CN113036248B - 一种抑制锂枝晶生长的全固态锂电池温度控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制锂枝晶生长的全固态锂电池温度控制方法及***，当接收到充电指令后，使全固态锂电池所在的电池仓仓内温度升高至充电预设温度后，接通充电电路以开始充电，由于充电预设温度高于外环境温度，充电过程中，全固态电解质的离子电导率提高，倍率性能提升，同时，金属锂杨氏模量降低、扩散能力增加，有效抑制锂枝晶的生成；在全固态锂电池充电完成后，持续检测电池仓内部温度，将所述仓内温度控制在工作预设温度以上，使固态电解质保持较好的离子输运性能，避免环境温度变化影响全固态锂电池启动，同时可提升放电阶段全固态锂电池离子电导率。通过分阶段温度控制，在低能耗的基础下，实现了全固态锂电池工作性能的有效提升。

Description

一种抑制锂枝晶生长的全固态锂电池温度控制方法及***

技术领域

本发明涉及全固态锂电池技术领域，特别涉及一种抑制锂枝晶生长的全固态锂电池温度控制方法及***。

背景技术

全固态锂电池是电池发展的主流趋势，与商用液态锂离子电池相比，全固态电池使用的固态电解质具有不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液的优势，因而具有更好的安全性和更长的使用寿命。此外，与液态锂离子电池相比，全固态锂电池具有更高的能量密度，因此更适合作为车载电池、航空器电池使用。然而，全固态锂电池在实际使用中仍存在一些问题，首先，受到离子扩散能力的限制，固态电解质的离子电导率普遍低于液态电解质，较低的离子电导率显著影响了全固态锂电池的倍率性能。其次，固态电解质中存在空隙，负极处沉积产生的锂枝晶可能穿透电解质，导致电池短路失效。因此，提升固态电解质离子电导率，并减少锂枝晶的生成，成为了全固态锂电池开发中亟待解决的问题。

现有的电池温度控制***多针对液态锂离子电池设计，为了避免起火风险，液态锂离子电池需在运行时持续降温，其温度控制***的设计与全固态锂电池的需求截然不同。尽管现有技术中已经开展温度对全固态锂电池性能的影响的相关研究，但是目前的研究至少存在以下缺陷：

第一、目前有些研究只针对作为车载电池和航空器电池使用的全固态锂电池，在极低的环境温度下运行的场景，而忽视了全固态锂电池在非恶劣温度情况下的温度控制；

第二、只针对全固态锂电池充电开启前进行温度补偿，而忽视充电开启后整个充电过程中的温度控制；

第三、现有技术忽略了全固态锂电池放电过程及非充电非放电的静置状态下温度控制的必要性；

第四、现有技术中仅仅提出了在严寒环境下优选对电池工作环境升温的概念型温度控制策略，现有的研究考虑到开启充电的效率以及用于加热的电能损耗，相应提出的比较典型的升温目标值为15℃左右，但此温升值并未经过试验测算，也无法达到有效抑制锂枝晶生长的目的。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种抑制锂枝晶生长的全固态锂电池温度控制方法及***，技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种抑制锂枝晶生长的全固态锂电池充放电温度控制方法，基于全固态锂电池充电、静置、放电过程分阶段进行温度控制：

若接收到对全固态锂电池充电的指令，则控制所述全固态锂电池所在的电池仓仓内温度不小于第一温度阈值的前提下接通充电电路，且在充电过程中保持电池仓仓内温度不小于第一温度阈值，并在充电过程结束后继续控制所述电池仓仓内温度不小于第二温度阈值，其中，所述第一温度阈值的设定范围为310K至450K，所述第二温度阈值的设定范围为280K至450K；

若接收到对全固态锂电池放电的指令，则控制所述全固态锂电池所在的电池仓仓内温度不小于第三温度阈值的前提下接通放电电路，且在放电过程中保持电池仓仓内温度不小于第三温度阈值，并在放电过程结束后继续控制所述电池仓仓内温度不小于第二温度阈值，其中，所述第二温度阈值的设定范围为280K至450K，所述第三温度阈值的设定值大于或等于所述第二温度阈值。

进一步地，所述对全固态锂电池放电的指令包括目标放电功率，根据所述目标放电功率控制放电过程中所述电池仓仓内温度，包括：所述目标放电功率越大，控制放电过程中所述电池仓仓内温度越高。

进一步地，设置用于为电池仓加热的电加热元件以及用于检测电池仓内温度的温度传感器，若所述温度传感器检测到温度值低于相应的温度阈值，则接通所述电加热元件与供电电源的电路。

进一步地，在接收到对全固态锂电池充电的指令时，若所述温度传感器检测到温度值高于或等于第一温度阈值，则直接开启充电；若所述温度传感器检测到温度值低于第一温度阈值，则控制所述电加热元件工作，直至温度值达到所述第一温度阈值后开启充电；

