导热增强相变复合材料用于锂离子电池散热研究

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环境污染和能源短缺是21世纪人类面临的重要挑战,新能源电动汽车由于运行过程清洁无污染,因而得到广泛推广。作为电动汽车的关键部分,电池技术的发展也是日新月异。锂离子电池(LIBs)凭借自身能量密度高、库伦效率高、环境友好等性能优势受到电动汽车的青睐,随着高能量密度锂离子电池和快速充电技术的发展,电动汽车能够实现更长的续航里程和更短的充电时间,但同时也面临着因散热效率低而带来的电池寿命缩短以及安全问题的挑战。因此,发展廉价高效的电池热管理(BTMS)策略从而将电池温度控制在安全范围(15.0℃~40.0℃)内具有重要的研究价值。其中,基于具有高潜热相变材料(PCM)的热管理系统具有可观的应用前景,而解决PCM导热性差和潜在的泄漏问题是实现其出色散热性能的关键。为了提高PCM的导热性能并抑制其泄露,本文通过经济、环保的冰模板法建立了有序且相互连接的六方氮化硼(h-BN)导热网络,并将其引入石蜡(PW)以增强相变材料的导热性。比较并探究了 h-BN质量分数对材料形貌及性能的影响,其中,具有质量分数为20%h-BN有序导热网络的h-BN/PW相变复合材料表现出高导热系数(1.86Wm-1 K-1),是原始PW导热系数的近8倍。最佳导热性能的h-BN/PW复合材料表现出优异的抗泄露性能以及对LIBs超快的散热效果,在60.0℃环境下120分钟后的质量变化仅为11%,有效传递了 LIBs在工作过程中产生的热量,在2C~5C连续充放电的工况下,实现了电池表面温度最高降低6.9℃的效果,展现了在电池热管理应用中的巨大潜力。此外,根据18650电池的产热机理以及散热特性,设计了具有放射型结构的片层氧化铝(p-Al2O3)导热网络,浸渍PW的p-Al2O3/PW相变复合材料在径向的导热系数达到1.43 W m-1 K-1。有效降低了在大倍率充放电过程中的电池表面温度并提升电池容量保持率,200次充放电循环后,包裹p-Al2O3/PW的电池容量保持率为88.4%。电池寿命缩减仿真计算的结果表明,p-Al2O3/PW-20对电池的冷却效果可以将电池的寿命延长53.8%。
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