基于密胺吸附型相變材料的散熱性能優(yōu)化研究

何 翼，張國慶，黃啟秋，李新喜

(廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東廣州 510006)

隨著人們對能源短缺和環(huán)境污染的關(guān)注，純電動汽車和混合動力電動汽車的相關(guān)研究得到了迅速發(fā)展[1-3]。眾所周知，鋰離子電池的安全狀態(tài)與溫度密切相關(guān)。溫度會影響化學(xué)反應(yīng)速率和鋰離子電池內(nèi)部各結(jié)構(gòu)的壽命，從而直接影響電池的性能[4-5]。

鋰離子電池作為電動汽車的核心部件，其安全性能直接關(guān)系到車輛的安全和生命安全。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電池產(chǎn)生的大量熱量不能及時(shí)傳遞時(shí)，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)會因溫度過高而遭到破壞，這將直接影響電池的性能[6-7]。因此，為了保證鋰離子電池的熱安全，提出了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)[8]。一個(gè)高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)必須能夠使電池產(chǎn)生的熱量與電動汽車的實(shí)際運(yùn)行狀況相匹配，這就需要保證電池組在20～50 ℃的理想溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，電池之間的溫差控制在5 ℃以內(nèi)，確保電池模組正常安全運(yùn)行[9-12]。為了給鋰離子電池提供良好的熱安全保護(hù)，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出多種冷卻方式。最廣泛使用的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分為三類，包括空氣冷卻[13]、液體冷卻[14]和相變材料冷卻系統(tǒng)[15]。作為主動冷卻方式，空氣冷卻和液體冷卻都需要額外的散熱設(shè)備和能耗。與主動冷卻相比，相變材料的冷卻不需要額外的設(shè)備或能耗，這意味著相變材料冷卻系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上更簡單。因此，基于相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)具有較大的應(yīng)用前景。

1 密胺吸附型相變材料的制備

1.1 原料組成

密胺材料具有多孔、不易變形、耐腐蝕、耐高溫等諸多優(yōu)點(diǎn)。在本實(shí)驗(yàn)中，密胺吸附了石蠟和膨脹石墨，防止了材料的變形，保持了材料的整體穩(wěn)定性。石蠟由于其具有高潛熱、性能穩(wěn)定、相變溫度與電池工作溫度相匹配等特點(diǎn)，常被應(yīng)用于電池?zé)峁芾碇?。另外，膨脹石墨是天然石墨?jīng)膨脹處理后得到的一種松散的蠕蟲狀材料，具有比表面積大、孔隙率小、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，在相變材料中可作為增強(qiáng)導(dǎo)熱系數(shù)的物質(zhì)。雖然氫氧化鈉與水反應(yīng)劇烈，在空氣中也不穩(wěn)定，但它不會與實(shí)驗(yàn)材料發(fā)生反應(yīng)，性質(zhì)穩(wěn)定。因此，在相變材料中用作阻燃劑，以防止相變材料中的有機(jī)物在溫度過高時(shí)燃燒。具體的材料物性參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)

1.2 制備過程

首先，將密胺切成100 mm×100 mm 的樣品，放入模具箱中備用。然后打開油浴鍋，調(diào)至80 ℃預(yù)熱。用電子天平稱量石蠟、氫氧化鈉和膨脹石墨的質(zhì)量。預(yù)熱后，將石蠟引入油浴鍋中的攪拌機(jī)。石蠟完全熔化后，加入氫氧化鈉攪拌15 min。隨后加入膨脹石墨時(shí)，分?jǐn)?shù)次少量加入并連續(xù)攪拌30 min，使各種材料混合均勻。最后，混合物被放置在含有密胺的模具箱中，并進(jìn)行真空干燥，在箱體中被密胺反復(fù)吸收。

2 模型構(gòu)建及仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 三維模型構(gòu)建

本文利用SolidWorks 所建立的模型，研究了相變材料在磷酸鐵鋰電池組件熱管理中的應(yīng)用，并通過Comsol 多物理耦合模型對其在不同相變材料厚度、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)的條件下進(jìn)行仿真，重點(diǎn)關(guān)注相變材料熱管理散熱性能，探究性能最佳的相變材料參數(shù)。電池材料相關(guān)屬性熱參數(shù)如表2 所示。

表2 電池材料相關(guān)屬性熱參數(shù)