在开启充电后直至充电过程结束期间，若所述温度传感器检测到温度值高于或等于第一温度阈值，则控制所述电加热元件停止工作；若所述温度传感器检测到温度值低于第一温度阈值，则控制所述电加热元件工作，直至温度值达到所述第一温度阈值。

进一步地，所述供电电源为外部电源或者电池仓仓内的所述全固态锂电池，其中，所述外部电源为可再生能源供电组件或非可再生能源供电组件。

进一步地，所述第一温度阈值的设定范围为330K至450K。

另一方面，本发明提供了另一种抑制全固态锂电池锂枝晶生长的温度控制方法，基于全固态锂电池非充电、非放电的静置过程进行温度控制：

在所述全固态锂电池既不处于充电状态、又不处于放电状态的情况下，控制所述全固态锂电池所在的电池仓仓内温度大于或等于280K且小于或等于450K。

进一步地，设置用于为电池仓加热的电加热元件以及用于检测电池仓内温度的温度传感器，在所述全固态锂电池处于静置过程中，若所述温度传感器检测到温度值低于280K，则接通所述电加热元件与供电电源的电路；其中，所述供电电源为外部电源或者电池仓仓内的所述全固态锂电池，其中，所述外部电源为可再生能源供电组件或非可再生能源供电组件。

进一步地，在所述全固态锂电池既不处于充电状态、又不处于放电状态的情况下，控制所述全固态锂电池所在的电池仓仓内温度大于或等于283.15K且小于或等于450K。

再一方面，本发明提供了第一种抑制全固态锂电池锂枝晶生长的充电温度控制方法，控制所述全固态锂电池所在的电池仓仓内温度大于或等于330K且小于或等于450K的前提下开启充电过程，并在充电过程结束之前保持电池仓仓内温度大于或等于310K且小于或等于450K。

此外，本发明提供了第二种抑制全固态锂电池锂枝晶生长的充电温度控制方法，若接收到对全固态锂电池充电的指令，则判断所述全固态锂电池所在的电池仓仓内温度是否小于第一温度阈值，若否，则直接接通充电电路；若是，则根据预设的温度模型计算升温至所述第一温度阈值所需的加热时间值，并对所述电池仓加热直至达到所述所需的加热时间值后，接通充电电路，所述第一温度阈值的设定范围为310K至450K。

进一步地，所述预设的温度模型为：

，其中，t ₁为所需的加热时间值，Δx为电池仓内保温层厚度，c _p 为电池比热，ρ为电池密度，V为电池体积，λ为保温层的热传导率，A为保温层的总散热面积，q为为电池仓加热的电加热器的加热总功率，T ₁为第一温度阈值，T ₀为电池仓外部环境温度。

其他方面，本发明还提供了一种抑制锂枝晶生长的全固态锂电池温度控制***，包括：

电池充放电模块，包括全固态锂电池及其可控充电电路和放电电路；

电池仓，用于放置所述全固态锂电池；

温度传感器，用于检测所述电池仓仓内温度；

可控加热器，用于提升所述电池仓仓内温度；

控制模块，其与电池充放电模块、温度传感器、可控加热器电连接，若所述控制模块接收到所述电池充放电模块发送的充电指令，且所述温度传感器发送的温度检测值小于第一温度阈值，则所述控制模块控制所述可控加热器工作，直至所述温度传感器发送的温度检测值达到第一温度阈值后，所述控制模块控制接通所述可控充电电路，所述第一温度阈值的设定范围为310K至450K；并在充电过程结束之前实时或定时判断所述温度传感器发送的温度检测值是否低于第一温度阈值，若是，则所述控制模块控制所述可控加热器工作，使电池仓仓内温度在充电过程中保持大于或等于所述第一温度阈值。

进一步地，在所述控制模块既未收到所述电池充放电模块发送的充电指令或放电指令，所述充电电路和放电电路又均处于未接通状态的前提下，若所述温度传感器发送的温度检测值小于第二温度阈值，则所述控制模块控制所述可控加热器工作，直至所述温度传感器发送的温度检测值达到第二温度阈值，所述第二温度阈值的设定范围为280K至450K。

进一步地，所述放电电路为可控放电电路，若所述控制模块接收到所述电池充放电模块发送的放电指令，且所述温度传感器发送的温度检测值小于第三温度阈值，则所述控制模块控制所述可控加热器工作，直至所述温度传感器发送的温度检测值达到第三温度阈值后，所述控制模块控制接通所述可控放电电路；并在放电过程结束之前实时或定时判断所述温度传感器发送的温度检测值是否低于第三温度阈值，若是，则所述控制模块控制所述可控加热器工作，使电池仓仓内温度在放电过程中保持大于或等于所述第三温度阈值，所述第三温度阈值的设定值大于或等于所述第二温度阈值。

