用于电池的涂层及其制备方法、电池模组、温度调节系统及调节方法与流程

本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种用于电池的涂层及其制备方法、电池模组、温度调节系统及调节方法。

背景技术：

随着国家对新能源汽车的大力支持与引导，新能源汽车得到了快速发展，从而使得锂离子电池在电动车等领域得到了广泛应用，同时也对锂离子电池的性能提出了更高的要求。当锂离子电池暴露在低于15℃的环境下时，电池的化学物质活性显著降低，阻抗增大，电极极化加剧，电池的电化学性能降低；低温下，铅蓄电池、锂电池和燃料电池等都会受到低温的影响，只是程度不同而已。

目前，中国北方地区冬季温度普遍低于0℃，在极寒地区更低于-30℃。而低温环境下对电动汽车的续驶里程远不如在温度高于15℃的里程、动力特性也大大降低、寿命降低、充电时间延长、安全性等均有显著影响。

因此，急需一种可以解决电池在低温环境中也能保持良好性能的方案。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供了一种电池涂层、当电池处于低温环境时，使电池涂层处于交变磁场中，即可释放热量，使电池模组的温度升高，从而提升在低温环境中的电池性能。本发明提供的电池温度调节系统，还可以使电池的温度保持在一定范围内，从而使电池的性能保持稳定。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

根据本发明的一个方面，提供了一种用于电池的涂层，所述涂层包括具有超顺磁性的磁性纳米颗粒材料。

如上所述的电池涂层，优选地，所述磁性纳米颗粒材料为四氧化三铁(fe3o4)、四氧二铁酸钴(cofe2o4)和铁酸镍(nife2o4)中的至少一种。

如上所述的涂层，优选地，所述磁性纳米颗粒材料的粒径为5～15nm，所述涂层的厚度为0.2～2μm。

根据本发明的另一方面，提供了一种制备用于电池的涂层的方法，在室温下，将磁性纳米颗粒材料分散于乙醇的水溶液，超声搅拌混匀制成浆料，将浆料喷涂至待喷涂表面，干燥后得到所述涂层。

根据本发明的另一方面，提供了一种电池模组，所述电池模组包括至少一个电池模块，电池模块或电池模组设有封装外壳，其中，

在所述电池模块的封装外壳的外表面设置有本发明的涂层；

在所述电池模组的封装外壳的外表面和/或内表面设置有本发明的涂层。

根据本发明的另一方面，提供了一种电池的温度调节系统，包括：

电池模组，所述电池模组为本发明的电池模组；

温度检测装置，所述温度检测装置与所述电池模组连接或接触，用于检测电池模组的温度；

温度控制装置，所述温度控制装置与所述温度检测装置进行通信，用于接收所述温度检测装置检测到的温度，并对检测到的温度进行判断，根据判断结果发送指令；

磁场发生装置，所述磁场发生装置能够对所述电池模组施加交变磁场，并与所述温度控制装置进行通信，以接收所述温度控制装置发送的指令，根据所述指令启动或停止所述磁场发生装置。

根据本发明的温度调节系统，所述温度控制装置对检测到的温度进行判断时，

定义检测到的温度为t，预设最小阈值为tmin，预设最大阈值为tmax；

当t<tmin时，所述温度控制装置则发送指令至所述磁场发生装置，启动所述磁场发生装置，所述磁场发生装置产生的交变磁场与所述电池模组涂层中的所述磁性纳米颗粒材料配合产生热量，从而提高所述电池模组的温度；

当tmin<t<tmax时，所述温度控制装置不发送指令，使所述磁场发生装置，保持在当前状态；

当t>tmax时，则发送指令至所述磁场发生装置，停止所述磁场发生装置，以停止所述磁场发生装置产生的交变磁场与所述电池模组涂层中的磁性纳米颗粒材料配合继续产生热量。

根据本发明的温度调节系统，

所述磁场发生装置包括线圈和电源；其中，

所述线圈环绕所述电池模块和/或环绕所述电池模组；

所述电源与所述线圈电连接，所述电源为交流电源，

所述温度控制装置与所述电源进行通信，以控制电源的连通与断开。

根据本发明的另一方面，提供了一种调节电池模组温度的方法，

提供本发明的温度调节系统；

该方法包括步骤：

s1、所述温度检测装置实时检测电池模组的温度，并将检测温度发送至所述温度控制装置；

s2、所述温度控制装置对检测到的温度进行判断，

定义检测到的温度为t，预设最小阈值为tmin，预设最大阈值为tmax；

当t<tmin时，则发送指令至所述磁场发生装置，启动所述磁场发生装置，所述磁场发生装置产生的交变磁场与所述电池模组涂层中的磁性纳米颗粒材料配合产生热量，从而提高所述电池模组的温度；

