复合相变储能材料在电池热管理系统中的应用进展

肖博文，付祥南，徐远健，刘志宏

(江汉大学光电材料与技术学院 光电化学材料与器件教育部重点实验室，湖北 武汉 430056)

强制风冷和液体冷却电池热管理系统存在系统结构复杂、维护保养难等问题。Al-Hallaj等[1]首先提出将相变储能材料用于电池热管理系统，利用相变储能材料的特性控制电池温度。相较于强制风冷和液体冷却电池热管理系统，相变储能材料电池热管理系统结构简单，但由于相变储能材料的导热系数较低，将其用于电池热管理系统时需要提高其导热系数。因此，提高导热系数是相变储能材料应用领域的重要问题之一。作者介绍相变储能材料的分类及特性，对近年来提高相变储能材料导热系数的策略及相变储能材料在电池热管理系统中的应用进展进行综述。

1 相变储能材料的研究现状

1.1 相变储能材料的分类及特性

相变储能材料是指能够在一定温度范围内利用自身的物理变化，对外释放或吸收潜热的材料。相变储能材料种类繁多，一般可分成无机相变储能材料和有机相变储能材料两种[2]。

无机相变储能材料主要包括水合盐、熔融盐，两者都具有较高的相变潜热。水合盐是由一定比例的结晶水与盐组成，温度的变化会使结晶水脱出或结合从而发生相变。水合盐相变储能材料不稳定,且部分材料存在腐蚀性等问题，在建筑节能、采暖空调及家用电器等方面均有应用[3]。熔融盐是一类不含水的熔融体，主要包括氟化盐、硝酸盐、氯化盐等。熔融盐相变储能材料具有相变潜热较大、使用温度高、安全性好等特点，常用于太阳能发电及工业余热的利用。无机相变储能材料存在过冷现象和相分离问题，且部分材料的相变温度和物理特性与电池的工作环境不匹配，从而限制了其在电池热管理系统中的应用。

有机相变储能材料主要包括多元醇、石蜡和脂肪酸。多元醇类相变储能材料主要由聚乙二醇组成。聚乙二醇具有水溶性和有机溶解性，除了具有与石蜡相似的特性外，当相对分子质量在20 000以下时，相对分子质量的大小将会影响相变温度和相变潜热。此外，聚乙二醇因结构特点容易结晶。石蜡类相变储能材料主要由直链烷烃组成，主链碳原子的个数变化将会影响相变温度。石蜡类相变储能材料的相变潜热高、相变温度广、无毒、化学性质稳定、成本低，在电池热管理系统中具有应用潜力，但其导热系数低、相变泄露等问题限制其实际应用。为此，通常在石蜡中添加一些高导热介质，例如泡沫金属材料、碳材料等来提升导热性能；石蜡与膨胀石墨等一些多孔材料复合后，相变泄露问题也得到了解决[4]。脂肪酸类相变储能材料常见的有月桂酸、羊脂酸等，与石蜡具有相似的特性，但其价格较为昂贵，为工业石蜡的2～3倍。脂肪酸类相变储能材料在实际应用中通常需要进行复合优化，改善其相变温度和导热系数，将其用于电池热管理系统并不适合。

在电池热管理系统中相变储能材料的选用主要需满足相变温度与电池的工作温度相匹配的要求，且具有较高的相变潜热和导热系数。石蜡类相变储能材料是目前研究最多的相变储能材料。在实际应用中，需要对相变储能材料进行复合优化以达到应用要求。表1为部分相变储能材料的物理参数[3，5]。

