在電動(dòng)汽車行駛的過(guò)程中，動(dòng)力電池會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，熱量在電池包內(nèi)聚集會(huì)導(dǎo)致溫度上升，如果沒有有效的熱管理方案，電池溫度超過(guò)一定范圍會(huì)導(dǎo)致電池性能下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致起火、爆炸，威脅我們的人身和財(cái)產(chǎn)安全。

所以，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行熱管理是十分重要的。那么動(dòng)力電池該如何進(jìn)行熱管理呢？應(yīng)選用什么材料進(jìn)行熱管理呢？本文為您一一解答。

熱管理方案

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可分為電池散熱系統(tǒng)和電池加熱系統(tǒng)，其中，目前較成熟的散熱系統(tǒng)根據(jù)傳熱介質(zhì)可分為四部分，分別為風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻(Phase-change material，PCM)和熱管冷卻，此外還有多種方式耦合散熱。

▲電池冷卻系統(tǒng)分類

未來(lái)，對(duì)高功率、高能量密度和高充電效率電池的需求將持續(xù)增長(zhǎng)，隨之而來(lái)的是對(duì)更高效、更穩(wěn)定、更經(jīng)濟(jì)、更緊湊的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的需求。從低能耗和結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，PCM散熱系統(tǒng)更具有潛力，而用PCM冷卻方案進(jìn)行熱管理就是各個(gè)材料你方唱罷我登場(chǎng)的大舞臺(tái)，面對(duì)棘手的電池?zé)峁芾韱?wèn)題，各路材料好漢時(shí)而合縱連橫（各材料組合而成復(fù)合材料），時(shí)而單打獨(dú)斗，撰寫了一部史詩(shī)般的材料演義。

相變材料（PCM）介紹

所謂PCM，就是隨著溫度相應(yīng)變化物理狀態(tài)的材料，具有體積變化小、穩(wěn)定性好、潛熱大等優(yōu)點(diǎn)（潛熱指熱量加入或移除后，導(dǎo)致相變而不是溫度變化）。根據(jù)相變類型可分為固-固PCM、固-液PCM、固-氣PCM等。固-液PCM指的是相變后固體變?yōu)榱艘后w，另外兩者亦然。圖 1是PCM家族圖譜。

▲圖1 相變材料分類

固-液PCM。固-液PCM通常用于儲(chǔ)存熱能，包括有機(jī)PCM、無(wú)機(jī)PCM，和其各種混合物。表１和表２分別列舉了幾種常見的有機(jī)和無(wú)機(jī)PCM的熔點(diǎn)和潛熱值。無(wú)機(jī)PCM雖然大都比有機(jī)PCM潛熱更高，導(dǎo)熱性能更好，但是它們普遍具有過(guò)冷現(xiàn)象，且在一定條件下易腐蝕，并不適用于電池等安全要求更高的設(shè)備。

▲表1 一些有機(jī)相變材料的熔點(diǎn)和潛熱， 表2 一些水合鹽的熔點(diǎn)和潛熱

固-固PCM。固-固PCM包含一些交聯(lián)共聚物和接枝共聚物。表３分別列舉了形狀穩(wěn)定的PCM和固-固PCM的熱物性及其優(yōu)缺點(diǎn)。

▲表3 定型相變材料封裝方式及其熱物性

一般來(lái)說(shuō)，固-固PCM潛熱較小，固-氣PCM的體積變化過(guò)大，而固-液PCM相變時(shí)可能發(fā)生泄漏，所以需要對(duì)其進(jìn)行合理的封裝。封裝方式有微膠囊、制成納米結(jié)構(gòu)、將PCM包裹進(jìn)交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和把PCM吸附到多孔材料里等。圖２是常見的幾種封裝PCM的方法所需的材料。

▲圖2 有機(jī)定型PCM的支撐材料分類

在如此多不同的材料中，如何選擇最合適的PCM是擺在設(shè)計(jì)者面前的一大難題。一般來(lái)說(shuō)，被動(dòng)式電池管理系統(tǒng)使用的PCM需要滿足以下要求：

1）熔點(diǎn)在電池最佳工作溫度范圍內(nèi)；

2）擁有高相變焓，高熱導(dǎo)率和高比熱容、高潛熱值；

3）相變前后體積變化??；

4）過(guò)冷度低；

5）具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，無(wú)可燃性，沒有腐蝕性；

6）成本低。

而固-固PCM的潛熱值較低，與之相比固-液PCM潛熱值高，且相變體積變化不大、相變溫度范圍廣、熱能密度高，所以固-液PCM得到了廣泛應(yīng)用，固本文主要討論固-液PCM。（定型復(fù)合PCM相變后雖無(wú)融化流動(dòng)但微觀上仍有PCM液化故本文認(rèn)定屬固-液相變）

固-液PCM性質(zhì)討論

對(duì)于固-液PCM，表4對(duì)比了有機(jī)PCM和無(wú)機(jī)PCM的性質(zhì)，可以看出無(wú)機(jī)物除了具備相變焓大和熱導(dǎo)率高的優(yōu)勢(shì)外，存在非常多問(wèn)題，嚴(yán)重影響材料循環(huán)使用的穩(wěn)定性。例如相分離會(huì)導(dǎo)致PCM組成的改變，使PCM的物性產(chǎn)生變化；過(guò)冷度高會(huì)導(dǎo)致PCM在到達(dá)凝固溫度時(shí)無(wú)法凝固，除非進(jìn)一步降低溫度，否則潛熱無(wú)法得到釋放，但是額外的降溫需要消耗更多的能量用于制冷，造成能源的浪費(fèi)。反觀有機(jī)PCM，既不易腐蝕容器，又具備過(guò)冷度低和良好的穩(wěn)定性，可以滿足長(zhǎng)期循環(huán)使用的要求，是實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中較為理想的材料。

