复合相变储能材料在电池热管理系统中的应用进展.docx

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1、复合相变储能材料在电池热管理系统中的应用进展目录摘要1前言11 .蓄电池放电过程2.相变储能材料的研究现状41.1. 相变储能材料的分类及特性42. 2.提高相变储能材料导热系数的策略53.相变储能材料83. 1.概述83. 2.相变储能材料热管理系统93. 3.混合热管理系统94.展望10摘要相变储能材料导热系数较低是影响其在电池热管理系统中应用的关键问 题。本文介绍了相变储能材料的分类及特性，提出了提高相变储能材料导热系 数的策略：相变储能材料与金属类材料、石墨类材料以及多种材料复合，综述 了相变储能材料在电池热管理系统中的应用进展，展望了相变储能材料电池热 管理系统的开展趋势。关键词：相

2、变储能材料；导热系数；电池；热管理前言先进的相变储能材料是推动储能技术开展的核心和关键，在促进新能源开 发和提高能源利用率中起着至关重要的作用。相变材料(PCM)一旦在人类生活 被广泛应用，将成为节能环保的最正确绿色环保载体，在我国已经列为国家级研 发利用序列。但是，纯PCM的低热导率和弱光吸收性阻碍了他们广泛的适用 性。为了克服这些缺陷，提高热能的利用效率，多种多样的碳材料被用作载体 材料来封装PCM构筑形状稳定的复合相变材料。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，利用相变储第1页共11页Liu等为

3、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，研究说明，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。川tie等将液体通道耦合到相变储能材料中，研究说明，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等提出一种采用石蜡与O

4、M35两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介绍了局部混合热管理系统。表3局部混合热管理系统冷始机久电池具里电/最高“及1内*射士弋冷”18650M(KT44HO16十相储牝材”外力及4窿的电也XA。室SIUMHA不网文1.1.遭N令他力及跳的电/321865050发什帽5!的R科鱼不用之速下模烙Utt331865050 H合冷，身青及&统力忸能 四U多&计苗廿及4级的 6达回电时共管if，帆的W液体冷静代包39 瑶情双下悬管反小风的依他 热火粒条件下火跳

5、灼ft鲍 4度8屹”料学达4代“必廿及未混的。” WitH箕*及系设的35然替冷却枝机时健冏i*鸟管Jt4线物电池加改电1#用次.i住依火伦鲍27电;也便58. 2叶比女向忖支俏的村与热菅U令3处离皆座.4绳的粒HI36文气/3R金焦及4纯的“-_,.4.展望电池性能随着社会的需求不断向高能量密度的方向开展，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

6、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第10页共11页展方向。第11页共11页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.蓄电池放电过程1C 3C 5C 7C3.63.43.232.82.62.42221.8120020406080100

7、Capacity Retention(%)第2页共11页330003003702255 1240 Li111-015304560时间/min图15不同温度下放电电压变化现旗触蓄电池放电时端电压的变化也分为3个阶段：1）在放电初始的很短时间内，端电压急剧下降2）然后端电压缓慢下降3）当接近放电终期时，蓄电池的端电压乂在很短时间内迅速下降。当电压降到一定值（1.8V左右）时，必须停止放电，否那么会导致铅蓄电池极 板硫化，缩短其使用寿命。其中第二阶段维持时问越长，铅蓄电池的特性越 好。在放电之前，蓄电池极板上活性物质微孔中硫酸溶液的密度与本体溶液的 密度相等，电池的电压为开路电压。在放电初期，极板微

8、孔中硫酸首先被消耗，微孔内溶液密度立即下降，而 本体溶液中的硫酸向微孔内扩散的速度很慢，不能立即补充所消耗的硫酸，使 微孔中硫酸浓度下降，故本体溶液与微孔中的溶液形成较大的浓度差，即此阶 段的浓差极化较大，结果导致电池端电压明显下降。随着浓度差的增大，使硫 酸的扩散速度增加，当电极反响消耗硫酸的速度与硫酸扩散的速度相等时，此 阶段结束。第3页共11页在放电中期，由于电子移动速度、电极反响速度与硫酸扩散速度基本达成 一致，即极化引起的超电压基本稳定。因此，这个阶段蓄电池的端电压主要与 电池的电动势和欧姆内阻有关。而电动势与电解液的浓度有关，所以蓄电池端 电压随电解液浓度的逐渐减小和欧姆内阻的逐渐