进一步地，所述放电指令包括目标放电功率，所述控制模块根据所述目标放电功率控制放电过程中所述电池仓仓内温度，包括：所述目标放电功率越大，在放电过程结束之前所述控制模块控制所述电池仓仓内温度越高。

进一步地，所述全固态锂电池温度控制***还包括供电模块，用于对所述可控加热器进行供电，所述供电模块为所述全固态锂电池本身或者外部电源，其中，所述外部电源为可再生能源供电组件或非可再生能源供电组件。

进一步地，所述全固态锂电池的正极包括硫化物正极、氧化物正极、三元材料中的一种或多种；

所述全固态锂电池的电解质包括硫化物电解质、氧化物电解质中的一种或多种；

所述全固态锂电池的负极包括金属锂负极、合金负极、碳族负极材料、无锂负极中的一种或多种；

所述全固态锂电池的正极、电解质、负极材料中，均可采用包覆或PEO掺杂的方法改性。

进一步地，所述电池仓具有保温腔体，所述保温腔体的腔壁材料的热传导率范围为0.001至1.2 W/(m·K)；或者，所述电池仓的保温腔体的腔壁采用保温陶瓷材料、发泡玻璃材料和/或气凝胶制成。

本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：

a. 提高全固态锂电池在充电过程中所处的温度，以提高全固态电解质的离子电导率，并降低金属锂杨氏模量，提高金属锂扩散能力，有效抑制了锂枝晶的生成；

b. 在充电完成后，还可使电池在静置阶段和放电阶段均保持在一个稳定的运行温度，以避免低温导致离子电导率降低而影响电池正常使用；

c. 通过设计保温模块，可以有效降低温度控制装置内的散热速率，以实现节能控温的目的；

d. 在静置/放电阶段直接使用所述全固态锂电池供电，或使用太阳能电池等可再生能源发电方法供电，而非使用外接电源供电，满足了全固态锂电池投入使用时必要的可移动需求；

e. 在充电阶段和静置/放电阶段采用不同的电源驱动加热器，并选取不同的运行温度，可以在兼顾提升全固态锂电池工作性能的同时，减少温度控制装置对全固态锂电池储能的消耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的提升全固态锂电池工作性能的温度控制方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的步骤S1对应的加热器消耗总能量及所需加热时间t ₁随充电预设温度T ₁的变化示意图；

图3为根据本发明实施例的步骤S2对应的，不同充电预设温度T ₁下，全固态电解质离子电导率及加热功率/电池充电功率比值的变化示意图；

图4（a）为根据本发明实施例的充电预设温度为300K时全固态锂电池负极金属锂沉积形貌SEM图；

图4（b）为根据本发明实施例的充电预设温度为335K时全固态锂电池负极金属锂沉积形貌SEM图；

图5为根据本发明实施例的不同充电预设温度T ₁下无包覆纯锂负极全固态锂电池的循环寿命t ₂变化实验结果；

图6为根据本发明实施例的步骤S3所对应的，无需能耗的保温时间t ₃随充电预设温度T ₁及工作预设温度T ₂的变化示意图；

图7为根据本发明实施例的步骤S4所对应的，不同车速v、不同工作预设温度T ₂下，加热功率/电池放电功率比值的变化示意图；

图8为根据本发明实施例的步骤S4所对应的，不同工作预设温度T ₂条件下，全固态锂电池驱动温度控制装置加热时的可持续控温时间t ₄示意图；

图9为根据本发明实施例的提升全固态锂电池工作性能的温度控制装置的示意图；

图10为根据本发明实施例的使用可再生能源供电组件的温度控制装置的示意图；

其中，附图标记包括：101-外置供电组件、102-内置供电组件、103-可再生能源供电组件、201-PID加热器、202-温度传感器、3为保温模块、4为全固态锂电池、401-可控充放电电路、5为控制模块。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，更清楚地了解本发明的目的、技术方案及其优点，以下结合具体实施例并参照附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。除此，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的一种提升全固态锂电池工作性能的温度控制方法及装置，首先描述本发明实施例的提升全固态锂电池工作性能的温度控制方法。

