基于相變材料的鋰離子電池?zé)峁芾?①

張寶平， 高 琳， 桂仲喜， 何 博， 耿學(xué)文

(國網(wǎng)電動汽車服務(wù)有限公司，北京 100032)

0 引 言

Al-Hallaj[1]等2000年提出將相變材料(Phase Change Material，PCM)應(yīng)用于電池?zé)峁芾?。?yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)理想的PCM需具備以下條件[2]：(1)較高的相變潛熱；(2)較高的導(dǎo)熱系數(shù)；(3)合適的相變溫度范圍；(4)體積膨脹比小，無過冷現(xiàn)象；(5)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且無毒、無腐蝕；(6)廉價易得。

相變材料冷卻具有無寄生功耗、無運動部件、周期性長久工作等特點，在節(jié)能和可靠性等方面具有獨特的優(yōu)勢。但PCM導(dǎo)熱系數(shù)較低，如石蠟只有0.2～0.3 W·m-1·K-1，很大程度上限制了其在高熱流密度情況下的應(yīng)用。如何有效地提高PCM的導(dǎo)熱系數(shù)，同時保證儲熱能力和化學(xué)穩(wěn)定性，成為了研究相變材料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的關(guān)鍵問題。針對這個問題，研究者提出了各種強(qiáng)化傳熱的方案，針對不同類型的電池設(shè)計了相應(yīng)的相變材料熱管理系統(tǒng)，并分析了在不同工況和環(huán)境溫度下的控溫效果。目前常用于提高相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的措施包括：添加導(dǎo)熱分散物、膠囊封裝以及多孔介質(zhì)封裝制成復(fù)合相變材料。

1 導(dǎo)熱顆粒 導(dǎo)熱顆粒(分散相)具有較高的比表面積，與相變材料進(jìn)行復(fù)合，形成分散性較好、導(dǎo)熱性能顯著提高的復(fù)合材料。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，碳纖維、碳納米管、金屬納米顆粒等填料被應(yīng)用于相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的強(qiáng)化當(dāng)中。Nakaso等[3]研究了碳纖維衣和碳纖維刷對儲熱箱的強(qiáng)化傳熱效果(圖1)，將碳纖維衣附著在管殼式熱交換器的銅管表面，再將石蠟注入銅管周圍的空間，結(jié)果表明，體積分?jǐn)?shù)為0.42%的碳纖維衣能顯著提高傳熱效果，使儲熱箱的放熱時間縮短了20%。

圖1 儲熱箱中添加碳纖維的原理圖[3]

Goli等[4]采用石墨烯和石蠟結(jié)合，將PCM的導(dǎo)熱系數(shù)提高兩個數(shù)量級以上，并通過仿真和試驗，發(fā)現(xiàn)石墨烯-石蠟復(fù)合相變材料能很好地控制電池內(nèi)部溫度的上升。

與石蠟相比，利用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)10%左右的碳纖維、碳納米管、石墨粉等可以將導(dǎo)熱系數(shù)提高1～3倍左右。

2 金屬翅片

金屬翅片是另一種可以提高相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的分散相。Mahmoud等[5]采用圖2所示的方案研究了不同的散熱器結(jié)構(gòu)對散熱效果的影響，通過比較發(fā)現(xiàn)，對于平行或者交錯的翅片，增加翅片的數(shù)量能有效加強(qiáng)PCM的傳熱，并且降低峰值溫度，尤其在高功率情況下。

Baby等[6]發(fā)現(xiàn)，在體積一定的情況下，增加針形翅片數(shù)量并不一定提高熱管理的效果；當(dāng)針形翅片的體積分?jǐn)?shù)為9%時，熱管理的效果最佳，進(jìn)一步增加針形翅片的數(shù)量會降低熱管理的效果。Yoo等[7]研究了在間歇性熱負(fù)荷下片狀翅片和針形翅片與合金相變材料相結(jié)合的熱管理效果。將PCM填充進(jìn)翅片里，結(jié)構(gòu)如圖3中所示。該方式能夠增大翅片熱容量，有助于散熱器的小型化。