為了研究不同相變材料厚度對單體電池工作溫度的影響，建立了相變材料厚度分別為2.5、5.0、7.5、10.0 和12.5 mm的單體電池?zé)峁芾眈詈夏Ｐ?，而電池模組則基于單體電池的耦合。

2.2 傳熱仿真

電池是由正極、負(fù)極、極耳、隔膜、電解液構(gòu)成的整體，每一種材料的性能都有很大的差別，如果電池對模型的各個(gè)部分進(jìn)行精確構(gòu)造，不僅會大大增加難度，還會產(chǎn)生許多不必要的問題，故可簡化地將電池看作一個(gè)整體。其等效參數(shù)如表3 所示。

表3 電池等效參數(shù)

模型中的傳熱控制方程如下：

式中：cp為電池的比熱容；ρ為電池密度；T為溫度；K為導(dǎo)熱系數(shù)；Q為電化學(xué)熱源產(chǎn)熱；Qted為環(huán)境熱。

為了求解方程，當(dāng)t=0 時(shí)，初始溫度定義為293.15 K，在熱流為零的空間中，采用紐曼邊界條件：

當(dāng)空間熱通量不為0 時(shí)，將熱通量設(shè)為對流熱通量，公式為：

式中：q0為熱流密度；h為傳熱系數(shù)；Text和T分別為外部環(huán)境溫度和內(nèi)部溫度。

為了簡化計(jì)算，本文假定電池為均質(zhì)材料，將整個(gè)電池視為熱源，加熱功率由放電率決定。因此，在指定熱源時(shí)采用耗熱率去計(jì)算，如式(4)：

式中：Q0為熱量；V為體積；P0為加熱功率。在Comsol 中，采用有限元方法。除了建立模型、輸入?yún)?shù)、確定方程和邊界條件外，還需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分。從而計(jì)算出不同放電倍率下電池的產(chǎn)熱功率，如表4 所示。

表4 不同放電速率下電池的產(chǎn)熱率

3 結(jié)果與討論

在本研究中，為了更清楚地研究不同電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)間的溫度差異，電池分別以1C、3C和5C的放電倍率放電，提出了相變材料厚度和導(dǎo)熱系數(shù)的合理選擇，并與傳統(tǒng)自然冷卻系統(tǒng)的冷卻效果進(jìn)行了比較。

3.1 相變材料的厚度對單體電池冷卻效果的影響

如圖1(a)所示，分別分析了不同放電倍率下，基于自然冷卻系統(tǒng)的電池溫度變化。為了匹配適合蓄電池的相變材料厚度，同時(shí)考慮到蓄電池系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，相變材料厚度的選擇范圍為0～12.5 mm，從中取一系列不同厚度的相變材料進(jìn)行電池?zé)峁芾怼?/p>

如圖1(b)、(c)和(d)所示，在1C放電倍率下，當(dāng)電池耦合相變材料層時(shí)，電池的最高溫度可以降低，并且隨著厚度的增加，電池的最高溫度逐漸降低。隨著電池放電倍率的提高，基于相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)越性更加明顯?？梢钥闯觯?C和5C放電倍率下，耦合了相變材料層的電池最高溫度都可以控制在50 ℃以下。如圖1(c)和(d)所示，當(dāng)電池最高溫度達(dá)到35 ℃時(shí)，溫升速度減慢。這是因?yàn)殡姵氐臏囟冗_(dá)到了相變材料的相變溫度，相變材料能夠及時(shí)吸收電池的大量熱量，從而有效降低電池的最高溫度。當(dāng)相變材料厚度為2.5 mm 時(shí)，經(jīng)過一半的放電過程后，電池將再次經(jīng)歷一次溫升。當(dāng)相變材料的厚度較薄時(shí)，其蓄熱量小于電池產(chǎn)生的熱量。因此，在持續(xù)的散熱過程中，電池將經(jīng)歷另一次溫度升高的過程。同時(shí)，當(dāng)相變材料厚度大于2.5 mm 時(shí)，即使在5C放電倍率下，電池的最高溫度也可控制在40 ℃以下，不同厚度的相變材料耦合電池的溫差在5 ℃以內(nèi)。因此，對于基于相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，相變材料的厚度不需要太大，以有效地保證電池系統(tǒng)的緊湊結(jié)構(gòu)。

