[发明专利]使用单层石墨涂覆聚合物屏障基底的用于电池的热管理和减轻热传播的方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及电池和其部分的被动或主动的热管理系统的单层石墨涂覆的基底的使用，尤其涉及在不正确使用情况下，减轻到相邻电池单元的热传播的对齐的单层石墨涂覆的聚合物基底的使用。

背景技术

统称为可再充电能量存储系统（RESS）的锂离子和相关的电池在汽车应用中使用在混合动力电动汽车（HEV）的情况下作为补充，或在纯电动汽车（EV），传统的内燃发动机（ICE）的情况下作为替代。从固定式和便携式的源被动地存储能量的能力，以及从由车辆及其部件提供的重新捕获的动能被动地存储能量的能力，使电池理想地作为用于轿车，卡车，巴士，摩托车及相关车辆平台的推进系统的一部分。在本文的背景中，电池单元是单个的电化学单元，而电池由串联、并联或二者皆有的方式结合的一个或多个电池单元组成，这取决于所需的输出电压和电容。

温度是影响电池的性能和寿命的最重要的因素之一。环境温度（如那些在长期不活动期间在冷或热的环境中所遇到的，或者由于在热天长时间的操作和伴随的热量产生所遇到的）或不正确使用的情况下（如快速充电/放电，或由物理变形、穿透或电池单元的制造缺陷导致的内部/外部短路）会负面影响电池正常运行的能力，并在严重的情况下可能完全地破坏电池。长时间暴露在高温的副作用可包括过早老化和电容衰减加快，这两者都是不希望的。

多余的热量可能由外部源提供，或由超出建议容差的物理，热，或操作不正确使用情况导致的电池单元的内部故障提供，或由制造缺陷提供。起始温度是发生放热反应的温度。维持这样的放热反应所需的热量称为反应热，而超过起始温度和保持反应热的热源是热事件。这样的热事件，如果任由其不受控制，可能会导致更加快速的热量产生条件，此处称为热失控，其为（一旦开始）冷却机构不能使一个或多个电池部件返回到安全操作温度的条件。在本文背景中，热失控是放热反应的自加热速率和温度的函数，反应时间是参与这样的反应的主动部件的退化速率和质量的函数。特别令人关注的是用作推进功率源的电池单元，组或相关构件的过度加热和伴随的损坏它们的可能性。无论是作为主要还是备份系统，传统的传热方式，如强迫空气和液体冷却，可能会被证明是有效避免在这样的热事件中的这种过热暴露，但这样做显著增加了整体车辆系统的重量，成本，复杂性或寄生功率要求。

发明内容

基于在热交换构件中使用传热材料的电池热管理系统可以帮助保持在正常的操作条件下电池的最佳操作温度和温度均匀性，以及最小化在不正确使用条件下由相邻电池单位的热事件所产生的热传递。在这两种情况下，这有助于减轻热传播和损坏其他部件的相关可能性。

根据本发明的一个方面，公开了电池（或电池模块）的热管理系统。电池包括一个或多个电池单元，其被配置用来输送电流。热管理系统包括与一个或多个电池单元热连通地放置的热交换构件。热交换构件由柔性基底与设置在所述基底上的一个或多个单层石墨层构成。在最简单的实施例中，电池可以被配置为单个电池单元和单个热交换构件，而在更综合的实施例中，其可包括电池单元和构件相对于彼此的多个堆叠；本领域的技术人员将认识到其每个的数量将与从模块接收电流的装置的功率需要以及电池单元或电池的热操作要求相一致。

本发明的发明人已经发现，单层石墨（已知的各向异性热导率高达平面方向1400 W/m-K和厚度方向10 W/m-K）被涂覆到柔性聚合物基底，其对于电池的热管理以及在用于电池模块时减轻到相邻电池单元和部件的热能量都是理想的。单层石墨是排列成六方或蜂窝状晶体点阵的共价键结合的碳原子的单原子厚度平面片，每层的厚度为0.335纳米。平面方向对齐的多层单层石墨的沉积为高体积和重量能量密度应用提供了传热的理想模式，因为希望的是保持尽可能小的电池模块的总堆叠高度。将对齐的单层石墨层放置在与电池内的电池单元热连通的聚合物基底上提供了到热源或散热器的灵活通道，而柔性基底可更特别地构造成可压缩介质。这种可压缩属性允许补偿电池单元热膨胀，以及厚度方向上的额外热绝缘源。