碳酸钙包覆石蜡基相变微胶囊的调温及强化传热研究

在能源和环境危机的双重压力下,随着新能源汽车的大力发展,动力电池热管理已成为一个亟待解决的关键问题。相变储能材料因其相变过程中具有巨大的相变潜热和恒温特性,能在电池温度过高时吸收热量,温度过低时放出热量,将电池温度控制在最佳范围内,成为一种高效、环保、低成本且具应用前景的电池热管理方式。目前相变材料由于固-液相变时发生泄漏和热导率低等问题,极大程度地限制其实际应用。因此,相变材料的封装和强化传热对于电池热管理系统至关重要。本文拟研发适用于电池热管理的相变材料,旨在提高其热稳定性、温度调节和导热性能,并研究其调温和强化传热机理。1.本文制备了碳酸钙包覆RT42石蜡微胶囊相变储能材料并分析其热物性能。结果显示,通过无机壁材碳酸钙的引入,能有效提高相变微胶囊的热稳定性及热导率。所制备的相变微胶囊为1~6μm纺锤形粒子,具有光滑致密的表面结构,相变温度约48°C时的熔化焓高达143.6 J/g,其热导率相比芯材RT42石蜡可有效提高到2.06~2.92倍,对于相变材料辅助式电池热管理系统具有一定的应用潜力。2.制备了碳酸钙包覆RT42-RT28石蜡微胶囊相变材料并分析其热物性能。结果显示,采用适量的复合乳化剂Span-80/Tween-80,能使RT42-RT28石蜡被碳酸钙成功包覆。所制备的相变微胶囊表面光滑紧凑,具有良好的热稳定性和控温特性。通过调整双核芯材RT42和RT28石蜡的质量比,使得其相变温度可在20~48°C范围内调节,热导率相应提高到2.25~2.54倍,400°C时其质量损失约为5~28%,能有效拓宽相变温度范围,有利于动力电池热管理的低温启动和高温散热。3.通过向RT42@CaCO_3相变微胶囊中分别添加高导热鳞片石墨、膨胀石墨和石墨纳米片,制备了新型微胶囊基复合相变材料。由于其特殊的双层结构具有更好的密封性和热循环稳定性。实验对比分析了石墨填料的形态和尺寸对复合材料热导率的影响规律。探究了热导率的影响因素以及导热网络的形成条件。结果显示,当鳞片石墨、膨胀石墨和纳米石墨片的加载量分别为20wt%,20wt%和5wt%时,对应复合相变材料中能初步形成导热网络。当石墨填料加载量均为20wt%时其热导率相比纯石蜡相应显著提高到4.31倍,20.23倍和69.95倍,展现出优异的强化传热效果,能有效降低动力电池的热失控风险。4.建立了微胶囊/膨胀石墨复合相变材料的有效热导率模型。基于有效介质理论,选用Agari-Uno有效热导率模型并修正其孔隙率的影响。使该模型的计算值与实验值吻合良好且平均误差为9.6%。此外,模型的计算值与实验的测量值均在膨胀石墨含量为24wt%时产生导热系数的最大增长率,符合实验现象的变化规律。因此,该有效热导率的修正模型形式简单,准确率高,可节省实验时间和花费成本,适合于三元微胶囊基复合材料有效热导率的计算和预测。