來源 | Journal of Energy Storage

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背景介紹

為了減少碳排放和防止全球變暖，電動汽車(EVs)和混合動力汽車(HEVs)發展迅速，有望取代傳統汽油車。其中鋰離子電池以其能量密度高、無記憶效應、循環壽命長等優點作為電動汽車的主要能源。電池系統的性能和壽命受到工作溫度的限制。隨著能量密度的增加，電池在運行過程中必須產生大量的熱量。如果電池產生的熱量沒有及時散發出去，就會損害電池的工作性能、使用壽命。它很容易發生熱失控導致大規模的火災事故。

近年來，各種電池模塊的冷卻方法得到了廣泛的研究。包括風冷和液冷在內的主動冷卻方式一般需要額外的輔助消耗設備和空間，這將相應地提高成本和重量。相比之下，基于相變材料PCM的電池熱管理系統(BTMS)因其結構設計簡單、冷卻效率高、維護成本低等優點而備受關注。聚乙二醇(PEG)作為一種節能環保的儲能材料材料引起了人們的廣泛關注，它被認為是一種相變材料是一種很有前途的儲熱材料熔點熱大，熔點均勻，無腐蝕性，熔點范圍寬。

然而，聚乙二醇是一種經典的固-液相變物質，必須包裝在其中特殊密封容器。為了解決這一典型的泄漏問題，采用熔融浸漬法制備了形狀穩定的PEG基CPCM。為提高了相變材料的導熱系數應進一步提高冷卻效果，一般來說導熱性能通過加入高導電性熱添加劑，如金屬粉末、碳納米管(CN)、石墨烯、氮化鋁(AlN)和膨脹石墨(EG)來優化。但是當導熱填料粉末作為導熱促進劑添加到PCM中，這些小顆粒會聚集在一起形成更大的團簇，這對形成連續換熱網絡有負面影響將限制優化熱導率。

復合相變材料（CPCMs）作為被動冷卻系統在電池組中具有很大的應用潛力。但其固有的漏電性和較低的導熱系數限制了其在實際應用中的廣泛應用。因此，探索一種有效、優越的電池熱管理系統(BTM)，確保電池在合適的溫度范圍內工作，抑制鋰電池的熱傳播，將極大地提高電動汽車的安全性，降低事故風險。

02

成果掠影

近期，北京理工大學的王永真教授，上海交通大學的黎燦兵教授和廣東工業大學的李新喜教授聯合取得新進展。該團隊通過原位化學還原和物理共混技術的協同方法，成功制備了具有PEG/EG/HNT@AP的高導熱CPCM。聚乙二醇(PEG)作為相變基質，高嶺土納米管(HNT)作為支撐材料，可以提供交聯網絡，防止其泄漏。特別是，膨脹石墨(EG)和銀納米粒子(AgNPs)組裝成HNT (HNT@AP)，發揮協同作用，構建互連的熱網絡。結果表明：當HNT@AP含量為40%時，導熱系數提高到1.15 W/（mK），相變潛熱保持在103.65 J/g；此外，設計了具有PEG/EG/HNT@AP和PEG/EG/ER的電池模塊，并分別在充放電循環過程中進行了測量。結果表明，PEG/EG/HNT@AP電池模塊在35℃環境溫度下，在3C放電速率下也能保持在60℃以下，具有良好的熱管理效果。因此，本研究為合理設計高導熱復合材料以提高電動汽車電池組的熱安全性提供了依據。研究成果以“High thermal conductive and anti-leakage composite phase change material with halloysite nanotube for battery thermal management system”為題發表于《Journal of Energy Storage》。

03

圖文導讀

圖1.電池模組HNT@AP的制備及CPCM的組裝過程。

圖2.電池模塊測試系統原理圖。

圖3.HNT@AP提高傳熱效率示意圖。

圖4.HNT@AP的結構表征。

圖5.樣品的微觀結構表征。

圖6.CPCM的熱物性。

圖7.不同條件CPCM在加熱過程中的泄漏示意圖。

圖8.(a) PEER-Module和(b) PEHAP2-Module的結構示意圖。

圖9.不同環境溫度下，電池模塊在不同放電速率下的溫度曲線。

圖10.(a、b) PEER-Module和(c、d) PEHAP2-Module在不同放電速率下的最大溫度和溫差環境溫度。

圖11.(a, b) PEER-Module和(c, d) PEHAP2-Module在環境溫度為25和35℃、3C放電速率下的溫度循環曲線。

END

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