一种用于电池热管理的石墨基复合相变材料

来源 | Journal of Energy Storage  

01 背景介绍

预计到2030年，电动汽车市场预计将超过130万辆。锂离子电池(LIBs)作为电动汽车储能的核心部件被广泛使用。然而，工作温度严重影响LIBs的性能。电池组过热、过冷或温度分布不均匀可能导致系统过早失效，甚至发生火灾和爆炸。因此，为了安全高效的运行，LIB电池组需要配备优秀的热管理系统。

相变材料作为被动冷却方法之一，可以作为热管理介质。当固液转变发生时，PCM可以吸收相当大的潜热，同时保持相变区温度稳定，为电池提供舒适均匀的温度条件。然而，大多数PCM的传热性能较差，并且从固体到液体的相变不可避免地会导致液体泄漏，这两个问题是PCM大规模实际应用的瓶颈。

为解决这两个问题，曾尝试添加填料和封装材料。在这些添加剂中，膨胀石墨(EG)是最有前途的。通过化学插层和热剥离制备的EG具有多孔和蠕虫状的形态，在导热路径构建和防漏封装方面效果优异。但是EG/PCM材料的机械强度脆弱，此外EG一旦与锂离子电池的正负极接触，可能会使电池处于短路的危险之中。因此，为了在电池热管理中得到更好、更安全的应用，EG/PCM的机械性能和介电性能有待进一步提高。

02成果掠影

近期，华南理工大学的张正国教授团队针对用于电动汽车热管理的膨胀石墨(EG)基复合相变材料(PCMs)的高导电性和较差的适应性问题取得新的进展。该团队合成了一种具有高电阻率和柔性的新型复合相变材料(CPCM)，用于广泛的电池热管理。天然橡胶在膨胀石墨和OP44E PCM之间形成了柔性绝缘网络。CPCM具有较高的储能密度(156.5 J/g)、较高的电阻率(2700Ω⋅cm)和优异的导热系数(3.4 W/mK)。此外，CPCM的柔韧性和形状适应性可以在室温下实现，特别是在发生相变时得到提升。由此产生的CPCM通过在3℃高倍率放电循环下将电池组的工作温度保持在45℃以内，温差保持在2℃以内，显示出高效率和热管理的可靠性。该工作为高效热管理相关应用提供了一个有希望的选择。研究成果以“Introducing a flexible insulation network to the expanded graphite-based  composite phase change material to enhance dielectric and mechanical properties for battery thermal management ”为题发表于《Journal of Energy Storage》。

03 图文导读

图1.CPCM样品的制备流程。

图2.实验装置示意图。

图3.材料的微观结构示意图。

图4.不同样品的泄露实验前后对比。

图5.材料的FT-IR图像与XRD图像。

图6.材料的热物性数据。

图7.材料的力学性能。

图8.材料的微观结构示意图。

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