相變材料冷卻技術在18650鈦酸鋰電池熱管理中的應用研究

張燕

摘要：伴隨著社會經濟的快速發展，傳統能源的嚴重消耗引起世界各國的重視。交通行業作為傳統能源的消耗大戶，在環保節能方面具有巨大潛力。因此，以動力電池作為動力源的電動汽車應用而生。然而，動力電池在使用過程中，容易出現溫度過高或者過充等情況，這將造成電池性能嚴重衰退，甚至出現熱失效的安全隱患。鑒于此，本文主要分析探討了相變材料冷卻技術在18650鈦酸鋰電池熱管理中的應用情況，以供參閱。

關鍵詞：相變材料冷卻技術;18650鈦酸鋰電池;熱管理

1電池熱管理技術

隨著電動汽車的發展，要求鏗離子動力電池在極端環境或者大功率下運行，有時候甚至會出現濫用的情況，所以，鏗離子動力電池容易出現熱失效或者循環壽命嚴重下降等不利局面。在高溫環境下大功率放電時，熱量將會迅速的產生，造成電池溫度快速上升，如果不能及時將熱量散出，電池內部的熱量將不斷的堆積，直至電池出現熱失效，甚至燃燒、爆炸等熱安全性問題。電池在低溫環境運行時，由于電池內部化學反應活性受到嚴重制約，電化學性能下降，電池的冷啟動效率低，嚴重的制約了電動汽車在嚴寒地區的推廣和使用。

2 8650欽酸銼電池過充的安全性能

近年來，尖晶石型欽酸鏗以其較高的嵌鏗平臺、良好的熱穩定性及長循環壽命，在鏗離子負極材料領域展示出良好的應用前景。在正極材料方面，成本低、無污染、低溫性能好的尖晶石型錳酸鏗成為銼離子電池負極材料研究的重點。因此，欽酸鏗電池體系由于其上述顯著優勢己經成為行業普遍研究的熱點。然而，安全性問題始終是制約銼離子電池發展的關鍵因素。其中，過充是最常見的安全性問題。由于過充造成過多的能量進入電池體系，電池容易出現電化學性能衰退、熱失效、脹氣和爆炸等現象，因此過充性能研究被認為是最重要的安全測試。AurelienDuPasquie：等研究了欽酸鏗電池體系的功率性能和提高了其循環壽命。LuW等對該電池體系的熱性能進行了研究和分析。然而，據我們所知，到目前為止對欽酸鏗電池系統安全性問題的研究仍然非常少，特別是對過充后電池電化學性能和產熱行為研究，極大地限制了其性能的提高以及商業化程度。

3相變材料的制備及性能測試

3.1相變材料的選擇

鏗離子動力電池的工作溫度一般在-0℃—60℃之間，而最佳運行溫度則為20℃—45℃內，當溫度超過50℃時，電池的性能會迅速下降。在電動汽車運行過程中，其運行工況相當復雜，電池極有可能需要長時間大倍率放電，導致電池溫度急劇上升，一般會達到80℃，90℃甚至100℃。因此，當采用相變材料作為電池熱管理系統時，必須選擇相變潛熱大、相變溫度合適的相變材料。綜合以上因素，石蠟成為鏗離子電池熱管理系統相變傳熱介質的首選。

3.2相變材料制備

3.2.1膨脹石墨的制備

石墨是一種天然礦物，其特殊結構決定其特殊性能：熱膨脹性小、潤滑性、良好的導熱、導電性、廣泛溫區內的可使用性、化學性能穩定且無毒性，此外還有可塑性、易加工成形等特點[[70，7。而石墨晶體是一種層狀結構的碳材料，用物理或化學的方法將其他異類粒子如原子、分子、原子團等插入到石墨晶體層間，形成一種新的石墨層間化合物（即鱗片石墨）。鱗片石墨可在高溫下急劇膨脹生成蠕蟲狀的膨脹石墨。鱗片石墨的膨脹機理是：由于鱗片石墨層間的分子間的作用力很弱，很容易在酸化氧化和電化學的環境下被其他物質插入，插層物在高溫的條件下分解，石墨就在推動力的作用下沿C軸膨脹幾十到幾百倍。

3.2.2活性炭粉末的制備

活性炭是一種多孔徑的碳化物，有極豐富的孔隙構造，具有良好的吸附特性，它的吸附作用籍物理及化學的吸附力而成的，其外觀色澤呈黑色。活性炭主要是以含碳量較高的物質制成，如木材、煤、果殼、骨、石油殘渣等。而在同等條件下，椰殼活性炭的活性質量及其它特性是最好的，因其有最大的比表面積。因此活性炭常被用來作吸附劑去除空氣和水中的雜質。由于活性炭具有豐富的微孔，而且工藝簡單，裝置制造便宜，本課題基于石蠟導熱性能差的不足，在石蠟/石墨相變材料基礎上加入活性炭粉末，在降低成本的同時提高相變材料的導熱性能。

4 PCM冷卻技術對18650欽酸銼電池性能的影響

銼離子動力電池作為電動汽車的核心部件，其安全可靠的運行對電動汽車的發展至關重要。由于鏗離子電池具有比能量大、循環壽命長、允許工作范圍廣等優點，逐漸成為電動汽車動力源的首選。然而，鏗離子電池在大電流長時間持續放電的情況下，將會產生大量的熱量，如果累積在電池內部的熱量無法及時有效的散出，電池的溫度將會迅速的上升，持續的高溫將會導致鏗離子電池的循環壽命降低、電化學性能衰退，甚至出現熱失效的現象。因此，有效的控制鏗離子電池的工作溫度，使其在合理的范圍內運行，有利于提高電池的循環壽命、減少安全事故的發生。隨著溫度對電池性能影響的日益嚴重，目前國內外的專家學者己經將主要的研究方向放在電池的冷卻系統上，常見的電池熱管理系統主要有以下幾種：空氣介質冷卻系統、液體介質冷卻系統、熱管冷卻系統、相變材料（PCM）冷卻系統等。空氣冷卻系統結構簡單、使用方便，然而空氣強制對流換熱系數低，因此該方法無法滿足電池在大倍率和高溫環境下持續運行時的散熱需求。液體冷卻系統相對于空氣冷卻系統而言，散熱性能較好，但是其結構復雜，由于電動汽車行駛路況復雜，容易導致熱管理系統出現漏液與電池接觸引發短路的安全性隱患。熱管冷卻系統散熱性能非常好，能有效的解決電池組大電流放電溫度過高的問題。然而，熱管自身的形狀與電池的外形無法很好的匹配，造成熱管安裝不便，并且熱管的使用壽命較低，長時間運行后會影響電池系統的壽命。相變材料熱管理系統利用材料的相變潛熱能有效的對電池進行散熱，并且使用壽命長、結構簡單、不帶附加設備，低溫環境中還能給電池加熱，在目前的熱管理系統中也備受重視。

參考文獻：

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（作者單位：天津普蘭能源科技有限公司）