新能源汽车动力电池热管理的新型二氧化硅及纤维复合相变材料

　　热管理一直是动力电池的研究热点。动力电池在运行时产生的热量如果不能及时散出不断地堆积必然会导致燃烧、爆炸等事故。除了安全性的考虑之外，温度对动力电池的性能也有一定的影响。温度过高会加快电池内部化学反应的反应速率，导致电池的寿命缩短；温度过低会降低电池的充放电能力。此外，如果电池的温度不能保证一致性，就会导致单体电池之间的性能不匹配，进一步导致电池模块过早失效。

　　综上所述，动力电池的温度会影响电池的使用寿命、工作效率和安全性等性能。因此，在高温条件下对电池进行散热冷却、低温条件下对电池进行加热保温，将电池的温度控制在合理的范围内具有重要的实际应用价值。

　　为了突破这一技术瓶颈，需要将动力电池的温度控制在一定范围，对动力电池热管理进行研究。我们分析并总结了动力电池热管理系统的常用方式，根据目前应用于动力电池热管理的相变材料存在制备工艺复杂、相变焓低的缺点，研发了制备工艺简单、相变焓高的新型定形相变材料，并分析了其应用于电池热管理的可行性。

　　根据动力电池热管理的要求以及相变材料的选取原则，我们选定了二氧化硅为芯材，无机多孔材料为载体制备的复合定形相变材料应用于动力电池热管理系统。通过热解碳化聚多巴胺微球制备了新型介孔碳微球，将其作为载体通过真空浸渍的方法负载二氧化硅制备定形相变材料。研究表明，二氧化硅/介孔碳微球定形相变材料具有良好的热稳定性和储热能力，与二氧化硅相比，二氧化硅及陶瓷纤维/介孔碳微球定形相变材料的导热率得到提高。

　　为了进一步强化定形相变材料的导热率，将新型介孔碳微球作为吸附剂吸附铜离子，再通过原位还原法将铜离子还原为铜微球得到介孔碳/铜微球杂化颗粒。

　　以介孔碳/铜微球杂化颗粒为载体、二氧化硅及陶瓷纤维为芯材，制备出新型定形相变材料，该定形相变材料不仅具有良好的热稳定性和储热能力，而且其导热率显著提高，导热率的提高有助于改善传热效果，提高储放热效率。

　　此外还设计了一种新型相变复合板用于动力电池热管理系统，并通过理论计算验证了两种新型复合定形相变材料应用于动力电池热管理系统的可行性。结果表明，两种新型复合定形相变材料均能够将动力电池运行时的温度维持在适宜的温度范围。

　　动力电池热管理的要求

　　动力电池在正常充放电的过程中会产生大量的热量，主要由焦耳热、反应热和极化热三部分组成。在电池的使用过程中，电池会不断地产生热量使得电池内部的温度渐渐升高，在达到电池热失控的临界温度后，电池内部的 SEI膜、隔膜、电解液、正负极、粘结液等物质会进行分解反应也会产生大量的热量，进一步使得电池内部的温度升高。之前有研究表明，锂电池的最佳温度范围为 20℃~40℃。

　　当电池温度在30℃~40℃时，电池温度每升高1℃，电池的使用寿命就会减少三个月；当电池温度在 70℃~100℃时，电池就会开始热失控。因此，温度是影响电池的电化学性能和安全性的重要因素。根据动力电池使用过程中的温度变化特点，可以总结得出适合电动汽车动力电池热管理的要求如下：

　　(1)动力电池最佳工作温度为20℃~40℃，在 70℃~100℃温度范围会发生热失控，所以本实验选用的相变材料的相变温度最高应不超过70℃，最低不低于20℃；

　　(2)动力电池工作时所释放的热量通常较大，所以本实验选用的相变材料的蓄热能力应较强，能够储存和释放大量的热量；

　　(3)高导热可以提高相变材料在动力电池热管理系统中的使用效率，也能降低动力电池工作时的升温速率，有利于延长动力电池的使用寿命。所以在选用相变材料时，在满足其他条件的同时，导热系数要尽可能高；

　　(4)应用于电动汽车动力电池热管理的相变材料，需要在动力电池工作时保持良好的热稳定性。即便是在不同的外部条件中，仍需保证良好的热稳定性，确保动力电池的使用寿命；

　　(5)电动汽车能够参与人类生活的方方面面，因此，在选用相变材料时，无毒性、无挥发性也应该纳入考虑范围；

　　相变材料控温原理及应用

　　储能技术是目前能源管理中的一个重要课题之一，储能技术的应用可以有效地提高能源的利用效率。储能技术的主要作用是储存过剩的能量，并在需要的时候释放能量，从而解决能源供需在时间和地点上不匹配的问题，提高能源的利用效率和灵活性。能量储存的方式主要包括机械能、电磁能、化学能和热能储存。热能储存可以分为显热储存和潜热(相变热)储存两类。显热储存是利用材料固有的热容实现的，潜热储存，也称相变储能，是利用相变材料物态变化时吸收或释放大量的热量进行的。与显热储存相比，潜热储能的储能密度大，因此更受研究者的青睐。

　　相变材料，广义来说，是指被利用其在物态变化时所吸收或释放的大量热能用于能量储存的材料。狭义来说，是指那些在相变时，储能密度高，性能稳定，相变温度合适和性价比优良，能够被用于相变储能技术的材料。

