一种用于锂离子电池热管理的相变材料

来源 | Journal of Energy Storage

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背景介绍

随着工业的发展，节能减排的要求越来越高。在所有可能的探索中，热能存储（TES）为缓解能源供需失衡提供了一种充分且便捷的方式。因此，TES越来越受到人们的关注。相变材料 (PCM) 是 TES 的重要候选材料，因为它在相变过程中具有高潜热和窄的温度波动。然而，导热系数低和形状稳定性差严重阻碍了相变材料的大规模应用。将多孔碳质材料和相变材料集成形成形状稳定的复合相变材料（ss-CPCM），为这一挑战提供了一种适用、简便且简单的解决方案，这归因于碳的优异性能，包括高导热性，比表面积大，与各种相变材料具有良好的化学相容性。因此，CPCM 在 TES 以及热管理方面显示出巨大的潜力，例如电子设备和电化学储能系统。对于电化学储能的热管理系统，研究人员进行了大量的探索，并通过实验和模拟提出了各种解决方案。

碳纳米管（CNT）作为碳的重要同素异形体，具有长圆柱形结构，直径为一至数十纳米，长度为几微米至几厘米。在过去的几十年里，碳纳米管在相变材料领域展现出了巨大的潜力，为相变材料所面临的各种挑战提供了有效的解决方案，例如导热系数低、形状稳定性差、光稳定性差等。为了进一步提高CPCM的性能，人们提出并不断探索改性碳纳米管。

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成果掠影

近期，西安交通大学王秋旺教授团队基于金属有机框架（MOF）制备了高度取向的含氮碳纳米管（N-CNT）。然后以所合成的N-CNT为支撑材料、二十二烷为功能材料制备了N-CNT/二十二烷复合PCM（CPCM）。结果表明，通过与 N-CNT 结合，二十二烷的形状稳定性显着增强。CPCM 拥有导热系数达到0.5286 W·m ^-1·k ^-1。此外，CPCM在20次熔化-冷冻循环后表现出优异的循环性能，具有超高的潜热保留率（熔化过程为99.95％，冷冻过程为99.94％）。在充放电循环性能测试中，采用CPCM薄膜后，锂离子电池的最高温度降低了约2℃。这一探索在刺激相变材料的发展方面展现出巨大的潜力，并为锂离子电池热管理提供了一种新技术。研究成果以“Shape-stabilized phase change material based on MOF-derived oriented carbon nanotubes for thermal management of lithium-ion battery”为题发表于《Journal of Energy Storage》。

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图文导读

图1 N-CNTs/CPCM的制备工艺示意图。当温度高于CPCM的熔化温度时，N-CNTs与二烷之间的氢键有助于固定N-CNTs孔内的二烷，从而提高形状稳定性。由定向氮-碳纳米管提供的大量传热通道有助于提高CPCM中的传热速率。

图2 详细介绍了N-CNTs的制备工艺。

图3 微观形态学和EDS。

图4 由ZIF-67衍生的N-CNTs组装的空心十二面体的表征。

图5 (a)用N-CNTs/不透明CPCM膜粘贴后的原始袋细胞和袋细胞示意图。N-CNTs/全碳CPCM膜的(b) DSC曲线。(c)LIB热管理测试系统示意图。

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