当tmin<t<tmax时，所述温度控制装置不发送指令，使所述磁场发生装置，保持在当前状态；

当t>tmax时，则发送指令至所述磁场发生装置，停止所述磁场发生装置，停止所述磁场发生装置产生的交变磁场与所述电池模组涂层中的磁性纳米颗粒材料配合继续产生热量；

s3、循环进行步骤s1和s2，使所述电池模组的温度t保持在tmin和tmax之间。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明提供的涂层，设置在电池模块的封装外壳的外表面、和/或电池模组的封装外壳的内表面和/或外表面，涂层中含有的具有超顺磁性的磁性纳米颗粒材料在交变磁场下可磁化发热，当电池处于低温环境时，启动交变磁场，则可以提高电池的温度，从而提高电池的在低温环境中的性能。

本发明的电池涂层，制作工艺简单，可应用于大规模工业化生产。

本发明提供的电池温度调节系统和调节方法，可以使电池模组保持在一个相对稳定的温度范围内(如20～30℃)，从而使电池模组的性能保持稳定。

附图说明

图1(a1)示出了四氧化三铁纳米粒子磁滞回线；

图1(a2)四氧化三铁纳米粒子场强-200-200oe下磁滞回线局部放大图；

图1(b)示出了四氧化三铁纳米粒子的fc-zfc图；

图2示出了本发明一种实施方式的电池温度调节系统示意图；

图3示出了本发明一种实施方式的电池温度调节系统示意图；

图4示出了本发明一种实施方式的温度调节流程图。

【附图标记说明】

1：电池模组的封装外壳；

2：电池涂层；

3：线圈。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

根据本发明的一方面，提供了一种用于电池的涂层，涂层包括具有超顺磁性的磁性纳米颗粒材料。

其中，具有超顺磁性的磁性纳米颗粒材料的磁性随温度的变化而变化，当环境温度低于转变温度(tb)时，材料的磁性很难被改变；而当温度高于转变温度(tb)时，其磁性很容易随周围的磁场改变而改变，磁体的极性也呈现出随意性，难以保持稳定的磁性能，这种现象被称为超顺磁效应(superparamagneticeffect)。具备该特点的磁性材料即为具有超顺磁性材料的磁性材料。

对于本发明来说，采用具有超顺磁性的磁性材料作为涂层，当对其施加交变磁场时，其磁性容易发生改变，在磁性改变的同时放出热量，因此会提高电池的温度，从而可以改善电池在低温环境工作时的性能。

根据本发明的涂层的一种实施方式，磁性纳米颗粒材料优选四氧化三铁、四氧二铁酸钴和铁酸镍中的至少一种。

根据本发明的涂层的一种实施方式，磁性纳米颗粒材料的粒径为5～15nm；所述涂层的厚度为0.2～2μm。

而对于具有超顺磁性的磁性纳米颗粒材料来说，有两个物理量非常重要。

一是磁性纳米颗粒出现超顺磁性的临界尺寸(直径dp)，如果环境温度保持恒定，则只有当颗粒尺寸d≤dp时，磁性纳米颗粒材料才有可能呈现出超顺磁性，一般来说，磁性纳米颗粒的集合体出现超顺磁性的临界尺寸(直径dp)为16～30nm，本发明所采用的磁性纳米颗粒材料的粒径优选为5～15nm，以确保其具备超顺磁性。

二是转变温度tb，对于小于临界尺寸(直径dp)的磁性纳米颗粒材料，当环境温度t<tb时，颗粒呈现强磁性(铁磁性或亚铁磁性)，当环境温度t≥tb时，颗粒呈现超顺磁性。本发明的电池涂层，一般情况下，在环境温度低于15℃时，电池的性能就会有所下降，此时即希望能提高电池的温度，因此，满足tb＜15℃的磁性材料即可以满足需求。本发明中优选的磁性纳米颗粒材料四氧化三铁、四氧化二铁酸钴和铁酸镍，这三种材料具有较低的转变温度，尤其是四氧化三铁其转变温度可达到-103.15℃，满足了本方案的需求，当环境温度大于其转变温度tb时，在施加磁场的情况下，可以因为自身的超顺磁效应产生热量，从而可以对电池加热，以提高其在较低的环境温度时的性能。

另外，涂层的厚度优选0.2～2μm；在该范围内，其发热效果最佳，也不会影响电池的其他性能。

在本发明中优选采用的四氧化三铁纳米粒子的磁滞回线及fc-zfc参见图1，其中：图1(a1)为四氧化三铁纳米粒子磁滞回线；图1(a2)为四氧化三铁纳米粒子场强-200～200oe下磁滞回线局部放大图；图1(b)为四氧化三铁纳米粒子fc-zfc图。

