜的厚度为30μm，平面导热系数为1400W/(m·K)，压紧后冷却至；然后将贴合后的复合层结构用PET膜封装，在PET膜外侧使用双面胶黏贴，可用在圆柱体的动力电池表面。
制备实施例4
按照以下方法制备用于动力电池散热的导热结构：
在厚度为20μm，平面导热系数为1500W/(m·K)的载体石墨膜表面均匀开设通孔，开设通孔的直径为0.8mm，然后将其浸泡在85℃下熔融的液体石蜡中，15min后，取出载体石墨膜，冷却至室温，然后在其表面再次均匀涂覆72℃下熔融的液体石蜡，涂覆后，载体石墨膜表面的石蜡层厚度不超过0.1mm；涂覆石蜡层后冷却至室温，在石蜡层表面涂覆导热耐热胶，在胶层表面粘合封闭层石墨膜，封闭层石墨膜的厚度为27μm，平面导热系数为1300W/(m·K)，压紧后冷却至；然后将贴合后的复合层结构用PP绝缘片封装。
检测实施例
上述制备实施例制得的导热结构，进行导热性能的检测，具体的检测结果如表1所示。
表1制备实施例制得的导热结构的导热性能检测结果
由表1可知，按照本发明所述方法制备得到的导热结构的综合导热系数为10-15W/(m·K)，而石蜡作为应用最为广泛的相变材料，性能稳定，易得经济，但是导热性能较差，石蜡的导热系数一般为0.23W/(m·K)，而本发明制得的导热结构在载体石墨膜表面开设通孔，在载体石墨膜表面涂覆石蜡层，不仅提高了石蜡在石墨膜表面的吸附量，而且综合了石蜡的储热和石墨膜的传热性能，使得本发明所述导热结构的综合散热性能得到了有效的提高。
对比实施例
在相同功率8.8V*0.55A条件下进行加热点温度的对比实验测试，采用的设备为直流电源和红外热成像仪。以本发明上述制备实施例1制得的产品为实验组，以石墨膜为对照组，检测其加热点的温度，具体的试验检测结果如表2所示。
表2加热点温度的检测结果
测试时间 对照组℃ 实验组℃
30s 63.1 58.3
60s 76.6 71.1
90s 82.8 75.7
110s 85 80.7
由表2可知，在不同的测试时间下，实验组的产品表面加热点的温度均比对照组低5-7℃，说明本发明导热结构的实际散热效果要优于石墨膜。实验组与对照组产品的升温速率图如图3和图4所示。由图3和图4可知，
在50-70℃范围内，实验样品相比单纯石墨膜样品而言，其材料表面的温度提升更为平稳，散热更为稳定，此温度范围为石蜡的相变温度范围，在此范围内石蜡相变吸热，吸收的热量通过石墨膜快速的散掉，使得材料表面的温度不会骤升或骤降，石墨膜在结构中除了起到载体的作用外，还在散热方面发挥较大的作用。避免了材料表面温度骤升或骤降引起的安全隐患，延长了材料的使用寿命，使用更加安全方便。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.用于动力电池散热的导热结构，其特征在于：包括导热层、封闭层和绝缘层，所述导热层包括表面均匀分布有通孔的载体石墨膜和附着在载体石墨膜表面的石蜡层，导热层两侧分别设置一封闭层，封闭层为石墨膜，两封闭层外侧分别设置绝缘层；通孔内表面的石蜡层厚度为0.05-0.1mm，载体石墨膜上表面和下表面的石蜡层厚度不超过0.1mm。
2.根据权利要求1所述的用于动力电池散热的导热结构，其特征在于：所述通孔的直径为0.5-1mm，通孔以矩阵形式分布。
3.根据权利要求1所述的用于动力电池散热的导热结构，其特征在于：所述载体石墨膜的厚度为18-25μm，平面导热系数为1500-1700W/(m·K)；封闭层的石墨膜的厚度为25-30μm，平面导热系数为1300-1500W/(m·K)。
4.根据权利要求1所述的用于动力电池散热的导热结构，其特征在于：所述绝缘层采用R-4绝缘板、聚酰亚胺膜、PET膜或PP绝缘片制成。
5.权利要求1-4任意一项所述的用于动力电池散热的导热结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、准备工作：在载体石墨膜表面开设通孔，并将石蜡加热熔融；
步骤二、浸泡石蜡：将熔融的石蜡加热到80-100℃，然后将步骤一加工得到的载体石墨膜浸泡到石蜡中，使得载体石墨膜表面的石蜡层的厚度为0.05-0.1mm；
步骤三、涂覆石蜡：在步骤二制得的载体石墨膜表面涂覆熔融石蜡，涂覆后载体石墨膜表面的石蜡层厚度不超过0.1mm；
步骤四、贴合封闭层：在石蜡层表面覆贴石墨膜，对齐，压紧；
步骤五、封装绝缘层：使用绝缘材料板对步骤四制得的复合层进行封装。
6.根据权利要求5所述的用于动力电池散热的导热结构的制备方法，其特征在于：步骤二中载体石墨膜在石蜡中浸泡的时间不超过30min。
7.根据权利要求5所述的用于动力电池散热的导热结构的制备方法，其特征在于：步骤三中利用刮刀涂覆石蜡，所涂覆的石蜡的温度为70-80℃。
8.根据权利要求5所述的用于动力电池散热的导热结构的制备方法，其特征在于：步骤四中封闭层的贴合选用以下方式进行：
方式一、步骤三在载体石墨膜表面涂覆石蜡层后立即在石蜡层表面覆贴封闭层石墨膜，压紧后冷却；
方式二、步骤三在载体石墨膜表面涂覆石蜡层后，冷却，然后在石蜡层表面均匀涂覆导热胶，在导热胶表面粘覆封闭层石墨膜，压紧后冷却。
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