膨脹石墨/石蠟復(fù)合材料的制備及其在動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的散熱特性*

劉臣臻，張國(guó)慶，王子緣，吳偉雄，蘇 攀

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006）

膨脹石墨/石蠟復(fù)合材料的制備及其在動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的散熱特性*

劉臣臻，張國(guó)慶?，王子緣，吳偉雄，蘇 攀

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006）

本文將石蠟與膨脹石墨進(jìn)行復(fù)合，幵經(jīng)過(guò)壓制工藝做成板狀膨脹石墨/石蠟（簡(jiǎn)稱(chēng) EG/PCM）復(fù)合材料，以解決石蠟導(dǎo)熱性能差以及相變后變成液體流動(dòng)的問(wèn)題。用導(dǎo)熱分析儀和差示掃描量熱儀分別測(cè)試了EG/PCM復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和潛熱，幵用掃描電鏡表征了其微觀結(jié)構(gòu)。將EG/PCM復(fù)合材料應(yīng)用于動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，對(duì)單體電池和電池模塊分別利用空氣冷卻和EG/PCM冷卻后在1.0 C和1.5 C放電倍率下進(jìn)行放電，幵用溫度巡檢儀記錄電池放電過(guò)程的溫度情況，對(duì)比兩種散熱方式對(duì)動(dòng)力電池的散熱效果。

膨脹石墨/石蠟；復(fù)合相變材料；散熱性能；動(dòng)力電池

0 引 言

相變儲(chǔ)能技術(shù)在節(jié)能領(lǐng)域越來(lái)越受到重視，它不僅可以提高能源的利用效率，也是解決能源短缺的有效途徑之一。相變儲(chǔ)能材料由于具有較大的相變潛熱，在相變時(shí)可以儲(chǔ)存和釋放大量的熱量，從而實(shí)現(xiàn)熱能從時(shí)間和空間上的轉(zhuǎn)移[1]，在建筑節(jié)能、電力移峰填谷、太陽(yáng)能等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用[2-4]。

理想的相變材料應(yīng)該具有合適的熔點(diǎn)、相變潛熱大、熱穩(wěn)定性好、無(wú)過(guò)冷和相分離等優(yōu)點(diǎn)[5]。由于有機(jī)相變材料具有性能穩(wěn)定、無(wú)相分離和過(guò)冷現(xiàn)象、價(jià)格廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，是一種很好的相變儲(chǔ)能材料，但導(dǎo)熱系數(shù)一般都比較小[6]，因此需通過(guò)復(fù)合其它高導(dǎo)熱材料來(lái)提高有機(jī)相變材料的導(dǎo)熱性能。目前主要是通過(guò)摻雜金屬粉末和碳納米管等高導(dǎo)熱材料來(lái)提高有機(jī)相變材料的導(dǎo)熱性能[7-9]。張寅平[10]及張正國(guó)[11]等對(duì)提高相變材料導(dǎo)熱性能做了大量的研究工作。

本文將膨脹石墨和石蠟復(fù)合，然后經(jīng)過(guò)壓制工藝做成板狀EG/PCM復(fù)合材料，幵將其應(yīng)用在動(dòng)力電池?zé)峁芾矸矫?，以解決動(dòng)力電池在大倍率放電時(shí)，產(chǎn)生大量的熱量使電池溫度過(guò)高，以及單體電池之間溫度不均衡的問(wèn)題。目前比較常見(jiàn)的散熱方法是利用空氣冷卻散熱和液體冷卻散熱兩種方式。Yao等[12]的研究表明，單獨(dú)依靠空氣冷卻幵不能很好地解決動(dòng)力電池散熱問(wèn)題。Chen等[13]通過(guò)模擬研究表明，當(dāng)空氣冷卻達(dá)到一定強(qiáng)度后對(duì)溫度的均一性很難再改善。對(duì)于液體冷卻，Pesaran等[14]將液體冷卻與空氣冷卻散熱進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，表明液體冷卻比空氣冷卻散熱效果更好。但是液體冷卻系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本較高，因此存在一些弊端。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有一些采用相變材料對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻散熱。Al-Hallaj等[15]最早提出利用相變材料對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻。Khateeb等[16]也對(duì)電池組利用相變散熱進(jìn)行了研究，結(jié)果表明其散熱效果非常理想。Sabbah等[17]對(duì)電池用相變散熱與空氣散熱進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明相變散熱效果更佳。Pradyumna等[18]將石墨烯與碳?xì)浠衔锏膹?fù)合相變材料用于鋰電池的熱管理中，冷卻效果也非常明顯。饒中浩等[19-22]也對(duì)動(dòng)力電池相變散熱做了大量的研究工作，散熱效果均優(yōu)于空氣冷卻。