表1 部分相变储能材料的物理参数

1.2 提高相变储能材料导热系数的策略

为提高相变储能材料的导热系数，研究人员采用与高导热材料复合的方法。常用于电池热管理系统的高导热材料有金属类材料、石墨类材料以及复合材料。

金属具有高的导热系数和良好的机械强度，常被用来提高材料的传热能力。常用的泡沫金属有泡沫铜、泡沫铝、泡沫镍等。Pan等[6]引入切削铜纤维，将其与石蜡复合制备复合相变储能材料。研究表明,切削铜纤维较泡沫铜与石蜡制备的复合相变储能材料的温度均匀性更好。Wang等[7]开发了石蜡/泡沫铝复合相变储能材料，其理论导热系数为46.12 W·m-1·K-1，该复合相变储能材料电池热管理系统的散热能力相较于自然散热和纯石蜡大幅提高，在2 C放电倍率下电池最高温度下降了29.5%。Li等[8]提出将泡沫铜浸入石蜡中以提高复合相变储能材料的导热性能，石蜡/泡沫铜复合相变储能材料的理论导热系数为0.82 W·m-1·K-1，将该复合相变储能材料应用于电池热管理系统中，能在1 C和3 C放电倍率下将电池温度控制在安全范围内。Hussain等[9]将石蜡填充到泡沫镍中制备复合相变储能材料，并将其应用于电池热管理系统中，在高放电倍率下电池最高温度下降明显。此外，研究发现，泡沫金属的孔隙率会影响复合相变储能材料的导热性能，泡沫金属的孔隙率越高，复合相变储能材料的散热性能越低[6,10-11]。

石墨类材料不仅具有较高的导热系数，而且与相变储能材料复合后其多孔网络结构还能防止其泄露。Li等[12]通过简单的溶剂蒸发法制备了乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)/石蜡/膨胀石墨复合相变储能材料，该材料具有良好的柔韧性。研究表明，当膨胀石墨含量从0%增加到5%时，导热系数从0.3 W·m-1·K-1提高到1.7 W·m-1·K-1，而相变潜热仅从141 J·g-1下降到121 J·g-1，采用该材料的电池热管理系统能很好地控制电池温度。Huang等[13]在石蜡/膨胀石墨复合相变储能材料中加入苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)制备了一种新型柔性复合相变储能材料。结果表明，在添加4%SBS且石蜡与膨胀石墨的质量比为1∶1时，复合相变储能材料的导热系数和相变潜热最高。Lin等[14]将苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯(SEPS)与石蜡和膨胀石墨复合制备了一种柔性复合相变储能材料，SEPS的加入可以起到防泄漏和提高柔韧性的作用，该材料的相变潜热高达207.02 J·g-1、导热系数为1.34 W·m-1·K-1。Wu等[15]采用含有聚醚软段的热塑性共聚酯弹性体(TPC-et)作为骨架，将其与石蜡和膨胀石墨复合，制备的复合相变储能材料的相变潜热和导热系数分别为102 J·g-1、1.64 W·m-1·K-1，并具有良好的柔韧性，使用该材料的圆柱电池、棱柱电池和软包电池的电池热管理系统最高温度均不超过52 ℃。石墨烯和多壁碳纳米管都具有优异的导热性能，Zou等[16]将这两种材料与石蜡复合制备复合相变储能材料，该材料的导热性能大大提升，在多壁碳纳米管与石墨烯的质量比为3∶7时，导热系数最高达到0.87 W·m-1·K-1，提升幅度达123.1%。

将多种高导热材料复合从而提升相变储能材料的性能，是近年来的研究方向。Li等[17]将石蜡、膨胀石墨和二氧化硅进行复合，然后将蜂窝铝结合到复合相变储能材料中。研究表明，将该复合相变储能材料应用于电池热管理系统中，在高放电倍率下电池最高温度为45.1 ℃，且该材料还显示出优异的机械性能。Hussain等[18]提出使用化学气相沉积法将石墨烯生长在泡沫镍上，再将石蜡浸入。结果表明，该复合相变储能材料的导热系数较石蜡提高了23倍。Wang等[19]采用有机硅塑料与石蜡复合制备复合相变储能材料，该材料能在高放电倍率下很好地控制电池温度。Wu等[20]提出一种铜网/石蜡/膨胀石墨复合相变储能材料(图1a)，结果表明，与自然冷却方式相比，在高放电倍率下电池最高温度下降了3.9 ℃。Situ等[21]对Wu等[20]的方案进行了改进，采用双铜网结构(图1b)，结果表明，与单铜网和无铜网结构相比，该双铜网结构的散热性能更好，导热系数明显提升，电池组的温差更小。表2介绍了部分复合相变储能材料。