以电动汽车电池为标准选取本实施例分析的全固态锂电池（以下可简称电池），选用电解质为锂硫磷氯电解质，电动汽车平均电池容量约为60 kW·h，耗电量约为14.7 kW·h/100km，全固态锂电池能量密度可达0.9 kW·h/L, 则全固态锂电池体积约为67 L，参照电动汽车用蓄电池尺寸减半，则电池尺寸约为17 mm×62 mm×64 mm，电池置于有可控加热器和保温结构的电池仓内，选取保温层厚度为5 mm，以保温层一半厚度处的尺寸折算全固态锂电池装置尺寸，则将其三个维度尺寸记为N ₁ = 20 mm，N ₂ = 65 mm，N ₃ = 69 mm，所述电池仓内还设有温度传感器和控制模块，电池仓内的全固态锂电池具有可控充放电电路，其相应的接口优选延伸至电池仓外部或外表面上，将以上电池仓称为温度控制装置。

图1是本发明一个实施例的提升全固态锂电池工作性能的温度控制方法的流程图。如图1所示，将全固态锂电池置于温度控制装置内后，基于充电、静置/放电过程分阶段进行温度控制，该提升全固态锂电池工作性能的温度控制方法包括以下步骤：

S1，接收到全固态锂电池充电指令后，首先检测温度控制装置内部温度，当内部温度低于第一温度阈值（以下称充电预设温度T ₁）时，通过外接电源或者电池仓内部的全固态锂电池本身供电驱动加热器，使温度控制装置内部温度提升至充电预设温度T ₁。

在本实施例中，所述充电预设温度T ₁高于310K，在另一实施例中，所述充电预设温度T ₁高于330K且不超过450K。

在此实施例中，假设电池实际温度为T，加热器加热总功率为q，已加热时间为t，温度控制装置外环境温度为T ₀，充电预设温度为T ₁，电池密度为ρ，电池比热为c _p ，电池体积为V，保温层热导率为λ，保温层总散热面积为A，保温层厚度为Δx时，温度控制装置内的电池的实际温度变化如式（1）所示：

(1)

求解式（1），可得到：

(2)

由于步骤S1结束的判断标准为，温度控制装置内部温度提升至充电预设温度T ₁，则当T=T ₁时，所需加热时间t ₁为：

(3)

此时，步骤S1阶段加热器消耗的总能量Q ₁为：

(4)

取电池比热c _p 为900J/(kg·K)，电池密度ρ为3500 kg/m³, 电池体积V = 67 L，温度控制装置外环境温度T ₀为300K，保温层散热面积为0.01433 m²，保温层热导率λ为0.03 W/(m·K)，保温层厚度Δx为5 mm，加热器总功率q为100W，则图2给出了不同充电预设温度T ₁条件下，步骤S1对应的加热器消耗总能量Q ₁及所需加热时间t ₁的变化示意图。可以看出，即使充电预设温度T ₁高达450K，所需加热时间仍小于10分钟，加热器所需总能量小于0.015kW·h，等待时间和能耗均在满足电动汽车充电需求的可行范围内。

S2，温度控制装置内部温度达到T ₁后，接通全固态锂电池充电电路开始充电，充电过程中，通过外接电源供电驱动加热器，使所述温度控制装置内部温度保持在T ₁；通过在高温下完成全固态锂电池充电，可以提高充电效率，缩短充电时间，并使负极沉积的金属锂软化，同时改善锂的扩散性能，使锂沉积更为均匀，有效抑制锂枝晶的生成。

在S2阶段，加热器功率仅需等于温度控制装置整体散热功率，在选取参数与步骤S1相同的条件下，选取全固态锂电池充电功率为5kW，则图3给出了根据本发明实施例的步骤S2对应的，不同充电预设温度T ₁下，全固态电解质离子电导率及加热功率/电池充电功率比值的变化示意图。由图3可以看出，随着温度的增加，全固态锂电池电解质的离子电导率呈指数增加，而温度控制装置所需的加热功率占电池充电功率的比例始终小于0.1%，说明了本控制方法可以显著提升充电阶段的电池倍率性能，有望实现更高功率和更高效率的电池快充，而与此同时，所消耗的额外能量极小，额外充电成本小于0.1%。

作为示例，图4（a）和图4（b）为进一步给出了根据本发明实施例的不同充电预设温度下全固态锂电池负极金属锂沉积形貌SEM图；对比图4（a）中充电预设温度为300K和图4（b）中充电预设温度为335K的条件下各自的锂沉积形貌可以看出，随着温度升高，图4（b）中的全固态锂电池负极金属锂沉积形貌晶界减少，锂金属沉积更均匀，且表面更为平整圆钝，这是由于温度升高，金属锂的杨氏模量减小、扩散性能增强导致的，因此，升温还可以很好的抑制锂枝晶的形成，对锂的稳定循环具有积极作用，证实了本控制方法抑制锂枝晶生长的效果。