3 泡沫金屬

開孔泡沫金屬的立體多孔構(gòu)造具有連續(xù)、貫通的特點，因而具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、輕質(zhì)、孔隙均勻和導(dǎo)熱系數(shù)高等優(yōu)點，是較為理想的PCM強(qiáng)化傳熱材料。Xiao等[8]制備了石蠟/泡沫銅復(fù)合材料并搭建了導(dǎo)熱性能穩(wěn)態(tài)測試臺，孔徑大小為25 PPI，孔隙率分別為96.95%、92.31%和88.89%的泡沫銅能分別將石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)提高13、31和44倍。

與膨脹石墨蠕蟲相比，泡沫銅由于內(nèi)部連續(xù)導(dǎo)熱骨架的存在，能更好的提高PCM的導(dǎo)熱速率。Xiao等[10]對比分析了泡沫鎳和泡沫銅對PCM的強(qiáng)化傳熱效果，采用孔隙率為97%的泡沫銅可以將復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高到5 W·m-1·K-1。 表1為文獻(xiàn)中采用泡沫金屬對PCM進(jìn)行強(qiáng)化傳熱的效果對比。從表中可以看出，強(qiáng)化傳熱效果相差較大。推測原因在于：(1)泡沫金屬的制備水平差異，導(dǎo)致泡沫金屬內(nèi)部導(dǎo)熱通路連續(xù)、均勻程度不同；(2)不同研究者采用的導(dǎo)熱系數(shù)測試設(shè)備和估算模型的準(zhǔn)確度不同。

表1 不同研究者采用泡沫金屬對PCM進(jìn)行強(qiáng)化傳熱的效果對比

圖2 6種不同結(jié)構(gòu)的熱沉示意圖[5]

圖3 翅片內(nèi)填充PCM的熱沉結(jié)構(gòu)示意圖[7]

4 膨脹石墨

膨脹石墨(Expanded Graphite, EG)對相變材料進(jìn)行強(qiáng)化傳熱有兩種形式：(1)與導(dǎo)熱顆粒類似，以非連續(xù)的膨脹石墨蠕蟲的形式在相變材料中分散布置，但與導(dǎo)熱顆粒不同的是，石墨蠕蟲表面的大量的多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了石墨與石蠟的接觸面積，同時為石蠟提供了容納場所；(2)將膨脹石墨蠕蟲壓縮后形成壓縮膨脹石墨，形成與泡沫金屬類似的具有穩(wěn)定幾何形狀，較高導(dǎo)熱系數(shù)，多孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)材料。Sari等[11]研究了膨脹石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料性能的影響，他們發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%、4%、7%和10%的EG可以將PCM的導(dǎo)熱系數(shù)分別提高81.2%、136.3%、209.1%和272.7%。EG質(zhì)量百分比為10%時，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以防止石蠟在固-液相變時的泄露。

表2為不同研究者制備的石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料的熱物性參數(shù)對比。需要指出的是，添加強(qiáng)化傳熱相在提高復(fù)合相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的同時，不可避免地降低復(fù)合相變材料的相變潛熱。

表2 不同研究者制備的PCM/EG復(fù)合材料的熱物性參數(shù)

5 結(jié) 語

(1)在相變材料中添加導(dǎo)熱顆粒，隨著導(dǎo)熱顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)可增加1～3倍。導(dǎo)熱顆粒的分散均勻度也決定了其導(dǎo)熱性能的高低，分布越均勻，導(dǎo)熱性能越好。

(2)在相變材料中添加金屬翅片，隨著金屬翅片數(shù)量的增加，相變材料的傳熱性能提高。增加金屬翅片與相變材料的接觸面積，可強(qiáng)化相變材料的傳熱性能。

(3)將相變材料添加到泡沫金屬中，其表觀導(dǎo)熱系數(shù)可提高一到兩個數(shù)量級。泡沫金屬的孔隙率大小和種類是影響相變材料導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵參數(shù)?？紫堵试叫。瑢?dǎo)熱系數(shù)越大，但同時也會導(dǎo)致相變材料所能吸收或釋放的熱量減少。

(4)將相變材料置于由膨脹石墨蠕蟲壓縮形成的多孔介質(zhì)材料中，當(dāng)膨脹石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，可防止相變材料固-液相變時發(fā)生泄露。隨著膨脹石墨的增加，導(dǎo)熱性能增強(qiáng)，但儲熱性能將會下降，因此需要權(quán)衡兩者的比例。