基于相變材料的鋰離子電池熱管理 ①

張寶平， 高 琳， 桂仲喜， 何 博， 耿學文

(國網電動汽車服務有限公司，北京 100032)

0 引 言

Al-Hallaj[1]等2000年提出將相變材料(Phase Change Material，PCM)應用于電池熱管理。應用于電池熱管理系統理想的PCM需具備以下條件[2]：(1)較高的相變潛熱；(2)較高的導熱系數；(3)合適的相變溫度范圍；(4)體積膨脹比小，無過冷現象；(5)化學性質穩定且無毒、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，在節能和可靠性等方面具有獨特的優勢。但PCM導熱系數較低，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用。如何有效地提高PCM的導熱系數，同時保證儲熱能力和化學穩定性，成為了研究相變材料電池熱管理系統的關鍵問題。針對這個問題，研究者提出了各種強化傳熱的方案，針對不同類型的電池設計了相應的相變材料熱管理系統，并分析了在不同工況和環境溫度下的控溫效果。目前常用于提高相變材料導熱系數的措施包括：添加導熱分散物、膠囊封裝以及多孔介質封裝制成復合相變材料。

1 導熱顆粒 導熱顆粒(分散相)具有較高的比表面積，與相變材料進行復合，形成分散性較好、導熱性能顯著提高的復合材料。隨著材料科學的發展，碳纖維、碳納米管、金屬納米顆粒等填料被應用于相變材料導熱系數的強化當中。Nakaso等[3]研究了碳纖維衣和碳纖維刷對儲熱箱的強化傳熱效果(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，結果表明，體積分數為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合，將PCM的導熱系數提高兩個數量級以上，并通過仿真和試驗，發現石墨烯-石蠟復合相變材料能很好地控制電池內部溫度的上升。

與石蠟相比，利用質量百分數10%左右的碳纖維、碳納米管、石墨粉等可以將導熱系數提高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熱系數的分散相。Mahmoud等[5]采用圖2所示的方案研究了不同的散熱器結構對散熱效果的影響，通過比較發現，對于平行或者交錯的翅片，增加翅片的數量能有效加強PCM的傳熱，并且降低峰值溫度，尤其在高功率情況下。

Baby等[6]發現，在體積一定的情況下，增加針形翅片數量并不一定提高熱管理的效果；當針形翅片的體積分數為9%時，熱管理的效果最佳，進一步增加針形翅片的數量會降低熱管理的效果。Yoo等[7]研究了在間歇性熱負荷下片狀翅片和針形翅片與合金相變材料相結合的熱管理效果。將PCM填充進翅片里，結構如圖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造具有連續、貫通的特點，因而具有結構強度高、輕質、孔隙均勻和導熱系數高等優點，是較為理想的PCM強化傳熱材料。Xiao等[8]制備了石蠟/泡沫銅復合材料并搭建了導熱性能穩態測試臺，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熱系數提高13、31和44倍。

與膨脹石墨蠕蟲相比，泡沫銅由于內部連續導熱骨架的存在，能更好的提高PCM的導熱速率。Xiao等[10]對比分析了泡沫鎳和泡沫銅對PCM的強化傳熱效果，采用孔隙率為97%的泡沫銅可以將復合材料的導熱系數提高到5 W·m-1·K-1。 表1為文獻中采用泡沫金屬對PCM進行強化傳熱的效果對比。從表中可以看出，強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，導致泡沫金屬內部導熱通路連續、均勻程度不同；(2)不同研究者采用的導熱系數測試設備和估算模型的準確度不同。

表1 不同研究者采用泡沫金屬對PCM進行強化傳熱的效果對比

圖2 6種不同結構的熱沉示意圖[5]

圖3 翅片內填充PCM的熱沉結構示意圖[7]

4 膨脹石墨

膨脹石墨(Expanded Graphite, EG)對相變材料進行強化傳熱有兩種形式：(1)與導熱顆粒類似，以非連續的膨脹石墨蠕蟲的形式在相變材料中分散布置，但與導熱顆粒不同的是，石墨蠕蟲表面的大量的多孔結構進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定幾何形狀，較高導熱系數，多孔內部結構的多孔介質材料。Sari等[11]研究了膨脹石墨的質量分數對石蠟/膨脹石墨復合相變材料性能的影響，他們發現質量分數分別為2%、4%、7%和10%的EG可以將PCM的導熱系數分別提高81.2%、136.3%、209.1%和272.7%。EG質量百分比為10%時，復合材料結構穩定，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/膨脹石墨復合相變材料的熱物性參數對比。需要指出的是，添加強化傳熱相在提高復合相變材料導熱系數的同時，不可避免地降低復合相變材料的相變潛熱。

表2 不同研究者制備的PCM/EG復合材料的熱物性參數

5 結 語

(1)在相變材料中添加導熱顆粒，隨著導熱顆粒質量分數的增加，復合相變材料的導熱系數可增加1～3倍。導熱顆粒的分散均勻度也決定了其導熱性能的高低，分布越均勻，導熱性能越好。

(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，其表觀導熱系數可提高一到兩個數量級。泡沫金屬的孔隙率大小和種類是影響相變材料導熱性能的關鍵參數。孔隙率越小，導熱系數越大，但同時也會導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材料中，當膨脹石墨的質量分數為10%時，可防止相變材料固-液相變時發生泄露。隨著膨脹石墨的增加，導熱性能增強，但儲熱性能將會下降，因此需要權衡兩者的比例。