随着工业技术和交通行业的不断发展,环境污染问题日益严重,尤其是近几年我国大面积、长时间雾霾的出现,严重地侵蚀着人们的身心健康。电动汽车具有低能耗和零排放双重优势,大力发展电动汽车能缓解对传统能源的依赖和减轻内燃机汽车尾气带来的环境污染。电动汽车的关键技术在于动力电池,而动力电池的性能又受温度影响明显,温度过高或过低都影响其性能的发挥,甚至引起热失控、电池内部短路等安全问题。为了提升动力电池的使用性能和热安全性,延长其循环寿命,本文制备了高导热的复合定形相变材料膨胀石墨(expanded graphite,EG)/石蜡(paraffin wax,PW),并把它用于动力锂电池热管理。主要研究内容与结论如下:1、以50目、80目、100目和200目的石墨粉为原料制备了EG,再用熔融共混法制备了一系列不同质量分数的EG/PW复合相变材料。研究了EG与PW之间的结合特性、EG/PW复合材料的导热系数、相变行为。结果表明:(1)80目石墨粉制备的EG吸附PW的质量比高达92.7%,EG与PW之间未发生化学反应,只是简单的物理结合。(2)EG/PW复合相变材料板的导热系数随EG含量的增大而增大,当EG含量≥9 wt.%时,其轴向导热系数(与挤压方向平行)小于径向导热系数(与挤压方向垂直);EG含量为20 wt.%时,轴向导热系数和径向导热系数分别为7.22 W/m K和10.10 W/m K。(3)与纯PW相比,EG/PW复合材料的过冷度降低,相变潜热略低于理论计算值。2、分别制备了纳米Cu粉和石墨烯掺杂的EG/PW复合相变材料,研究了不同含量的纳米Cu粉和石墨烯对EG/PW复合相变材料的导热增强作用,采用分形方法和热电类比技术构建了纳米掺杂的EG/PW复合材料的有效导热系数模型。结果表明:(1)EG/PW复合材料的导热系数随纳米Cu含量的增加而几乎保持不变,但随石墨烯的含量增加而增加。(2)基于分形方法和热-电类比技术构建的复合材料有效导热系数模型能较好地预测Cu纳米粒子掺杂的EG/PW复合材料的导热系数,但与石墨烯掺杂的EG/PW复合材料的导热系数实验值出现了一定程度的偏差。3、分析了锂离子电池的产热机理和相变材料相变传热模型,计算了26650磷酸铁锂电池的等效导热系数、比热容和密度等物性参数。采用实验和数值模拟相结合的方法,研究了不同质量分数和不同用量的EG/PW复合材料的热量传递规律和控温效果;实验测试了EG/PW块体受热熔化后的泄漏率。结果表明:(1)EG/PW复合相变材料有效抑制了电池温度的过快上升,EG/PW相变时,电池表面升温速率随EG含量的增加而减小,EG含量≥12 wt.%时,升温速率趋近于0。(2)EG/PW块体受热熔化后的液相泄漏率随EG的质量分数的增加而减小;EG含量为30 wt.%时,PW的泄漏率仅为0.38 wt.%。(3)EG质量分数为16~20%的EG/PW复合相变材料可选作26650磷酸铁锂电池的热管理材料。4、针对圆柱形电池,首次提出了基于复合相变材料热管理的具有管壳式结构的电池模块,通过实验和数值模拟相结合的方法研究了管壳式电池模块的控温效果,揭示了其内部热量传递和分布规律,并评价了复合相变材料在后续冷却过程中的散热效率。结果表明:(1)采用EG/PW复合相变材料热管理,管壳式电池模块中的电池表面最高温度被控制在相变材料的相变温度范围之内,各电池单体表面最大温差约为1℃。(2)环境温度T0=28℃和37℃时,采用自然空气对流冷却,复合相变材料完全凝固所花的时间分别约为60 min和197 min;采用强制风冷,所需的时间分别约为18 min和80 min。(3)数值结果表明管壳式电池模块中的空气流体以“Z字形”绕着管束反复绕流,呈错流传热,提高了散热效果,使得高温区域大幅度减小,但折流板后方仍存在一些高温热区。(4)与美国All Cell公司电池模块相比较,数值模拟结果表明管壳式电池模块具有更高的散热效率。5、制备了铝蜂窝增强的EG/PW复合相变材料板;研究了方形动力电池的产热特性和铝蜂窝增强的EG/PW复合相变材料的控温效果;采用数值模拟方法研究相变材料的导热系数和相变温度对电池控温效果的影响;分析了电池在后续冷却过程中采用液冷的散热效率,指出了相变材料和液冷耦合散热的优势。结果表明:(1)加入铝蜂窝,提高了EG/PW复合材料的导热系数和抗压强度。(2)方形磷酸铁锂电池产热不均匀,正负极附近的温度最高,铝蜂窝增强的EG/PW复合材料能把电池表面最大温差控制在3℃以内。(3)电池表面温度和最大温差随复合相变材料的导热系数的增大而减小,但减小幅度逐渐下降,复合相变材料的导热系数设置3 W/m K左右较为合适。(4)在电池模块后续冷却过程中,采用液冷散热,能使相变材料在较短的时间发生凝固。