▲表4 有機(jī)PCM與無(wú)極PCM特性對(duì)比

實(shí)際上，我們也可以通過(guò)一些方法克服有機(jī)PCM熱導(dǎo)率低和具有可燃性的問(wèn)題。此外還可以通過(guò)一些方法提高有機(jī)PCM的柔韌性，使其在特定場(chǎng)景中能得到應(yīng)用。且聽我娓娓道來(lái)~

提高PCM熱導(dǎo)率。主流提高PCM導(dǎo)熱性有如下方法：

1）與膨脹石墨（expanded graphite）復(fù)合制成復(fù)合PCM，形成具有高熱導(dǎo)率的定型符合PCM；

2）添加具有高熱導(dǎo)率的金屬或碳結(jié)構(gòu)的納米粒子，從微觀結(jié)構(gòu)改善材料導(dǎo)熱率；

3）利用泡沫金屬或金屬翅片結(jié)構(gòu)，從宏觀結(jié)構(gòu)提高PCM導(dǎo)熱率；

4）制備具有高導(dǎo)熱率的PCM微膠囊

表5對(duì)比了不同方法對(duì)熱導(dǎo)率提升的效果，相比添加金屬或碳材料納米粒子等方法，利用膨脹石墨制備復(fù)合PCM有多個(gè)好處。

首先，膨脹石墨將PCM的熱導(dǎo)率提升2個(gè)數(shù)量級(jí)，提升效果顯著高于其他手段。

其次，膨脹石墨具有優(yōu)異的多孔性能，與有機(jī)物具有良好的相容性，可以將PCM吸附于微孔內(nèi)，并保證PCM熔化后也不析出，保持宏觀上結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。

膨脹石墨基復(fù)合PCM可以根據(jù)需求壓制成型，從而應(yīng)用到任意形狀電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)之中。

目前，使用膨脹石墨與PCM復(fù)合是提高有機(jī)PCM熱導(dǎo)率最有效的方法。

▲表5 復(fù)合PCM的熱物性對(duì)比

提高PCM阻燃性。提高變相材料的阻燃性的方法之一是添加阻燃劑，阻燃劑的種類繁多，按所含的阻燃元素阻燃劑可分為磷系、氮系、鹵系、磷-鹵系、磷-氮系、硅系、銻系、硫系和鋁鎂系等。

磷系阻燃劑分為有機(jī)磷系阻燃劑和無(wú)機(jī)磷系阻燃劑。前者主要包括含磷二元醇、磷酸酯類等，后者主要為磷酸鹽、紅磷和聚磷酸鹽（APP）等。舉個(gè)例子，紅磷、APP 受熱分解均可加速材料脫水結(jié)焦形成碳層，后者的非揮發(fā)性含磷物質(zhì)殘余和分解過(guò)程中產(chǎn)生的不燃性氮?dú)?、氨氣也稀釋了空氣含氧量?shí)現(xiàn)阻燃。

氮系阻燃劑通過(guò)生成氨等不燃?xì)怏w來(lái)稀釋可燃?xì)怏w或覆蓋在材料表面從而中斷燃燒。單獨(dú)使用氮系阻燃劑時(shí)阻燃效率并不高。 因此一般將氮系阻燃劑作為膨脹阻燃體系中的發(fā)泡劑，與其他系統(tǒng)阻燃劑協(xié)同作用。

鹵系阻燃劑是含氟、氯、溴、碘四種鹵素元素并以鹵素元素起阻燃作用的一類阻燃劑,但這類阻燃劑，燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有高毒性和潛在致癌性的物質(zhì)，因此已經(jīng)被很多國(guó)家所禁用。

Al(OH)3 阻燃則通過(guò)受熱分解成能汽化吸熱的水和具有成膜能力的 Al2O3 阻礙傳熱傳質(zhì)過(guò)程。

提高有機(jī)PCM的柔韌性。向PCM材料中通過(guò)浸漬或物理共混添加共聚物可以有效提高PCM柔韌性和改善其熔融易滲漏的不足。研究較多的傳統(tǒng)共聚物材料有低密度聚乙烯（LDPE） 、高密度聚乙烯（HDPE）、環(huán)氧樹脂（ER）等，一般多為有機(jī)物材料。

結(jié)語(yǔ)

在電池?zé)峁芾硇枨笕找嬖鲩L(zhǎng)的今天，PCM無(wú)疑是一個(gè)頗具前景的賽道，而應(yīng)用于PCM的各種粉體材料生產(chǎn)公司也可借此東風(fēng)直上云霄。但目前PCM技術(shù)仍難言成熟，對(duì)于最佳材料選擇和材料的參入比例仍未有定論，體現(xiàn)在難以合理平衡材料的導(dǎo)熱性、柔韌性、導(dǎo)電性等物性關(guān)系。

參考資料

[1]小吉.新能源汽車安全管理的關(guān)鍵：動(dòng)力電池散熱技術(shù).粉體圈

[2]凌子夜.基于膨脹石墨基復(fù)合相變材料的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能研究.華南理工大學(xué)

[3]鄭靈鈺等.定型阻燃相變儲(chǔ)熱材料的研究進(jìn)展.上海海事大學(xué)商船學(xué)院

[4]肖鑫.有機(jī)相變材料強(qiáng)化及耦合優(yōu)化電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究進(jìn)展.復(fù)合材料學(xué)報(bào)

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