为了进一步验证本控制方法所选取的温度范围提升电池性能的效果，图5给出了不同充电预设温度T ₁下无包覆纯锂负极全固态锂电池的循环寿命t ₂变化的实验测量结果。为了充分说明充电预设温度T ₁对全固态锂电池循环寿命的影响，选取无包覆的纯锂负极组装全固态电池，电解质厚度500μm。完全无包覆的纯锂负极在环境温度下极易产生锂枝晶，循环3圈即发生短路，而在此条件下，随着充电预设温度T ₁的增加，全固态锂电池循环寿命呈指数增加，当充电预设温度T ₁超过360 K后，实验样品在图示120圈后仍可正常运行，始终未发生短路现象，充分证实了提高充电预设温度对抑制锂枝晶生长、增加电池寿命、提升电池性能的作用。实际应用中，全固态锂电池制备会选择包覆改性锂负极、合金负极、碳族负极或无锂负极，以进一步提升全固态锂电池寿命。在选用合金负极制备全固态电池后，将充电预设温度T ₁提高至310K以上，可以实现1000圈以上的稳定循环，以电动车每周充电一次估算，电池寿命可接近20年，可以很好满足实际需求。因此，选定充电预设温度T ₁需高于310K。

S3，在全固态锂电池充电完成后，持续检测温度控制装置内部温度，直至温度控制装置内部温度降低至第二温度阈值（以下称工作预设温度T ₂）；

所述工作预设温度T ₂低于充电预设温度T ₁；在本实施例中，所述工作预设温度T ₂高于280K且不超过450K。

在选取参数与步骤S1相同的条件下，全固态锂电池温度变化可由式(5)描述：

(5)

求解式（5）可得：

(6)

S3阶段结束时，全固态锂电池温度降低至T ₂，将T=T ₂代入上式，可求解得到S3阶段，无需额外加热能耗的保温时间t ₂为：

(7)

图6为根据本发明实施例的步骤S3所对应的，无需能耗的保温时间t ₃随充电预设温度T ₁及工作预设温度T ₂的变化示意图，观察图6可以看出，充电预设温度T ₁越高，工作预设温度T ₂越低的情况下，保温时间越久。

同时，根据式（7）容易发现，当工作预设温度T ₂接近甚至低于温度控制装置外环境温度T ₀时，保温时间t ₃趋于无穷大，则温度控制无需进入S4阶段，也无需额外能耗，即可保证静置、放电阶段的全固态锂电池正常工作。

S4，供电驱动加热器，将温度控制装置内部温度控制在T ₂以上，以避免环境温度变化影响全固态锂电池启动，同时提升放电阶段全固态锂电池离子输运性能；

步骤S4中，供电驱动加热器的供电方式，可直接使用所述全固态锂电池供电，也可使用太阳能电池等可再生能源发电方法供电。

假设电动汽车耗电量14.7 kW·h/100km，则在电动汽车行驶速度为v，且其他参数与步骤S1中选取一致的条件下，图7为根据本发明实施例的步骤S4所对应的，不同车速v、不同工作预设温度T ₂下，加热功率/电池放电功率比值的变化示意图。可以看出，即使在车速极低，且工作预设温度T ₂相较温度控制装置外环境温度T ₀高出40K的条件下，加热功率占电池放电功率的比值仍小于0.12%。由此可说明，采用此温度控制装置所需能耗极小，但能有效保证电池处于合理的运行温度。

图8进一步给出了不同工作预设温度T ₂条件下，全固态锂电池驱动温度控制装置加热时的可持续控温时间t ₄的示意图，电池容量约为60kW·h，由图8可以看出，即使工作预设温度T ₂相较温度控制装置外环境温度T ₀高出40K，温度控制装置仍可在700天以上的时间内，始终处于工作预设温度T ₂，保障电解质具有较好的离子电导率。这说明，即使汽车所处环境温度常年在零下30℃，采用此温度控制装置，电池仍可在近2年的时间范围内，始终保持温度在10℃或以上，以满足随时紧急启用的需求。

此外，当采用可再生能源发电方法供电时，加热器将不再消耗电池自身储能，且可持续控温时间将直接取决于可再生能源供电***寿命，而不再受电池容量影响。

可选地，在需要提升放电功率时，可根据性能需求进一步设定第三温度阈值（以下称放电预设温度T ₃），当温度传感器检测到温度控制装置内部温度低于或等于放电预设温度T ₃时，供电驱动加热器，将温度控制装置内部温度保持在放电预设温度T ₃以上，进一步提升放电阶段全固态锂电池离子输运性能；

所述放电预设温度T ₃高于工作预设温度T ₂。

由于可选步骤与步骤S4对应加热、散热条件基本一致，只需将图7、图8中的工作预设温度T ₂替换为放电预设温度T ₃，即可分析将电池温度控制至放电预设温度T ₃所需要消耗的能量占比及可持续运行时间。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本发明中提出的一种提升全固态锂电池工作性能的温度控制方法可广泛应用于本领域及与之相关的其它领域，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明。例如，基于电池工作状态分阶段调控全固态电池温度，以提升其工作性能的设计思想，提升其他电池工作性能，或在此设计的基础上额外简单进行加热器分布优化和温度控制优化等。因此，凡是采用本发明的设计思想，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

