高導熱復合相變材料的制備與動力電池熱管理應用研究.pdf

1、隨著工業(yè)技術(shù)和交通行業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴重，尤其是近幾年我國大面積、長時間霧霾的出現(xiàn)，嚴重地侵蝕著人們的身心健康。電動汽車具有低能耗和零排放雙重優(yōu)勢，大力發(fā)展電動汽車能緩解對傳統(tǒng)能源的依賴和減輕內(nèi)燃機汽車尾氣帶來的環(huán)境污染。電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)在于動力電池，而動力電池的性能又受溫度影響明顯，溫度過高或過低都影響其性能的發(fā)揮，甚至引起熱失控、電池內(nèi)部短路等安全問題。為了提升動力電池的使用性能和熱安全性，延長其循環(huán)壽命，本文制備了

2、高導熱的復合定形相變材料膨脹石墨(expanded graphite,EG)/石蠟(paraffin wax,PW)，并把它用于動力鋰電池熱管理。主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下：
　　1、以50目、80目、100目和200目的石墨粉為原料制備了EG，再用熔融共混法制備了一系列不同質(zhì)量分數(shù)的EG/PW復合相變材料。研究了EG與PW之間的結(jié)合特性、EG/PW復合材料的導熱系數(shù)、相變行為。
　　結(jié)果表明：
　?。?）80目石墨粉制備

3、的EG吸附PW的質(zhì)量比高達92.7％，EG與PW之間未發(fā)生化學反應，只是簡單的物理結(jié)合。
　?。?）EG/PW復合相變材料板的導熱系數(shù)隨 EG含量的增大而增大，當EG含量≥9 wt.%時，其軸向?qū)嵯禂?shù)（與擠壓方向平行）小于徑向?qū)嵯禂?shù)（與擠壓方向垂直）；EG含量為20 wt.%時，軸向?qū)嵯禂?shù)和徑向?qū)嵯禂?shù)分別為7.22 W/m K和10.10 W/m K。
　　（3）與純PW相比，EG/PW復合材料的過冷度降低，相變潛熱

4、略低于理論計算值。
　　2、分別制備了納米Cu粉和石墨烯摻雜的EG/PW復合相變材料，研究了不同含量的納米Cu粉和石墨烯對EG/PW復合相變材料的導熱增強作用，采用分形方法和熱電類比技術(shù)構(gòu)建了納米摻雜的EG/PW復合材料的有效導熱系數(shù)模型。結(jié)果表明：（1）EG/PW復合材料的導熱系數(shù)隨納米Cu含量的增加而幾乎保持不變，但隨石墨烯的含量增加而增加。（2）基于分形方法和熱-電類比技術(shù)構(gòu)建的復合材料有效導熱系數(shù)模型能較好地預測Cu納米粒

5、子摻雜的EG/PW復合材料的導熱系數(shù)，但與石墨烯摻雜的EG/PW復合材料的導熱系數(shù)實驗值出現(xiàn)了一定程度的偏差。
　　3、分析了鋰離子電池的產(chǎn)熱機理和相變材料相變傳熱模型，計算了26650磷酸鐵鋰電池的等效導熱系數(shù)、比熱容和密度等物性參數(shù)。采用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了不同質(zhì)量分數(shù)和不同用量的EG/PW復合材料的熱量傳遞規(guī)律和控溫效果；實驗測試了EG/PW塊體受熱熔化后的泄漏率。
　　結(jié)果表明：
　?。?）EG/

6、PW復合相變材料有效抑制了電池溫度的過快上升，EG/PW相變時，電池表面升溫速率隨EG含量的增加而減小，EG含量≥12 wt.%時，升溫速率趨近于0。
　　（2）EG/PW塊體受熱熔化后的液相泄漏率隨EG的質(zhì)量分數(shù)的增加而減?。籈G含量為30 wt.%時，PW的泄漏率僅為0.38 wt.%。
　　（3）EG質(zhì)量分數(shù)為16～20%的EG/PW復合相變材料可選作26650磷酸鐵鋰電池的熱管理材料。
　　4、針對圓柱形電池，

7、首次提出了基于復合相變材料熱管理的具有管殼式結(jié)構(gòu)的電池模塊，通過實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了管殼式電池模塊的控溫效果，揭示了其內(nèi)部熱量傳遞和分布規(guī)律，并評價了復合相變材料在后續(xù)冷卻過程中的散熱效率。
　　結(jié)果表明：
　?。?）采用EG/PW復合相變材料熱管理，管殼式電池模塊中的電池表面最高溫度被控制在相變材料的相變溫度范圍之內(nèi)，各電池單體表面最大溫差約為1℃。
　?。?）環(huán)境溫度T0=28℃和37℃時，采用自然空氣

8、對流冷卻，復合相變材料完全凝固所花的時間分別約為60 min和197 min；采用強制風冷，所需的時間分別約為18 min和80 min。
　?。?）數(shù)值結(jié)果表明管殼式電池模塊中的空氣流體以“Z字形”繞著管束反復繞流，呈錯流傳熱，提高了散熱效果，使得高溫區(qū)域大幅度減小，但折流板后方仍存在一些高溫熱區(qū)。
　?。?）與美國All Cell公司電池模塊相比較，數(shù)值模擬結(jié)果表明管殼式電池模塊具有更高的散熱效率。
　　5、制備了

9、鋁蜂窩增強的EG/PW復合相變材料板；研究了方形動力電池的產(chǎn)熱特性和鋁蜂窩增強的EG/PW復合相變材料的控溫效果；采用數(shù)值模擬方法研究相變材料的導熱系數(shù)和相變溫度對電池控溫效果的影響；分析了電池在后續(xù)冷卻過程中采用液冷的散熱效率，指出了相變材料和液冷耦合散熱的優(yōu)勢。
　　結(jié)果表明：
　?。?）加入鋁蜂窩，提高了EG/PW復合材料的導熱系數(shù)和抗壓強度。
　?。?）方形磷酸鐵鋰電池產(chǎn)熱不均勻，正負極附近的溫度最高，鋁蜂窩增