圖1 (a)無耦合和(b-d)耦合不同厚度相變材料的單體電池在不同放電倍率下的溫度變化

3.2 相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)對單體電池冷卻效果的影響

當(dāng)電池發(fā)熱量過大時(shí)，相變材料應(yīng)具有一定的潛熱值，并應(yīng)考慮其導(dǎo)熱系數(shù)。通過提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，相變材料層能夠?qū)⑽盏臒崃垦杆賯鬟f到環(huán)境中進(jìn)行連續(xù)熱吸收。因此，分析了不同放電倍率、耦合不同導(dǎo)熱系數(shù)的相變材料層電池的最高溫度變化。相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)電池單體和模組的不同情況在0～3 W/(m·K)中進(jìn)行選取，單體電池相比于電池模組體積小，散熱效果也較好，為探究相變材料導(dǎo)熱系數(shù)對散熱效果的影響，相變材料所取的導(dǎo)熱系數(shù)為0.5、2.0 和3.0 W/(m·K)，相變材料厚度為12.5 mm。而相變材料導(dǎo)熱系數(shù)主要受導(dǎo)熱增強(qiáng)劑的影響，在此實(shí)驗(yàn)中，膨脹石墨作為導(dǎo)熱增強(qiáng)劑，其在復(fù)合相變材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分布均勻程度等因素都將影響復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)。如圖2(a)所示，當(dāng)相變材料層的導(dǎo)熱系數(shù)從0.5 W/(m·K)增加到2 W/(m·K)時(shí)，電池在1C放電過程中的最高溫度由28 ℃下降到27 ℃。在3C放電過程中，導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W/(m·K)的相變材料最高溫度可達(dá)45 ℃，而當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)增加到2 W/(m·K)時(shí)，電池最高溫度僅為42 ℃。電池在5C放電時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 和2 W/(m·K)的相變材料溫度變化很接近。而相變材料最大導(dǎo)熱系數(shù)提高為3 W/(m·K)時(shí)，可以更為有效地控制電池溫度。這說明在較高放電倍率條件下，提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)有利于提高電池溫度的控制能力。

圖2 耦合不同導(dǎo)熱系數(shù)相變材料的單體電池在不同放電速率下的溫度變化

3.3 相變材料的厚度對電池模組冷卻效果的影響

通過分析相變材料厚度對電池模組溫度的影響，可以有效提高相變材料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對電池模組的溫度控制能力和適應(yīng)性。圖3 中電池組的溫度是根據(jù)單體電池的實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)選取的，在圖1(a)中，針對實(shí)驗(yàn)測試的單體電池設(shè)置五個(gè)位置進(jìn)行溫度監(jiān)控(分別為單體電池表面的四個(gè)頂點(diǎn)及中心位置)，實(shí)驗(yàn)測試可知電池最高溫度出現(xiàn)在幾何中心位置；因此，電池模組的溫度監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置在每個(gè)單體電池的幾何中心位置。通過監(jiān)控電池的最高溫度，能夠正確有效地反應(yīng)電池模組的溫度變化及最亟需保護(hù)及控制溫度的電池位置，從而能夠綜合評價(jià)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的溫控性能以及有效性。

圖3 (a)無耦合與(b-d)耦合不同厚度相變材料的電池模組在不同放電倍率下的溫度變化

如圖3(a)所示，當(dāng)電池模組沒有應(yīng)用任何熱管理方法時(shí)，在3C和5C的放電倍率下，電池模組的最高溫度分別達(dá)到55 和70 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電池正常使用的溫度范圍。圖3(b)顯示了不同的相變材料層厚度對電池模組在1C放電過程中溫升率的影響。隨著相變材料層厚度的增加，可以進(jìn)一步控制電池模組的最高溫度。當(dāng)相變材料層厚度為12.5 mm 時(shí)，電池模組的最高溫度僅為22 ℃，可使電池溫度保持在正常的工作溫度范圍內(nèi)。隨著相變材料層厚度的增加，電池模組的最高溫度會進(jìn)一步降低，這反映了相變材料層越厚儲熱能力越強(qiáng)，能及時(shí)吸收和傳遞電池產(chǎn)生的熱量。如圖3(c)所示，當(dāng)電池模組的發(fā)熱率進(jìn)一步提高時(shí)，耦合2.5 mm 的電池模組溫升再次增加。這是因?yàn)殡姵禺a(chǎn)生的熱量大于相變材料層吸收的熱量。當(dāng)相變材料層儲熱值飽和時(shí)，電池的溫度又會升高。但是，當(dāng)相變材料層厚度大于2.5 mm 時(shí)，電池模組的最高溫度可以得到很好的控制，電池模組的溫度不再升高，且能夠保持在43 ℃以下。