综上，本发明实施例可以有效提高全固态锂电池在充电过程中所处的温度，以提高全固态电解质的离子电导率，并降低金属锂杨氏模量，提高金属锂扩散能力，有效抑制了锂枝晶的生成；在充电完成后，还可使电池在静置阶段和放电阶段均保持在一个稳定的运行温度，以避免低温导致离子电导率降低，影响电池正常使用；通过设计保温结构，可以有效降低温度控制装置内的散热速率，以实现节能控温的目的；在充电阶段和静置/放电阶段采用不同的电源驱动加热器，并选取不同的运行温度，通过分阶段温度控制，可以在兼顾提升全固态锂电池工作性能的同时，减少温度控制装置对全固态锂电池储能的消耗。

此外，当采用可再生能源发电方法供电时，加热器将不再消耗电池自身储能，且可持续控温时间将直接取决于可再生能源寿命，而不再受电池容量影响。在静置/放电阶段直接使用所述全固态锂电池供电，或使用太阳能电池等可再生能源发电方法供电，而非使用外接电源供电，满足了全固态锂电池投入使用时必要的可移动需求。

其次参照附图9来描述本发明实施例提出的提升全固态锂电池工作性能的温度控制装置。

图9为根据本发明实施例的提升全固态锂电池工作性能的温度控制装置的示意图；

提升全固态锂电池工作性能的温度控制装置包括：双路供电模块、可控加热模块、保温模块、电池充放电模块和控制模块。

双路供电模块包括可使用外接电源的外置供电组件101，和可使用内部全固态锂电池直接供电的内置供电组件102；

可控加热模块包括PID加热器201和温度传感器202，根据全固态锂电池所处的充放电阶段，将所述温度控制装置内部温度控制在预设温度T ₁，或保持在预设温度T ₂以上；

保温模块3是由低热导率保温材料组成可放置全固态锂电池的保温腔体，以节约加热腔体所需电能；

电池充放电模块包括全固态锂电池4和全固态锂电池可控充放电电路401；

控制模块5用以控制双路供电模块、可控加热模块和电池充放电模块，以实现根据充放电阶段及温度控制装置内部温度进行的分阶段式温度控制。

双路供电模块还可增加太阳能电池供电组件等可再生能源供电组件，则此时，使用可再生能源供电组件的温度控制装置的示意图如图10所示。与图9相比，图10的设计将双路供电模块的可使用内部全固态锂电池直接供电的内置供电组件102替换为可再生能源供电组件103。显然，还可以设置三路供电模块（未图示），即包括外置供电组件101、使用内部全固态锂电池直接供电的内置供电组件102、可再生能源供电组件103。

另外，根据本发明上述实施例的全固态锂电池工作性能的温度控制装置还可以具有以下附加的技术特征：

可控加热模块中的温度传感器测定的温度，可作为控制双路供电模块及电池充放电模块的开启或关闭的判断标准：

具体地，接收到全固态锂电池充电指令后，温度传感器202检测到温度控制装置内部温度低于充电预设温度T ₁时，控制模块5优选控制开启双路供电模块的外置供电组件101，驱动可控加热模块PID加热器201，使温度控制装置内部温度提升至充电预设温度T ₁；在充电阶段，由于可以采用外置电源、使用较大的功率驱动加热器，温度控制装置内部可保持在较高的温度，此时，全固态锂电池可在高温下充电，以提升充电时全固态电解质的离子电导率，进而提高充电效率，并使负极沉积的金属锂软化，同时改善锂的扩散性能，使锂沉积更为均匀，有效抑制锂枝晶的生成。

温度传感器202检测到温度控制装置内部温度达到T ₁后，控制模块5控制接通电池可控充放电电路401，电池充电过程中，若检测到温度降低至T ₁以下，则开启双路供电模块的外置供电组件，驱动可控加热模块PID加热器201，使所述温度控制装置内部温度保持在T ₁；

在全固态锂电池充电完成后，控制模块5控制关闭电池可控充放电电路401，温度传感器202检测持续检测温度控制装置内部温度，直至温度控制装置内部温度降低至工作预设温度T ₂；

温度传感器202检测到温度控制装置内部温度降低至T ₂后，控制模块5控制开启控制内置供电组件102或可再生能源供电组件103，驱动PID加热器201，将温度控制装置内部温度控制在T ₂以上；充电完成后，使电池在静置阶段和放电阶段均保持在一个稳定的运行温度，以避免低温导致离子电导率降低，影响电池正常使用；此时，由于非充电阶段，难以使用外置电源，需要采用全固态锂电池或其他可再生能源供电装置供电，因此，与充电阶段相比，需适当降低此时的运行温度，以避免过多的能量消耗。

