基于相变材料的电池热管理性能研究

环境污染和能源危机是当前全世界范围内的紧迫主题。在各类新能源技术里,锂离子电池以其众多的优势受到了研究者和制造厂商的广泛关注,得到了重大发展。作为一种复杂的电化学系统,锂离子电池涵盖传热传质以及各种电化学反应动力学等物理化学过程。随着电池能量密度上升和应用场合的拓展,由热量引起的性能衰退和安全性问题日益突出。依据电池表现出来的温度特性,设计一种有效的热管理系统显得尤为必要。本文针对锂离子电池的热相关问题,主要研究内容和结论如下:一、首先研究了不同环境温度对电池外特性如内阻、容量、功率的影响规律,发现锂离子电池性能表现出较强的温度依赖性,合适的温度区间可以最大限度的发挥电池性能。随着温度升高,离子移动速率加快,放电能力小幅提高;而在低温下,动力学条件变差,性能显著下降。接着采用原位-非破坏和拆解-分析相结合的方法研究了高低温环境下锂离子电池性能衰减机理,并在低温环境下重点研究了放电倍率对电池可逆容量的影响,发现了与其它温度区间不同的衰减特性,即低倍率下衰减加快。二、针对相变材料热管理领域的共性问题,提出并制备了一种具有高导热、定型化、热致柔性的复合相变材料。该复合材料由高潜热石蜡(PA)、烯烃嵌段共聚物(OBC)、膨胀石墨(EG)构成。分析发现复合材料的组分之间具有良好的物理化学相容性,并在测试温度范围展现了优异的热稳定性和定型能力。通过将OBC/PA二元材料处理为具有等效热物性的一元材料,建立了复合材料的导热预测模型,并用实验数据验证了其可行性。通过触发PA相变可以获得良好的柔韧性,从而得到弯曲和压缩等多种形变模式,有利于降低接触热阻,易于集成到目标器件。此外,对该材料的传热特性进行了实验研究,发现加热和冷却过程主要受三个因素的影响,即热传导,自然对流和潜热吸收。三、利用复合相变材料的热致柔性特性,设计了具有过盈配合的相变材料热管理系统原型,该系统集成方便,且不需要热界面材料。基于稳态法探讨了电池-相变材料界面接触热阻特性,结果表明界面接触热阻受材料相变行为的影响,随着加热功率的增加而降低。在此基础上,研究了所设计的热管理系统在常温下的散热性能和低温下的保温性能。与空气介质技术相比,该系统在2.5C倍率放电时的最高温度可以从72.2℃降低至43.4℃,并且从45℃至-5℃的保温时间可以延长130%。四、针对方形电池内部固有的层叠结构,在单体电池层面,建立了具有各向异性导热的三维电池热模型,并结合电池产热特点及温度特性实验,对模型进行了验证。在此基础上,构建了基于相变材料的电池热管理三维模型,对采用不同定型相变材料结构的方式进行了优化,发现增大相变材料和电池接触面积有利于延缓电池温度升高和降低内部温差。对于四面结合方式,相变材料厚度和表面换热系数存在临界值,大于或小于这个值时的电池内部温度分布趋势明显不同。五、针对电池热性能和安全问题,在电池模组层面,建立了基于PA/EG的电池模组二维模型。利用导热预测模型考察了不同压缩密度和PA/EG配比下的热管理性能,结果表明应在尽量提高复合材料压缩密度的基础上,综合考虑导热填料含量变化带来的热导率和相变焓对热管理性能贡献的竞争关系,且PA/EG存在最佳的配比范围。对于电池模组在极端工况的情况,进一步提出采用石墨膜(PGS)作为二级导热网络来提升模组性能。结果表明PGS的引入不仅能够显著降低最高温度和温差,也有助于降低能耗。此外,与隔热原理不同,PGS网络可以快速将热量传导至远离热失控电池端的相变材料,在减少71.4%相变材料用量的情况下便可以阻断热失控在模组内的传播。