為了進(jìn)一步分析相變材料層厚度對電池模組溫度變化的影響，對電池模組的溫差進(jìn)行了分析。如圖4 所示，隨著放電倍率的增加，電池模組之間的溫差會增大，這說明當(dāng)電池發(fā)熱量增加時(shí)，電池的溫度一致性將受到嚴(yán)重影響。隨著相變材料層厚度的增加，電池模組的溫度一致性得到有效提高。當(dāng)相變材料層厚度為12.5 mm 時(shí)，電池模組在1C、3C和5C放電倍率下的溫差分別為0.4、0.9 和1.6 ℃。因此，相變材料的厚度需要考慮電池所產(chǎn)生的熱量，才能有效保證電池模組的溫度一致性。

圖4 耦合不同厚度相變材料的電池模組最大溫差

3.4 相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)對電池模組冷卻效果的影響

相比于單體電池而言，電池模組是由多個(gè)單體電池通過串并聯(lián)組合而成，故均溫性能和散熱效果較差，相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)變化對其散熱影響更大，故相變材料所取的導(dǎo)熱系數(shù)為0.5、1.0、1.5、2.0 和2.5 W/(m·K)，更能準(zhǔn)確地探究導(dǎo)熱系數(shù)對其散熱效果的影響。如圖5 所示，進(jìn)一步分析了不同導(dǎo)熱系數(shù)的相變材料層對電池溫度的影響。在1C放電過程中，相變材料層的導(dǎo)熱系數(shù)對電池模組的最大溫度變化影響不大。這是因?yàn)殡姵啬＝M產(chǎn)生的熱量較少，而相變材料層可以利用其潛熱值有效地控制電池的溫度。電池模組在5C下放電時(shí)，最高溫度分別為42 和39 ℃，相變材料層的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.5 和2.5 W/(m·K)。這反映出當(dāng)電池模組的產(chǎn)熱量進(jìn)一步增加時(shí)，有必要改善相變材料層的導(dǎo)熱系數(shù)。相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的提高可以有效地加速相變材料的傳熱過程，并且可以穩(wěn)定地控制電池模組的最高溫度。

圖5 耦合不同導(dǎo)熱系數(shù)的相變材料的電池模組在不同放電倍率下的溫度變化

再進(jìn)一步分析相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)對電池模組溫差的影響。如圖6 所示，隨著相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加，電池模組的溫度一致性逐漸得到改善。當(dāng)電池模組在5C下放電時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W/(m·K)的相變材料所耦合電池模組的最大溫差為2.6 ℃，而當(dāng)相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高到2.5 W/(m·K)時(shí)，最大溫差減小到1.2 ℃。而電池模組在1C放電過程中，當(dāng)相變材料層的導(dǎo)熱系數(shù)為2.5 W/(m·K)時(shí)，電池模組的溫差幾乎可以忽略不計(jì)。這表明相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)需要提高，以保持電池模組內(nèi)的溫度一致性。

圖6 耦合不同導(dǎo)熱系數(shù)的相變材料的電池模組最大溫差

4 結(jié)論

基于相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是一種有效的熱管理方法。然而，相變材料泄漏和導(dǎo)熱系數(shù)的問題仍然需要解決。本研究提出了一種以密胺為支撐骨架，用密胺吸附石蠟和膨脹石墨，并以氫氧化鈉作為阻燃劑的一種新型相變材料。該方法不僅能防止相變材料泄漏，而且具有有效的熱緩沖效果。通過研究相變材料厚度和導(dǎo)熱系數(shù)對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的影響，可得出相變材料層可為電池提供有效的溫度控制保護(hù)，相變材料層厚度的增加可以有效地提高電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的溫度控制能力。當(dāng)鋰電池以高倍率(5C)放電時(shí)，相變材料層的厚度應(yīng)大于2.5 mm，以確保相變材料具有足夠的潛熱值。此外，相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)也是電池?zé)峁芾碇械囊粋€(gè)重要參數(shù)。當(dāng)相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加時(shí)，電池的最高溫度并沒有明顯降低，但電池模組的溫差會明顯減小，有效地改善了電池模組的溫度一致性。