基于相变材料的锂离子电池热管理 ①

张宝平， 高 琳， 桂仲喜， 何 博， 耿学文

(国网电动汽车服务有限公司，北京 100032)

0 引 言

Al-Hallaj[1]等2000年提出将相变材料(Phase Change Material，PCM)应用于电池热管理。应用于电池热管理系统理想的PCM需具备以下条件[2]：(1)较高的相变潜热；(2)较高的导热系数；(3)合适的相变温度范围；(4)体积膨胀比小，无过冷现象；(5)化学性质稳定且无毒、无腐蚀；(6)廉价易得。

相变材料冷却具有无寄生功耗、无运动部件、周期性长久工作等特点，在节能和可靠性等方面具有独特的优势。但PCM导热系数较低，如石蜡只有0.2～0.3 W·m-1·K-1，很大程度上限制了其在高热流密度情况下的应用。如何有效地提高PCM的导热系数，同时保证储热能力和化学稳定性，成为了研究相变材料电池热管理系统的关键问题。针对这个问题，研究者提出了各种强化传热的方案，针对不同类型的电池设计了相应的相变材料热管理系统，并分析了在不同工况和环境温度下的控温效果。目前常用于提高相变材料导热系数的措施包括：添加导热分散物、胶囊封装以及多孔介质封装制成复合相变材料。

1 导热颗粒 导热颗粒(分散相)具有较高的比表面积，与相变材料进行复合，形成分散性较好、导热性能显著提高的复合材料。随着材料科学的发展，碳纤维、碳纳米管、金属纳米颗粒等填料被应用于相变材料导热系数的强化当中。Nakaso等[3]研究了碳纤维衣和碳纤维刷对储热箱的强化传热效果(图1)，将碳纤维衣附着在管壳式热交换器的铜管表面，再将石蜡注入铜管周围的空间，结果表明，体积分数为0.42%的碳纤维衣能显著提高传热效果，使储热箱的放热时间缩短了20%。

图1 储热箱中添加碳纤维的原理图[3]

Goli等[4]采用石墨烯和石蜡结合，将PCM的导热系数提高两个数量级以上，并通过仿真和试验，发现石墨烯-石蜡复合相变材料能很好地控制电池内部温度的上升。

与石蜡相比，利用质量百分数10%左右的碳纤维、碳纳米管、石墨粉等可以将导热系数提高1～3倍左右。

2 金属翅片

金属翅片是另一种可以提高相变材料导热系数的分散相。Mahmoud等[5]采用图2所示的方案研究了不同的散热器结构对散热效果的影响，通过比较发现，对于平行或者交错的翅片，增加翅片的数量能有效加强PCM的传热，并且降低峰值温度，尤其在高功率情况下。

Baby等[6]发现，在体积一定的情况下，增加针形翅片数量并不一定提高热管理的效果；当针形翅片的体积分数为9%时，热管理的效果最佳，进一步增加针形翅片的数量会降低热管理的效果。Yoo等[7]研究了在间歇性热负荷下片状翅片和针形翅片与合金相变材料相结合的热管理效果。将PCM填充进翅片里，结构如图3中所示。该方式能够增大翅片热容量，有助于散热器的小型化。

3 泡沫金属

开孔泡沫金属的立体多孔构造具有连续、贯通的特点，因而具有结构强度高、轻质、孔隙均匀和导热系数高等优点，是较为理想的PCM强化传热材料。Xiao等[8]制备了石蜡/泡沫铜复合材料并搭建了导热性能稳态测试台，孔径大小为25 PPI，孔隙率分别为96.95%、92.31%和88.89%的泡沫铜能分别将石蜡的导热系数提高13、31和44倍。

与膨胀石墨蠕虫相比，泡沫铜由于内部连续导热骨架的存在，能更好的提高PCM的导热速率。Xiao等[10]对比分析了泡沫镍和泡沫铜对PCM的强化传热效果，采用孔隙率为97%的泡沫铜可以将复合材料的导热系数提高到5 W·m-1·K-1。 表1为文献中采用泡沫金属对PCM进行强化传热的效果对比。从表中可以看出，强化传热效果相差较大。推测原因在于：(1)泡沫金属的制备水平差异，导致泡沫金属内部导热通路连续、均匀程度不同；(2)不同研究者采用的导热系数测试设备和估算模型的准确度不同。

表1 不同研究者采用泡沫金属对PCM进行强化传热的效果对比

图2 6种不同结构的热沉示意图[5]

图3 翅片内填充PCM的热沉结构示意图[7]

4 膨胀石墨

膨胀石墨(Expanded Graphite, EG)对相变材料进行强化传热有两种形式：(1)与导热颗粒类似，以非连续的膨胀石墨蠕虫的形式在相变材料中分散布置，但与导热颗粒不同的是，石墨蠕虫表面的大量的多孔结构进一步提高了石墨与石蜡的接触面积，同时为石蜡提供了容纳场所；(2)将膨胀石墨蠕虫压缩后形成压缩膨胀石墨，形成与泡沫金属类似的具有稳定几何形状，较高导热系数，多孔内部结构的多孔介质材料。Sari等[11]研究了膨胀石墨的质量分数对石蜡/膨胀石墨复合相变材料性能的影响，他们发现质量分数分别为2%、4%、7%和10%的EG可以将PCM的导热系数分别提高81.2%、136.3%、209.1%和272.7%。EG质量百分比为10%时，复合材料结构稳定，可以防止石蜡在固-液相变时的泄露。

表2为不同研究者制备的石蜡/膨胀石墨复合相变材料的热物性参数对比。需要指出的是，添加强化传热相在提高复合相变材料导热系数的同时，不可避免地降低复合相变材料的相变潜热。

表2 不同研究者制备的PCM/EG复合材料的热物性参数

5 结 语

(1)在相变材料中添加导热颗粒，随着导热颗粒质量分数的增加，复合相变材料的导热系数可增加1～3倍。导热颗粒的分散均匀度也决定了其导热性能的高低，分布越均匀，导热性能越好。

(2)在相变材料中添加金属翅片，随着金属翅片数量的增加，相变材料的传热性能提高。增加金属翅片与相变材料的接触面积，可强化相变材料的传热性能。

(3)将相变材料添加到泡沫金属中，其表观导热系数可提高一到两个数量级。泡沫金属的孔隙率大小和种类是影响相变材料导热性能的关键参数。孔隙率越小，导热系数越大，但同时也会导致相变材料所能吸收或释放的热量减少。

(4)将相变材料置于由膨胀石墨蠕虫压缩形成的多孔介质材料中，当膨胀石墨的质量分数为10%时，可防止相变材料固-液相变时发生泄露。随着膨胀石墨的增加，导热性能增强，但储热性能将会下降，因此需要权衡两者的比例。