本文制備的EG/PCM復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能較石蠟有大幅度地提高，在相變后也能夠保持固態(tài)，解決了普通相變材料相變后變成液態(tài)収生泄漏的問(wèn)題；將其應(yīng)用在動(dòng)力電池散熱中后能夠?qū)?dòng)力電池控制在最佳的工作溫度范圍，電池之間也具有很好的溫度均一性，較空氣冷卻的效果更加明顯。

1 EG/PCM復(fù)合材料的制備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

本文制備的EG/PCM復(fù)合材料對(duì)石蠟的硬度有一定的要求，考慮石蠟的硬度及相變溫度，選擇熔點(diǎn)為46℃的石蠟。

石蠟，熔點(diǎn)46℃，相變潛熱161.1 J/g，廣州思化玻儀儀器有限公司；可膨脹石墨，50目，膨脹倍率220，青島百興石墨有限公司。

電子天平（YB，上海譜振生物科技有限公司）；超級(jí)數(shù)顯恒溫水?。?01A，江蘇金壇市金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠）；閃光法導(dǎo)熱分析儀（LFA，德國(guó)耐馳儀器制造有限公司）；SEM（S-3400N-II，日本株式會(huì)社日立高新技術(shù)公司）；X射線衍射儀（Y-4Q，丹東遼東射線儀器有限公司）；差示掃描量熱儀（DSC2910，美國(guó)TA Instrument Inc公司）；磁力攪拌器（95-1，無(wú)錫建儀實(shí)驗(yàn)器材有限公司）；液壓機(jī)（100 MPa，廣州市番禺橡膠機(jī)械廠）；馬弗爐（RX3-10，佛山市南海焯達(dá)爐業(yè)有限公司）。

1.2 膨脹石墨的制備

將可膨脹石墨放在 60℃的真空干燥箱中干燥10 h，然后放入容器中在800℃的馬弗爐中膨化60 s，即得到膨脹石墨。

1.3 復(fù)合相變材料的制備

將石蠟和膨脹石墨按照質(zhì)量比為 4∶1的比例放入容器中，置于80℃的水浴環(huán)境中共混，攪拌吸附2 h，從而得到EG/PCM復(fù)合材料顆粒。然后將EG/PCM復(fù)合材料顆粒放入特制的模具中，用液壓機(jī)將EG/PCM復(fù)合材料顆粒壓成板狀材料。

2 EG/PCM復(fù)合材料的性能測(cè)試

2.1 導(dǎo)熱性能測(cè)試

對(duì)石蠟和EG/PCM復(fù)合材料用導(dǎo)熱分析儀進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試。在35℃條件下，石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)為0.23 W/(m·K)，制備的EG/PCM復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為12.346 W/(m·K)，導(dǎo)熱系數(shù)提高了50多倍。這說(shuō)明石蠟與膨脹石墨復(fù)合后導(dǎo)熱性能有大幅度的提高。

2.2 DSC測(cè)試

用差示掃描量熱儀對(duì)石蠟與EG/PCM復(fù)合材料進(jìn)行 DSC測(cè)試的條件是將復(fù)合材料從室溫升至75℃，升溫速率為10℃/min，氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)。石蠟和EG/PCM復(fù)合相變材料的DSC曲線如圖1和圖2所示。

圖1 石蠟DSC測(cè)試圖Fig. 1 DSC curve of paraffin

從圖1和圖2可以看出，石蠟的相變潛熱測(cè)試結(jié)果為161.1 J/g，EG/PCM復(fù)合材料的相變潛熱為125.5 J/g。EG/PCM復(fù)合材料的相變潛熱的大小主要取決于相變材料與石墨的質(zhì)量比例，可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩者的質(zhì)量比例來(lái)調(diào)節(jié)EG/PCM復(fù)合材料的潛熱大小。從圖1和圖2中還可看出石蠟和復(fù)合材料的相變區(qū)間是一致的，說(shuō)明石蠟在與膨脹石墨復(fù)合后，材料的性能幵沒(méi)有収生變化，石蠟與石墨未収生化學(xué)反應(yīng)，兩者都具有較好的穩(wěn)定性。

圖2 EG/PCM復(fù)合材料DSC曲線Fig. 2 DSC curve of EG/PCM

2.3 SEM測(cè)試

圖3是對(duì)復(fù)合相變材料用掃描電鏡所拍攝的微觀照片。從圖3（a）可以看出，在石蠟與膨脹石墨共混吸附后，石蠟很好地被膨脹石墨吸附在孔隙以及表面上。從圖3（b）分析可以看出，在EG/PCM復(fù)合材料顆粒在用壓力機(jī)壓成相變板后，膨脹石墨片層結(jié)構(gòu)互相交錯(cuò)，將石蠟圍繞在孔隙中。即使在石蠟相變后，仍能將石蠟封鎖在石墨片層之間，使EG/PCM復(fù)合材料板保持原來(lái)的形貌。

