一种用于热管理的聚乙烯/石蜡/氮化硼相变复合材料

来源 | Small

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背景介绍

电池是可再生能源生态系统中应用最广泛、最关键的储能单元。不断提高能量密度和充电速率的情况下，在一定程度上给电池带来了动力的同时，也带来了安全问题，降低了电池的使用可靠性。热失控是导致电池安全问题的主要因素之一。通常源于充放电过程中严重的热量积累，剧烈的热量产生会导致锂电池功能异常甚至爆炸。因此，能够提供良好的耐热和机械性能的先进材料对于可靠的电池安全管理非常重要。

相变材料(PCM)可以为电池系统提供一个缓冲平台，以应对热冲击和热积累等热失效问题，在电池热管理系统中受到广泛关注。目前的PCM通常与一些导热绝缘的无机物混合，例如氮化硼(BN)，氧化铝，氮化铝，氮化硅，及其杂化物，以提高PCM的导热性并保持其电绝缘。利用一些典型的填料工程策略，如调节各向异性填料的取向，促进三维填料网络的形成，以及改善PCM-填料界面相互作用，在以往的研究中可以看到导热性的显著增强。

目前，随着电池向高速高能量密度方向的快速发展，进一步要求导热系数达到10 W/mK量级。然而，如果仅仅通过添加纳米或微尺寸的无机物，这种热传导要求仍然是一个艰巨的挑战。此外，以前的无机填充PCM在高于相变点的温度下也表现出不足的形状稳定性和机械性能。一旦电池系统受到突然的外部冲击，传统的PCM很难将电池保持在一个良好的包装中，从而导致电池的潜在穿孔，PCM和电解液的泄漏，甚至电池爆炸。高导热性和机械强度的PCM可以使电池应对外部冲击和热失效问题。

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成果掠影

近期，四川大学吴凯和南京理工大学车剑飞团队针对用于电池热管理的相变材料取得最新进展。该文报道了一种同时提高传统PCM的导热性和力学性能的新方法，该方法是通过将螺旋编织的超高分子量聚乙烯纤维织物嵌入PCM基体中。最终的PW/BN/UHMWPE PCM的面外导热系数高达10.05 W/mK，面内导热系数为7.92 W/mK，穿刺强度高达47.13 N，尽管温度高于其相变点，但优于大多数报道的无机填充PCM。这种PW/BN/UHMWPE PCM用于封装三重锂离子电池系统，与传统的PW/BN PCM相比，它使电池能够更可靠地抵抗热和机械滥用。这种通过将高导热性和机械强度的纤维织物设计成基体的材料方法，也适用于其他导热纤维和应用，这将为未来合成具有高导热性和优异机械强度的聚合物复合材料提供更多机会。研究成果以“Dressing Paraffin Wax/Boron Nitride Phase Change Composite with a Polyethylene “Underwear” for the Reliable Battery Safety Management”为题发表于《Small》。

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图文导读

图1. 超高分子量聚乙烯纤维织物增强PCM的材料设计。

图2. PCM材料的导热性能。

图3. PCM材料的力学和相变特性。

图4. 锂离子电池系统的热管理和机械保护。

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