9、增大而缓慢下降。在放电后期，蓄电池正、负极板上的活性物质逐渐转变成硫酸铅，并逐步 向极板深处扩展，使极板活性物质微孔被体积较大的硫酸铅阻塞，本体溶液中 的硫酸向微孔内扩散变得越来越困难，导致微孔中硫酸的密度急剧下降，因此 浓差极化也急剧增大。此外，放电产物硫酸铅是不良导体，使电池欧姆内阻增 大，所以此阶段的端电压下降速度很快。当停止放电后，放电反响不再发生，蓄电池本体溶液中的硫酸逐渐向微孔 中扩散，使微孔中的溶液浓度逐渐上升，并最终与本体溶液的浓度相等，使电 池的开路电压逐渐上升并稳定在2V左右。2.相变储能材料的研究现状2.1. 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

10、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。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，且局部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。熔融盐是一类不含水的熔融体，主耍包括氟化盐、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、平安性好等特点，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别离问题，且局部材料的相变温度和

11、 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第4页共11页 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20000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烧组成，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、本钱低， 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

12、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。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23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1： 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 复合优化以到达应用要求。表1为局部

13、相变储能材料的物理参数。表1局部相变储能材料的物理参数相变储能材料相变温度相变潜热（J g 1）CaCl-2 6H2O29190. 8Li2 c(%732509KC1771353正二十一院37 41201聚乙二醇35.5265月桂酸431772. 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。第5页共11页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、泡沫银等。Pan等引入切削铜纤维， 将其与石蜡复合制备复合相变储

14、能材料。研究说明，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 46.12Wm,K-】，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2c放电倍率下电池最高温度下降了 29.5%。Li等提 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0.82Wm*T,将该复合相变储能材料应用 于电池热管理系统中，能在1C和3c放电倍率下将电池温度控制在平安范围 内。Hussian等将石蜡填充到泡沫银中制备复合相变储能材料.，并将其应用于 电

15、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。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等通过简单的溶剂蒸发法制备了乙烯醋酸乙烯/ 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。研究说明，当 膨胀石墨含量从0%增加到5%时，导热系数从0.3W-m*T提高到 1.7W-m*T,而相变潜热仅从141j-gT下降到12gT,采用该材料的电池热 管理系统能很好地控制电池温度。Huang等在石蜡/膨胀石墨复合相变储

16、能材 料中加入苯乙烯-丁二烯苯乙烯制备了一种新型柔性复合相变储能材料。结果说明，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等将苯乙烯乙烯-丙烯苯乙烯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】、导热系数为Wu等采用含有聚 酸软段的热塑性共聚酯弹性体作为骨架，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102j.gT、1.64W,m*T,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第6页共11页

17、 理系统最高温度均不超过52o石墨烯和多壁碳纳米管都具有优异的导热性 能，Zou等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0.87W-m*T,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。研究说明，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45.1C,且该材料还显示出优异的机械性能。Hussian等 提出使用化学气相沉积法将石墨烯生长在泡沫银

18、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等提出一种铜网/石蜡/膨胀石墨复合 相变储能材料（图la）,结果说明，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等对Wu等的方案进行了改进，采用双铜网结构（图1b）,结果说明， 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介绍了局部复合相变储能材料。表2局部复合相变储能材料第7页共11页复合力变储能材料导法系教相受源拈及电 信李 T

19、电池最 高温度t电池组温 t攵技W-m-1 - LJ R-1石蜡/泡沫镶1. 161.5410. 89石蟠/泡沫铝46. 12232.4石培/膨胀石墨 二氧化硅/蜂窝铝9.54112.8545. 1L17铜网/石蜡/ 膨胀石墨561. 62.720双层铜网石蜡膨胀石墨LDPE8. 327147.75555E21石增/膨胀石墨12, 346125.5137.42.8石蜡/碳化硅2.01023.543. 51.722石蜡/SBS/ 膨胀石墨0. 8879. 8546413石墙/TPC et /膨胀石墨1. 641025503. 3153.相变储能材料3.1.概述在电池热管理系统中的应用相变储能材料

20、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 平安范围内。第8页共11页图1铜网复合相变储能材料的散热结构3. 2.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本钱低、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。Jitle等开发了一种采用两层纳

21、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平安范围内。Pan等将一种切削铜纤维/石蜡复合相变储能材料应用于电池热管理系统 中，研究说明，该系统能将电池间的温差控制在2以内。Liu等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10C放电倍率下将电池温度保持在50C以下，具有很好的散热能 力。3. 3.混合热管理系统Zhang等设计了一种热管辅助别离型电池热管理系统。研究说明，在5c放电倍率下，电池最高温度为48.5,电池间最大温差 为3.6C；开启风扇后，最高温度可以控制在44.9C,电池间最大温差为 3.10放也倍率是放电快慢的一种量度，是指也池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的 电流强度，它在数值上等于电池额定容量的倍数，即“放电电流/电池额定容量;放电 倍率”，通常以字母It表示。第9页共11页