圖3 膨脹石墨/石蠟復(fù)合材料微觀相貌表征Fig. 3 Microscopic characterization EG/PCM composites

3 EG/PCM復(fù)合材料在動(dòng)力電池中的散熱性能研究

本實(shí)驗(yàn)選用方形電池作為研究對(duì)象，方形電池的型號(hào)為IFP1865140A-13，廠家為合肥國(guó)軒高科動(dòng)力能源股份公司。本實(shí)驗(yàn)所使用設(shè)備的型號(hào)及廠家，如表1所示。

表1 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備Table 1 The experiment equipment

3.1 單體電池散熱實(shí)驗(yàn)

對(duì)單體電池進(jìn)行散熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇兩塊單體電池，其中一塊電池采用EG/PCM進(jìn)行散熱，另一塊電池在自然對(duì)流情況下進(jìn)行空氣冷卻散熱。然后將布置在單體電池中的熱電偶連接到溫度巡檢儀的測(cè)試通道中。熱電偶分布如圖4所示。

由于選用的方形電池尺寸為140 mm × 65 mm × 18 mm，因此將EG/PCM復(fù)合材料板的尺寸定為140mm × 65 mm × 5 mm。由于EG/PCM復(fù)合材料板的抗折強(qiáng)度幵不高，為了增加抗折強(qiáng)度，進(jìn)一步提高其導(dǎo)熱性能，在EG/PCM復(fù)合材料板中間加入了一層銅網(wǎng)，銅網(wǎng)的長(zhǎng)寬尺寸為140 mm × 75 mm，銅網(wǎng)在EG/PCM復(fù)合材料板寬度方向兩側(cè)各伸出5 mm。EG/PCM復(fù)合材料中間加入銅網(wǎng)后其抗折強(qiáng)度提升了30%，傳熱能力提升了1.1%。圖5即為加有銅網(wǎng)的EG/PCM復(fù)合材料板。然后用導(dǎo)熱絕緣雙面膠將方形電池與EG/PCM復(fù)合材料板進(jìn)行貼合，如圖6所示。

圖4 熱電偶的分布圖Fig. 4 The thermocouple distribution

圖5 加有銅網(wǎng)的EG/PCM復(fù)合材料Fig. 5 EG/PCM composites with copper net

圖6 EG/PCM復(fù)合材料用于方形電池Fig. 6 Application of the EG/PCM plate in square cell

圖7 單體電池放電溫度曲線（1.0 C)Fig. 7 Temperature curve of single cell (1.0 C)

圖8 單體電池放電溫度曲線（1.5 C）Fig. 8 Temperature curve of single cell (1.5 C )

將空氣冷卻和相變冷卻的單體電池在1.0 C、1.5 C放電倍率下進(jìn)行放電測(cè)試。如圖7所示，單體電池在1.0 C放電時(shí)，使用空氣冷卻的電池最高溫度為44.24℃，電池不同部位間最大溫差為7.07℃；使用EG/PCM冷卻的電池最高溫度為35.47℃，電池不同部位間最大溫差為1.09℃；EG/PCM冷卻比空氣冷卻的電池最高溫度低8.77℃，電池不同部位間的最大溫差比空氣冷卻低5.98℃。由圖8可知，單體電池在 1.5 C倍率放電時(shí)，空氣冷卻的電池最高溫度為63.11℃，電池不同部位間最大溫差為11.86℃；EG/PCM冷卻的電池最高溫度為39.31℃，電池不同部位間最大溫差為1.19℃；EG/PCM冷卻比空氣冷卻電池的最高溫度低 23.8℃、電池不同部位間的最大溫差比空氣冷卻低10.67℃。

3.2 電池模塊散熱實(shí)驗(yàn)

3.2.1 電池模塊組裝

設(shè)置兩個(gè)電池模塊，每個(gè)電池模塊由五個(gè)單體電池幵聯(lián)組成，其中一個(gè)電池模塊采用EG/PCM進(jìn)行散熱，另一個(gè)模塊在自然對(duì)流情況下進(jìn)行空氣冷卻散熱。

電池模塊的熱電偶布置為中間電池布置五個(gè)，其余四個(gè)電池各布置兩個(gè)，每個(gè)電池模塊一共布置13個(gè)測(cè)點(diǎn)，然后將熱電偶連接到溫度巡檢儀的測(cè)試通道中。圖9和圖10分別為采用空氣冷卻和相變冷卻的模塊。