可选地，在需要提升放电功率时，可根据性能需求进一步设定放电预设温度T ₃，进入放电阶段后，温度传感器202检测到温度控制装置内部温度低于或等于放电预设温度T ₃时，控制模块5控制开启控制内置供电组件102或可再生能源供电组件103，驱动PID加热器201，将温度控制装置内部温度保持在放电预设温度T ₃以上；所述放电预设温度T ₃高于工作预设温度T ₂。

为了保障保温和节能效果，所述保温模块所采用的保温材料热导率低于1.2W/(m·K)、优选低于0.12 W/(m·K) ，所述保温材料包括气凝胶、发泡玻璃、保温陶瓷材料等。

需要说明的是，前述对提升全固态锂电池工作性能的温度控制方法实施例的解释说明也适用于该实施例的提升全固态锂电池工作性能的温度控制装置，此处不再赘述。同时，图9与图10中的PID加热器、温度传感器布置方式仅作为示意，PID加热器和温度传感器可布置与温度控制装置内任何位置，也可均布于温度控制装置内，PID加热器和温度传感器的数量均可大于或等于一个。

根据本发明实施例提出的提升全固态锂电池工作性能的温度控制装置，通过构造双路供电模块、可控加热模块、保温模块和电池充放电模块，可实现全固态锂电池在充电预设温度T ₁条件下的高温充电，工作预设温度T ₂或放电预设温度T ₃条件下的可控温条件放电，以及工作预设温度T ₂条件下的长时间的稳定温度条件储存。由此，可以提高全固态电解质的离子电导率，并有效抑制了锂枝晶的生成，保证外界环境温度极低条件下的电池快速启动。

通过采用本发明提出的全固态锂电池温度控制方法和装置，可以有效提高全固态锂电池在充电过程中所处的温度，以提高全固态电解质的离子电导率，并降低金属锂杨氏模量，提高金属锂扩散能力，有效抑制了锂枝晶的生成；在充电完成后，还可使电池在静置阶段和放电阶段均保持在一个稳定的运行温度，以避免低温导致离子电导率降低，影响电池正常使用；此外，通过设计保温模块，可以有效降低温度控制装置内的散热速率，以实现节能控温的目的；设计了可使用内部全固态锂电池直接供电的内置供电组件和可再生能源供电组件，而非使用外接电源供电，保障了温度控制装置可在全固态锂电池充电完成后，不依赖其他装置独立运行，满足了全固态锂电池投入使用时必要的可移动需求；在充电阶段和静置/放电阶段采用不同的电源驱动加热器，并选取不同的运行温度，通过分阶段温度控制，可以在兼顾提升全固态锂电池工作性能的同时，减少温度控制装置对全固态锂电池储能的消耗，即，在低能耗的基础下，实现全固态锂电池工作性能的有效提升。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，本领域的普通技术人员在本发明的基础上所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抑制锂枝晶生长的全固态锂电池充放电温度控制方法，其特征在于，防止全固态锂电池负极处沉积产生的锂枝晶穿透电解质而导致电池短路，基于全固态锂电池充电、静置、放电过程，采用不同的电源驱动加热器，并选取不同的运行温度，通过分阶段进行温度控制，使充电、静置、放电三个阶段的运行温度各不同：

若接收到对全固态锂电池充电的指令，则控制所述全固态锂电池所在的电池仓仓内温度不小于第一温度阈值的前提下接通充电电路，且在充电过程中保持电池仓仓内温度不小于第一温度阈值，并在充电过程结束后继续控制所述电池仓仓内温度不小于第二温度阈值，其中，所述第一温度阈值的设定范围为330K至450K，所述第二温度阈值的设定范围为280K至450K；若接收到对全固态锂电池放电的指令，则控制所述全固态锂电池所在的电池仓仓内温度不小于第三温度阈值的前提下接通放电电路，且在放电过程中保持电池仓仓内温度不小于第三温度阈值，并在放电过程结束后继续控制所述电池仓仓内温度不小于第二温度阈值，放电的指令包括目标放电功率，根据所述目标放电功率控制放电过程中所述电池仓仓内温度，包括：所述目标放电功率越大，控制放电过程中所述电池仓仓内温度越高，其中，所述第三温度阈值的设定值大于所述第二温度阈值。

2.根据权利要求1所述的全固态锂电池充放电温度控制方法，其特征在于，设置用于为电池仓加热的电加热元件以及用于检测电池仓内温度的温度传感器，若所述温度传感器检测到温度值低于相应的温度阈值，则接通所述电加热元件与供电电源的电路。