表2 部分复合相变储能材料

图1 铜网复合相变储能材料的散热结构

2 相变储能材料在电池热管理系统中的应用

相变储能材料热管理系统通常分为两种，一种是采用复合相变储能材料作为散热方式的被动热管理系统，被动热管理系统仅靠相变储能材料的相变潜热来吸收热量，散热效率低，很容易导致相变潜热耗尽从而失去热管理的能力；另一种为将相变储能材料与强制风冷和液体冷却方式相结合的混合热管理系统，混合热管理系统能将相变储能材料中的热量及时散去，从而可以在环境温度较高、长时间循环的条件下将电池组的温度控制在安全范围内[23]。

2.1 相变储能材料热管理系统

基于相变储能材料的热管理系统成本低、可持久稳定运行，一定时间内能将电池温度控制在合适的范围内[24]。

Jilte等[25]开发了一种采用两层纳米粒子增强相变储能材料热管理系统，采用3种不同的组装方式均能将电池温度控制在安全范围内。Pan等[6]将一种切削铜纤维/石蜡复合相变储能材料应用于电池热管理系统中，研究表明，该系统能将电池间的温差控制在2 ℃以内。Liu等[26]将一种新型蜂窝结构翅片与相变储能材料复合，蜂窝结构能有效提高相变储能材料的整体导热系数，通过数值模拟的方法发现，蜂窝结构翅片的加入能在10 C放电倍率下将电池温度保持在50 ℃以下，具有很好的散热能力。

2.2 混合热管理系统

Zhang等[27]设计了一种热管辅助分离型电池热管理系统。研究表明，在 5 C放电倍率下，电池最高温度为48.5 ℃，电池间最大温差为3.6 ℃；开启风扇后，最高温度可以控制在44.9 ℃，电池间最大温差为3.1 ℃。Liu等[28]为解决相变储能材料导热系数低和完全融化后温度急剧上升的问题，提出了一种将相变储能材料与泡沫铜复合并耦合螺旋液冷通道的混合热管理系统，研究表明，该系统相较于自然冷却效果更好，流体流速和螺旋液冷通道的距离会影响系统的冷却性能。Jilte等[29]将液体通道耦合到相变储能材料中，研究表明，冷却通道可将相变储能材料中积累的热量排出，流体流速会影响热管理系统的性能。Cao等[30]为了改善电池在长期充放电循环下的工作性能，提出了一种纳米相变储能材料乳液/相变储能材料相耦合的热管理系统，通过仿真研究发现，相较于传统的水/相变储能材料耦合系统，该系统能为电池提供更好的冷却性能。Pradeep等[31]提出一种采用石蜡与OM35两种不同相变储能材料复合并结合强制空气冷却的热管理系统，通过数值模拟研究发现，石蜡/OM35复合相变储能材料能很好地保持电池温度，环境温度的变化会导致电池组温度的波动。表3介绍了部分混合热管理系统。

表3 部分混合热管理系统

3 展望

电池性能随着社会的需求不断向高能量密度的方向发展，对基于相变储能材料电池热管理系统的要求也不断提高。当前研究主要通过复合导热系数高的材料制备复合相变储能材料，进而提升相变储能材料的性能；改进电池热管理系统的结构来提高热管理的效率；将风冷热管理技术和液冷热管理技术相结合来增强相变储能材料的储热性能；通过数值模拟的方式完善设计方案。风冷热管理技术、液冷热管理技术与相变储能材料热管理技术相结合将成为今后的发展方向。