來源 | Small

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背景介紹

電池是可再生能源生態系統中應用最廣泛、最關鍵的儲能單元。不斷提高能量密度和充電速率的情況下，在一定程度上給電池帶來了動力的同時，也帶來了安全問題，降低了電池的使用可靠性。熱失控是導致電池安全問題的主要因素之一。通常源于充放電過程中嚴重的熱量積累，劇烈的熱量產生會導致鋰電池功能異常甚至爆炸。因此，能夠提供良好的耐熱和機械性能的先進材料對于可靠的電池安全管理非常重要。

相變材料(PCM)可以為電池系統提供一個緩沖平臺，以應對熱沖擊和熱積累等熱失效問題，在電池熱管理系統中受到廣泛關注。目前的PCM通常與一些導熱絕緣的無機物混合，例如氮化硼(BN)，氧化鋁，氮化鋁，氮化硅，及其雜化物，以提高PCM的導熱性并保持其電絕緣。利用一些典型的填料工程策略，如調節各向異性填料的取向，促進三維填料網絡的形成，以及改善PCM-填料界面相互作用，在以往的研究中可以看到導熱性的顯著增強。

目前，隨著電池向高速高能量密度方向的快速發展，進一步要求導熱系數達到10 W/mK量級。然而，如果僅僅通過添加納米或微尺寸的無機物，這種熱傳導要求仍然是一個艱巨的挑戰。此外，以前的無機填充PCM在高于相變點的溫度下也表現出不足的形狀穩定性和機械性能。一旦電池系統受到突然的外部沖擊，傳統的PCM很難將電池保持在一個良好的包裝中，從而導致電池的潛在穿孔，PCM和電解液的泄漏，甚至電池爆炸。高導熱性和機械強度的PCM可以使電池應對外部沖擊和熱失效問題。

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成果掠影

近期，四川大學吳凱和南京理工大學車劍飛團隊針對用于電池熱管理的相變材料取得最新進展。該文報道了一種同時提高傳統PCM的導熱性和力學性能的新方法，該方法是通過將螺旋編織的超高分子量聚乙烯纖維織物嵌入PCM基體中。最終的PW/BN/UHMWPE PCM的面外導熱系數高達10.05 W/mK，面內導熱系數為7.92 W/mK，穿刺強度高達47.13 N，盡管溫度高于其相變點，但優于大多數報道的無機填充PCM。這種PW/BN/UHMWPE PCM用于封裝三重鋰離子電池系統，與傳統的PW/BN PCM相比，它使電池能夠更可靠地抵抗熱和機械濫用。這種通過將高導熱性和機械強度的纖維織物設計成基體的材料方法，也適用于其他導熱纖維和應用，這將為未來合成具有高導熱性和優異機械強度的聚合物復合材料提供更多機會。研究成果以“Dressing Paraffin Wax/Boron Nitride Phase Change Composite with a Polyethylene “Underwear” for the Reliable Battery Safety Management”為題發表于《Small》。

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圖文導讀

圖1. 超高分子量聚乙烯纖維織物增強PCM的材料設計。

圖2. PCM材料的導熱性能。

圖3. PCM材料的力學和相變特性。

圖4. 鋰離子電池系統的熱管理和機械保護。

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