　　变材料可以在物态变化的过程中吸收或释放热量。当环境温度高于材料的相变温度时，相变材料融化或者汽化，吸收热量；当环境温度低于材料的相变温度时，相变材料凝固，释放热量，由此，便可达到调节温度和储存能量的作用。将相变材料应用于需要控温的领域，可以达到调节温度、余热回收、储存热量等目的。

　　相变材料的应用主要有宏装法和定形法两种。宏装法是指将相变材料直接用于控温领域，不做另外的加工。这种方法虽然简单，但是相变材料在应用过程中容易泄露，使得材料的利用率降低。为了解决这一问题，有研究者提出制备定形相变材料，即定形法。这种方法是指将相变材料作为芯材固定在多孔材料中，定形法可以解决相变材料的泄漏问题，也可以提高相变材料的导热率。

　　基于相变材料的电池热管理系统设计

　　我们提出一种可实现电池及时散热的复合板，由传热板、相变材料和德耐隆Telite®改性耐火隔热复合材料三部分组成，下图为复合板的结构图。复合板靠近电池的一面为传热板，传热板应选用导热率高的金属或合金，如银、铜、铝等，设置传热板的目的为及时将动力电池在运行中产生的热量传递给相变材料。隔热板的存在使得电池之间的温度不会相互影响，阻止热量的横向传播，减小了产生热失控的可能性。隔热板应选用导热系数低的材料，如德耐隆Telite®改性耐火隔热复合材料。相变材料填充在传热板与隔热板之间，利用相变储能原理，实现电池运行时的温度保持在适宜的温度范围。

　　复合板的结构示意图

　　保温隔热阻燃材料布置

　　电池包内使用的保温隔热材料除了导热系数低之外，还需具备阻燃、绝缘、柔软杠高温和质量轻等特点。

　　德耐隆改性耐火保温隔热毡复合材料作为电池包的保温层，其形状可根据实际需求进行裁剪加工，由于电池包内模组表面形状不规整，周边布置有高压铜排和低压线束，因此将保温隔热层仿形粘贴在下箱体和上壳体内壁。

　　新能源汽车的电池包在低温工况下的加入保温隔热层设计，采用德耐隆改性耐火保温隔热毡复合材料作为电池包内的保温材料，通过温度试验测试，在-25℃的低温工况下，装有保温层的电池包在降温速度上明显比没有使用保温材料的要相对减小，对于这个保温隔热设计方法在电池包内具有较强的适用性， 能够提高动力电池在低温环境地区的使用性能。

　　德耐隆Telite®产品由二氧化硅及陶瓷纤维毡复合制备而成，产品内部具有纳米级空隙可以减慢热传导，同时通过阻挡三种热传导方式（对流，传导和辐射）来完成耐热保温。由于其导热系数低（不高于0.02W/m.k），穿选材料的热量不断弱化，材料低吸热性能保持低热量幅射输出水平，从而确保降低热量损耗（或侵入）。

　　外部升温导致锂离子电池内部温度不稳定，进一步提升内部短路并损坏附近任何组件的风险。这仅发生在无内部支撑的锂离子电池身上。而内部有铜质支撑物的锂离子电池，加热超过250度，导致电池核心崩溃，进而让铜质支撑物融化，内部温度超过1000摄氏度，热量迅速向外扩散，从而造成热失控。

　　所以适当使用隔热阻燃材料的应用有助于提高电池内部的热稳定性。

　　主要研究内容及创新点

　　电动汽车日渐代替燃油汽车成为城市交通的主力军，电动汽车动力电池的热管理是目前的研究热点。因此，制备了适用于电动汽车动力电池热管理的定形相变材料并研究其性能，分析了制备的定形相变材料在电动汽车动力电池热管理方面的可行性。

　　不同相变材料其储热属性也不尽相同。复合定形相变材料形状稳定、不易泄漏、热稳定好等特点，可将其应用于电动汽车动力电池热管理系统。因此，需要根据动力电池的温度要求筛选合适的相变材料作为芯材，以及合适的载体材料。我们以有机相变材料为芯材无机多孔材料为载体制备定形相变材料。

　　在制备出能够适用于电动汽车动力电池热管理的新型碳基定形相变材料。有机相变材料在实际应用中常会发生泄漏问题，因此开发了新型介孔碳材料制备定形相变材料；提出了提高碳基定形相变材料导热率的新思路，即为向碳基材料中引入金属微球；制备出了两种新型碳基定形相变材料，对其应用于动力电池的具体效果进行了分析。具体创新点如下：

　　(1)为了解决有机相变材料易泄露的这一缺陷，设想开发了一种新型的介孔碳材料作为有机相变材料的载体制备复合定形相变材料。该复合定形相变材料的制备过程简单、环保。

　　(2)为了提高复合定形相变材料的导热系数，以热解聚多巴胺得到的介孔碳微球为吸附剂吸附铜离子，并将铜离子原位还原为铜微球制备介孔碳/铜微球杂化颗粒，进而以其为载体，制备复合定形相变材料。

　　(3)为了避免动力电池工作时温度过高导致的使用寿命缩减问题，我们结合前人的研究，制备出了新型复合定形相变材料，并对复合相变材料的物理化学性质、热性质进行了一系列的表征。

　　最后，分析了该新型复合定形相变材料应用于电池热管理的可行性。