由磁滞回线可知，具体参见图2(a1)，四氧化三铁纳米粒子的饱和磁化强度约为72.7emu·g-1，随外界磁场强度的减少，四氧化三铁纳米粒子磁化强度迅速减小；当外加磁场强度降为零时，样品的磁矩降为17oe，在有仪器误差存在的条件下矫顽力接近为零，具体参见图1(a2)。结合图1(b)的fc–zfc曲线可知，该磁性粒子的转变温度约为170k，即-103.15℃。

由此可知，制备得到的四氧化三铁纳米粒子涂层具有超顺磁性，其在大于-103.15℃时，即具备超顺磁性，在大于-103.15℃时，对其施加交变磁场，可以产生热量，提高温度。

根据本发明的另一方面，提供了一种制备本发明涂层的方法，在室温下，将磁性纳米颗粒材料分散于乙醇的水溶液中，超声搅拌混匀制成浆料，将浆料喷涂至待喷涂表面，干燥后得到所述涂层。

根据本发明方法制备的涂层，由于将磁性纳米颗粒材料分散于乙醇的水溶液中，由于分散性较好，制备得到的涂层更均匀。

进一步地，所述磁性纳米颗粒材料在乙醇的水溶液中形成浓度为1～80mg/ml的分散液，所述乙醇溶液中乙醇与水的体积比为10～100：1～90；

所述超声搅拌的操作步骤为：在25-100khz频率下超声搅拌10～60min，将磁性纳米颗粒材料均匀的分散在乙醇的水溶液中。

根据本发明方法制备的涂层，涂层也可选用通过磁控溅射方法制备得到。

根据本发明的另一方面，提供了一种电池模组，电池模组包括至少一个电池模块，所述电池模组或单个电池模块设有封装外壳，其中，

电池模块的封装外壳的外表面设置有本发明的涂层；

电池模组的封装外壳的外表面和/或内表面设置有本发明的涂层。

根据本发明的电池模组，一般来再说，在电芯的外表面不会设置该涂层，在电池模块的内表面也不会设置该涂层，这是为了避免涂层对电芯性能的影响。

本发明的电池模组设置了本发明的涂层，在施加交变磁场时，可以产生热量，提高电池模组的温度，从而可以提高电池模组在低温环境时的性能。

根据本发明的另一方面，提供了一种电池的温度调节系统，如图3所示，包括：

电池模组，电池模组为本发明的电池模组；

温度检测装置，温度检测装置与电池模组连接或接触，用于检测电池模组的温度；

温度控制装置，温度控制装置与温度检测装置进行通信，用于接收温度检测装置检测到的温度，并对检测到的温度进行判断，根据判断结果发送指令；

磁场发生装置，磁场发生装置能够对电池模组施加交变磁场，并与温度控制装置进行通信，以接收温度控制装置发送的指令，根据指令启动或停止磁场发生装置。

根据本发明的温度调节系统，可以将电池模组的自身温度调节在一个优选合理的范围内，一般控制在15～45℃，进一步优选控制在20～30℃，从而使的电池在处于较低的环境温度时，依然能使自身的温度保持在相对稳定的温度范围内，从而使其性能保持相对的稳定性。其中，温度检测装置可以选用温度传感器。

根据本发明一种实施方式的温度调节系统，温度控制装置对检测到的温度进行判断时，

定义检测到的温度为t，预设最小阈值为tmin，预设最大阈值为tmax；

当t<tmin时，所述温度控制装置则发送指令至所述磁场发生装置，启动所述磁场发生装置，所述磁场发生装置产生的交变磁场与所述电池模组涂层中的所述磁性纳米颗粒材料配合产生热量，从而提高所述电池模组的温度；

当tmin<t<tmax时，所述温度控制装置不发送指令，使所述磁场发生装置，保持在当前状态；

当t>tmax时，则发送指令至所述磁场发生装置，停止所述磁场发生装置，以停止所述磁场发生装置产生的交变磁场与所述电池模组涂层中的磁性纳米颗粒材料配合继续产生热量。

根据上述调节系统，可以使电池模组的温度t保持在tmin和tmax之间；一般来说，tmin优选15～20℃范围内的数值，tmax优选30～45℃范围内的数值，从而使电池模组保持在一个最优的工作温度范围内，使电池的性能保持稳定。

根据本发明一种实施方式的温度调节系统，如图4所示，所述磁场发生装置包括线圈3和电源，电源为交变电源；其中，线圈环绕电池模块和/或环绕所述电池模组；电源与线圈电连接，温度控制装置与电源进行通信，以控制电源的连通与断开。

