一种用于电池热管理的导热复合相变材料 | 金刚石大会 | 碳材料展

01、背景介绍

锂离子电池因其优越的能量密度和持久的循环寿命，被公认为最有前途的绿色能源之一，并广泛应用于电动汽车。然而，温度对电池性能有显著的影响，电池温度升高或温度分布不均匀会增加热安全事故的风险。一般来说，锂离子电池在20°C–40°C的温度范围内，温差低于5°C时，性能最佳。因此，对电池进行温度控制是必不可少的。在不同的BTMS中，PCM作为一种新兴的冷却介质，由于其在相变过程中吸收大量热量的独特特性而引起了人们的极大兴趣。它可以将电池保持在恒定的温度，而不需要复杂的冷却设施。

通常，PCM 按照化学特性可分为有机 PCM、无机 PCM 和共晶 PCM。如今，包括石蜡 (PA)、脂肪酸、聚乙二醇 (PEG) 在内的有机 PCM (O-PCM) 因其高储能容量和长期热稳定性而得到广泛应用。由于价格低廉且易于获取，PA 是一种良好的储能有机材料。大量基于 PA 的 CPCM 广泛应用于 BTMS 和建筑节能。然而，许多研究忽视了 CPCM 的环境友好性。必须提到的是，石蜡是从天然油中提取的，可产生 CO 2排放，这与当前发展生物相变材料 (Bio-PCM) 的趋势和减少碳排放的全球目标背道而驰。相比之下，来自植物和动物的化学稳定且环境友好的脂肪酸是相变储能的更好选择。脂肪酸的相变焓和熔点与石蜡大致相当，使其成为石蜡的可行替代品。虽然脂肪酸被认为是一种潜在的 PCM，但它们在 BTMS 中的应用受到相变温度与电池工作温度范围（25°C-40°C）不匹配等缺点的阻碍。幸运的是，基于共晶现象，可以通过混合其他 PCM 来调节相变点和相焓。两种或多种 O-PCM 的组合称为共晶有机 PCM（EO-PCM）。许多相关研究都使用了单一 PCM，由于相点固定，限制了其在 BTM 中的应用。EO-PCM 的优势之一是其适应性强，如可调节所需的相变温度范围或高热容量，满足不同场景的热管理要求。此外，脂肪酸的 EO-PCM 有助于提高热性能并减少过冷。

02、成果掠影

近日，南京航空航天大学周飞教授团队提出了一种新型生物基共晶复合相变材料 (CPCM)，它具有增强的热导率和出色的形状稳定性，由乙烯-醋酸乙烯酯 (EVA)、氮化铝 (AlN) 以及月桂酸 (LA) 和硬脂酸 (SA) 的共晶 PCM 组成。值得注意的是，筛选出的LA-SA共晶PCM具有与电池工作温度对应的合适相变温度(37.03℃)，以及高达100次循环的长期热循环稳定性。而EVA的交联结构有效地包裹了共晶PCM，其在80℃加热24小时后质量损失仅低于4%。同时，AlN的引入可以大大提高它们的传热能力和力学性能。添加5wt%AlN的LA-SA/EVA/AlN复合材料具有足够的潜热107.94J/g和高热导率 0.726 W/(m·K)以及低抗弯强度 1.72 MPa。此外，在 4C 放电测试中，含有 5 wt% AlN 的所提出的 CPCM 实现了低于 45 °C 的电池最高温度。这表明与 AlN 结合的 CPCM 能够有效冷却电池并快速耗散 PCM 内部的能量。研究成果以“Bio-based eutectic composite phase change materials with enhanced thermal conductivity and excellent shape stabilization for battery thermal management”为题发表在《Journal of Energy Storage》期刊。

03、图文导读

图1 (a)储能释放实验图；(b)不同冷却介质下电池比较；电池温度测得(c)热电偶图；(d)电池充电试验平台示意图。

图2 通过理论计算，得到了6个二元EO-PCMs的相图。

图3 AlN、EVA、LA-SA和CPCM的(a)FTIR光谱和(b)XRD曲线；（c-h）AlN纳米颗粒、LA-SA、S3、S4、S5和S6的扫描电镜图像。

图4 （a-b）CPCM的熔融和结晶曲线；EVA、LA-SA、S3、S5的(c)TG曲线；(d)S4扭曲弯曲试验照片；(e)拉伸应力曲线；(f)不同AlN含量的样品的弯曲应力-变形曲线。

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