3.根据权利要求2所述的全固态锂电池充放电温度控制方法，其特征在于，在接收到对全固态锂电池充电的指令时，若所述温度传感器检测到温度值高于或等于第一温度阈值，则直接开启充电；若所述温度传感器检测到温度值低于第一温度阈值，则控制所述电加热元件工作，直至温度值达到所述第一温度阈值后开启充电；

在开启充电后直至充电过程结束期间，若所述温度传感器检测到温度值高于或等于第一温度阈值，则控制所述电加热元件停止工作；若所述温度传感器检测到温度值低于第一温度阈值，则控制所述电加热元件工作，直至温度值达到所述第一温度阈值。

4.根据权利要求2所述的全固态锂电池充放电温度控制方法，其特征在于，所述供电电源为外部电源或者电池仓仓内的所述全固态锂电池，其中，所述外部电源为可再生能源供电组件或非可再生能源供电组件。

5.一种抑制锂枝晶生长的全固态锂电池温度控制***，其特征在于，防止全固态锂电池负极处沉积产生的锂枝晶穿透电解质而导致电池短路，所述全固态锂电池温度控制***利用如权利要求1-4中任一项所述的全固态锂电池充放电温度控制方法对全固态锂电池充电、静置、放电过程分阶段进行温度控制，所述全固态锂电池温度控制***包括：

电池充放电模块，包括全固态锂电池及其可控充电电路和放电电路，所述放电电路为可控放电电路；

电池仓，用于放置所述全固态锂电池；

温度传感器，用于检测所述电池仓仓内温度；

可控加热器，用于提升所述电池仓仓内温度；

控制模块，其与电池充放电模块、温度传感器、可控加热器电连接，再全固态锂电池充电、静置、放电过程中采用不同的电源驱动加热器，并选取不同的运行温度，通过分阶段进行温度控制，使充电、静置、放电三个阶段的运行温度各不同；若所述控制模块接收到所述电池充放电模块发送的充电指令，且所述温度传感器发送的温度检测值小于第一温度阈值，则所述控制模块控制所述可控加热器工作，直至所述温度传感器发送的温度检测值达到第一温度阈值后，所述控制模块控制接通所述可控充电电路，所述第一温度阈值的设定范围为330K至450K；并在充电过程结束之前实时或定时判断所述温度传感器发送的温度检测值是否低于第一温度阈值，若是，则所述控制模块控制所述可控加热器工作，使电池仓仓内温度在充电过程中保持大于或等于所述第一温度阈值；

若所述控制模块接收到所述电池充放电模块发送的放电指令，且所述温度传感器发送的温度检测值小于第三温度阈值，则所述控制模块控制所述可控加热器工作，直至所述温度传感器发送的温度检测值达到第三温度阈值后，所述控制模块控制接通所述可控放电电路；并在放电过程结束之前实时或定时判断所述温度传感器发送的温度检测值是否低于第三温度阈值，若是，则所述控制模块控制所述可控加热器工作，使电池仓仓内温度在放电过程中保持大于或等于所述第三温度阈值，所述放电指令包括目标放电功率，且若所述目标放电功率越大，则在放电过程结束之前所述控制模块控制所述电池仓仓内温度越高。

6.根据权利要求5所述的全固态锂电池温度控制***，其特征在于，在所述控制模块既未收到所述电池充放电模块发送的充电指令或放电指令，所述充电电路和放电电路又均处于未接通状态的前提下，若所述温度传感器发送的温度检测值小于第二温度阈值，则所述控制模块控制所述可控加热器工作，直至所述温度传感器发送的温度检测值达到第二温度阈值，所述第二温度阈值的设定范围为280K至450K，所述第三温度阈值的设定值大于所述第二温度阈值。

7.根据权利要求5所述的全固态锂电池温度控制***，其特征在于，还包括供电模块，用于对所述可控加热器进行供电，所述供电模块为所述全固态锂电池本身或者外部电源，其中，所述外部电源为可再生能源供电组件或非可再生能源供电组件。

8.根据权利要求5所述的全固态锂电池温度控制***，其特征在于，所述全固态锂电池的正极包括硫化物正极、氧化物正极、三元材料中的一种或多种；

所述全固态锂电池的电解质包括硫化物电解质、氧化物电解质中的一种或多种；

所述全固态锂电池的负极包括金属锂负极、合金负极、碳族负极材料、无锂负极中的一种或多种。

9.根据权利要求5所述的全固态锂电池温度控制***，其特征在于，所述电池仓具有保温腔体，所述保温腔体的腔壁材料的热传导率范围为0.001至1.2W/(m·K)；或者，所述电池仓的保温腔体的腔壁采用保温陶瓷材料、发泡玻璃材料和/或气凝胶制成。

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