根据本发明的另一方面，提供了一种调节电池模组温度的方法，

提供本发明的温度调节系统；

该方法包括步骤：

s1、温度检测装置实时检测电池模组的温度，并将检测温度发送至温度控制装置；

s2、温度控制装置对检测到的温度进行判断，

定义检测到的温度为t，预设最小阈值为tmin，预设最大阈值为tmax；

当t<tmin时，则发送指令至所述磁场发生装置，启动所述磁场发生装置，所述磁场发生装置产生的交变磁场与所述电池模组涂层中的磁性纳米颗粒材料配合产生热量，从而提高所述电池模组的温度；

当tmin<t<tmax时，所述温度控制装置不发送指令，使所述磁场发生装置，保持在当前状态；

当t>tmax时，则发送指令至所述磁场发生装置，停止所述磁场发生装置，停止所述磁场发生装置产生的交变磁场与所述电池模组涂层中的磁性纳米颗粒材料配合继续产生热量；

s3、循环进行步骤s1和s2，使所述电池模组的温度t保持在tmin和tmax之间。

根据上述调节系统，可以使电池模组的温度t保持在tmin和tmax之间；一般来说，tmin优选15～20℃范围内的数值，tmax优选30～45℃范围内的数值，从而使电池模组保持在一个最优的工作温度范围内，使电池的性能保持稳定。

根据本发明的一种具体实施方式的调节电池模组温度的方法具体流程参见图4，包括步骤：

s1、温度检测装置实时检测电池模组的温度，并将检测温度发送至温度控制装置；

s2、温度控制装置对检测到的温度进行判断，

定义检测到的温度为t，预设最小阈值为tmin，预设最大阈值为tmax；

当t<tmin时，则发送指令至所述磁场发生装置，启动所述磁场发生装置，所述磁场发生装置产生的磁场与所述电池模组涂层中的磁性纳米颗粒材料配合产生热量，从而提高所述电池模组的温度；

当tmin<t<tmax时，所述温度控制装置不发送指令，使所述磁场发生装置，保持在当前状态；

当t>tmax时，则发送指令至所述磁场发生装置，停止所述磁场发生装置，停止所述磁场发生装置产生的交变磁场与所述电池模组涂层中的磁性纳米颗粒材料配合继续产生热量；

s3、循环进行步骤s1和s2，使所述电池模组的温度t保持在tmin和tmax之间。

根据本发明的调节方法，可以实时的监测电池模组的温度，并能将电池模组的温度控制在一定的范围内，如15～45℃，进一步优选20～30℃。

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面通过具体实施例对本发明作详细描述。

实施例1

在室温下，将粒径为8nm的四氧化三铁倒入乙醇的水溶液(乙醇：水的体积比为50:50)中，分散成5mg/ml的分散液，50khz超声搅拌15min后得到均匀分散的分散液，将混合后分散液均匀喷涂在电池模组的封装外壳1内表面，形成厚度为0.5μm的涂层2。

实施例2

室温下，将粒径为10nm的四氧化三铁倒入乙醇水溶液(乙醇：水体积比为＝10:50)中，分散成8mg/ml的分散液，进行超声搅拌10min后得到均匀分散的溶液，将混合后分散液均匀喷涂电池模组的封装外壳内表面，形成厚度为1.0um的涂层2。

实施例3

室温下，将粒径为12nm的四氧化三铁倒入乙醇水溶液(乙醇：水体积比为90:50)中分散成75mg/ml的分散液，进行超声搅拌25min后得到均匀分散的溶液，将混合后的溶液均匀喷涂至电池模块的外表面，形成厚度为2.0μm的涂层2。

实施例1～3中的电池模组均由3.6v/12.5ah单体电池以“2并5串”形式组装而成(18v/25ah),命名为电池模组m1、m2、m3；作为对比例中电池模组表面无电池涂层，命名为电池模组m0。

将实施例1～3的电池模组置于本发明的电池温度调节系统中，采用本发明的温度调节方法，将电池模组的温度控制在20～30℃之间，在环境温度为别为-10/25℃、-20/25℃的条件下，测其电池容量百分比，其中：电池容量百分比＝低温的电池容量/高温的电池容量x100％。

其中对比例中的电池模组由于未涂覆本发明的涂层，也未置于本发明的温度调节系统中。

测试结果如下表1所示：

表1测试结果

从表1的结果可看出，采用本发明的涂层，以及本发明的温度调节系统，使电池模组自身的温度控制在20～30℃之间，即使在环境温度为-10℃或-20℃的低温环境时，其电池容量也能保持相对稳定，且电池容量百分比也保持稳定，且远高于对比例m0的电池容量百分比。由此可以说明采用本发明的涂层，可以调节电池模组的温度，使其即使在低温环境下也能保持良好的电池性能，且利用本发明的温度调节系统，可以使电池模组的性能保持稳定。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。