圖9 采用空氣冷卻的電池模塊Fig. 9 Air cooling battery module

圖10 采用EG/PCM冷卻的電池模塊Fig. 10 EG/PCM cooling battery module

3.2.2 測(cè)試結(jié)果分析

電池模塊在1.0 C、1.5 C的放電倍率下進(jìn)行測(cè)試，其溫度特性曲線如圖11和圖12所示。

圖11 電池模塊放電溫度曲線（1.0 C）Fig. 11 Temperature curve of battery module (1.0 C)

圖12 電池模塊放電溫度曲線（1.5 C）Fig. 12 Temperature curve of battery module (1.5 C)

由圖11可知，在1.0 C放電倍率下，空氣冷卻模塊中電池的最高溫度為40.12℃，不同電池間最大溫度差為 5.7℃；而 EG/PCM 冷卻模塊中電池的最高溫度為37.4℃，不同電池間最大溫差為2.8℃；EG/PCM 冷卻比空氣冷卻的電池模塊最高溫度低2.72℃，電池不同部位間的最大溫差比空氣冷卻低2.9℃。由圖12可知，在1.5 C放電倍率下，空氣冷卻模塊中電池的最高溫度為51.35℃，不同電池間最大溫度差為15.91℃；而EG/PCM冷卻模塊中電池的最高溫度為 44.7℃，不同電池間最大溫差為5.32℃；EG/PCM 冷卻的電池模塊比空氣冷卻電池模塊的最高溫度低 6.65℃，電池不同部位間的最大溫差比空氣冷卻法低10.59℃。EG/PCM冷卻效果均比空氣冷卻效果好。分析以上數(shù)據(jù)可以得出，電池在同一放電倍率下，采用EG/PCM冷卻的電池最高溫度和最大溫差總是低于空氣冷卻的溫度。

4 結(jié) 論

本文中制備的EG/PCM復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)12.346 W/(m·K)，是石蠟的50多倍。

將 EG/PCM 復(fù)合材料應(yīng)用在動(dòng)力電池?zé)峁芾碇?，幵通過(guò)EG/PCM冷卻和空氣冷卻對(duì)單體電池和電池模塊分別在1.0 C和1.5 C放電倍率下進(jìn)行了散熱效果對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1.0 C和1.5 C放電倍率下，單體電池和電池模塊采用EG/PCM冷卻的電池最大溫度與最大溫差均低于空氣冷卻的溫度。可見(jiàn)EG/PCM復(fù)合材料對(duì)動(dòng)力電池具有較好的散熱效果，幵且能對(duì)電池溫度的均衡性進(jìn)行較好的控制。

但是采用EG/PCM冷卻的電池溫度幵未達(dá)到材料的相變溫度，說(shuō)明所用的復(fù)合材料在達(dá)到相變溫度之前就已經(jīng)將電池產(chǎn)生的熱量吸收，這與復(fù)合材料的用量有關(guān)，說(shuō)明5 mm厚的EG/PCM復(fù)合材料已經(jīng)過(guò)量，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少用量，以収揮復(fù)合材料的有效性，同時(shí)降低材料成本。

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Preparation of Expanded Graphite/Paraffin Composite Materials and Their Heat Dissipation Characteristics in Power Battery Thermal Management System

LIU Chen-zhen, ZHANG Guo-qing, WANG Zi-yuan, WU Wei-xiong, SU Pan
(Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

In this paper, paraffin and expanded graphite were compounded and pressed into a plate (EG/PCM composite material) in order to improve the thermal conductivity and avoid the fluidity of paraffin. The thermal conductivity and latent heat of EG/PCM were tested by LFA and DSC, respectively, and its microstructure was observed by a scanning electron microscope (SEM). EG/PCM was applied to battery thermal management system. Single cells and battery modules were cooled by air and EG/PM, respectively. Their discharge behavior under 1.0 C and 1.5 C discharge rate were investigated and their temperature change during discharging process was recorded by a temperature logging devices. The cooling effects of these two cooling methods were compared.

expanded graphite/paraffin; composite phase change material; heat dissipation; power battery

TK02

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.03.011

2095-560X（2014）03-0233-06

劉臣臻（1989-），男，碩士研究生，主要從事復(fù)合相變儲(chǔ)能材料及電池?zé)峁芾淼难芯俊?/p>

張國(guó)慶（1963-），男，博士，教授，主要從事儲(chǔ)能材料、電池材料及電池?zé)峁芾淼难芯俊?/p>

王子緣（1990-），男，碩士研究生，主要從事電池?zé)峁芾淼难芯俊?/p>

吳偉雄（1989-），男，碩士研究生，主要從事電池?zé)峁芾淼难芯俊?/p>

蘇 攀（1989-），男，碩士研究生，主要從事儲(chǔ)能材料的研究。

2014-04-13

2014-04-28

? 通信作者：張國(guó)慶，E-mail：pdzgq008@126.com