解析動力電池被動熱管理用相變材料-請君收藏

　　在動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，空冷、液冷和相變材料是較為常用的三種冷卻方式。其中前兩種是主動熱管理，第三種是被動熱管理。

　　相變材料做為被動式熱管理方式用于動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是一個新興的發(fā)展方向，與傳統(tǒng)空冷、液冷等方式相比，具有高效、節(jié)能、溫度波動小、防止熱失效等優(yōu)點。

　　相變材料在動力電池中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)形式

　　相變材料在電池包中的應(yīng)用主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：

　?。?）電池單元直接置于相變材料中的包裹式形式，如圖1和圖2所示；

　　（2）相變材料將電池單元夾在中間形成三明治夾層結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。

　　圖1相變材料包裹電池式結(jié)構(gòu)

　　圖2相變材料包裹物及電池

　　圖3相變材料與電池三明治夾心結(jié)構(gòu)

　　以上相變材料在電池包中的三種結(jié)構(gòu)形式，其中第一種結(jié)構(gòu)雖然換熱效率高，比較適合各種柱狀和其它異形電池使用，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對制造工藝要求較高。第二種結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、易操作，比較適合板狀和塊狀形式的各種電池。

　　動力電池中復(fù)合相變材料類型

　　動力電池中復(fù)合相變材料的設(shè)計和制造主要考慮以下幾方面因素：

　?。?）適宜的相變溫度和較大潛熱；

　?。?）其他熱物理性能：導(dǎo)熱系數(shù)高、熱容大、密度高、體積變化率低、無相分離、低過冷度；

　?。?）化學(xué)性質(zhì)：無腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好、與容器相容、無毒、無易燃、無污染；

　?。?）經(jīng)濟(jì)性要求：低成本、容易獲得、可循環(huán)使用。

　　對于相變材料的研究已經(jīng)相對比較成熟，但大多數(shù)固液相變材料，尤其是中低溫相變材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，這直接使得相變材料在動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)應(yīng)用中存在的最大問題是導(dǎo)熱系數(shù)偏低（0.2W/mK左右），而在電池?zé)釤峁芾硐到y(tǒng)中則需要較快的吸收和放出熱量，否則只有部分導(dǎo)熱相變材料發(fā)生相變吸收或放出熱量，將導(dǎo)致相變材料在熱管理系統(tǒng)中的作用下降，在高溫或大電流等極端條件下同樣會發(fā)生電池?zé)崾Э囟斐砂踩珕栴}。

　　如何克服上述缺點，改善導(dǎo)熱能力成為近年來國內(nèi)外在動力電池用相變材料中的一個研究熱點，研究方向主要集中在采用多孔泡沫金屬和泡沫碳作為導(dǎo)熱增強(qiáng)介質(zhì)，相變材料被分散成小顆粒儲藏在泡沫介質(zhì)孔隙中，泡沫介質(zhì)骨架起到強(qiáng)化傳熱作用，由此來顯著提高整體復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，同時相變材料中的空穴也因為毛細(xì)作用分散在孔隙中，避免了因空穴集中而產(chǎn)生的局部熱阻和熱應(yīng)力。

　　泡沫金屬復(fù)合相變材料

　　泡沫金屬是指含有泡沫氣孔的特種金屬材料。圖4的掃描電鏡照片顯示了典型泡沫金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)，可以看到相互連通的孔隙部分占到了泡沫金屬材料的絕大部分空間，其間的金屬基體材料呈立體骨架結(jié)構(gòu)。不同孔隙單元的結(jié)構(gòu)并不完全相同，但是從較大范圍來看則具有相似特性，這說明泡沫金屬材料微觀結(jié)構(gòu)的均勻性和各向同性使得其導(dǎo)熱過程的各向同性。

　　圖4泡沫金屬材料掃描電鏡照片

　　已實用并具有較大導(dǎo)熱系數(shù)的泡沫金屬主要有泡沫鎳、泡沫鋁和泡沫銅，如圖5所示。

　　圖5各種泡沫金屬

　　泡沫碳復(fù)合相變材料

　　泡沫碳是碳元素的同素異形體之一，如圖6所示，泡沫碳材料內(nèi)部是中空的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其中70％～90%為開口或相通的蜂窩狀孔洞，微孔的平均直徑為200~500um，固體結(jié)構(gòu)由相互交錯的韌帶支撐而成。如圖7所示，泡沫碳的幾何結(jié)構(gòu)使其密度大幅度降低，比表面積極具增大，是一種具有低密度、高導(dǎo)熱（導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)200W/mK）、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點的新型材料。

　　圖6泡沫碳材料掃描電鏡照片

　　由此可見泡沫碳材料具有高的導(dǎo)熱系數(shù)和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，泡沫碳材料在石墨基材料中導(dǎo)熱系數(shù)最高，并與相變材料具有良好的相容性，因此常用于相變材料的強(qiáng)化傳熱。相變材料滲入泡沫碳所構(gòu)成的復(fù)合相變材料，其相變速率可大大提高，所以具有非常好的應(yīng)用前景，已成為國內(nèi)外研究的熱點。

　　圖7泡沫碳

　　另外，泡沫碳是一種在石墨基體中均勻分布大量連通孔洞的新型高導(dǎo)熱材料，相比于常見的膨脹石墨，泡沫碳有孔密度大、通孔率高、能夠維持自身形狀結(jié)構(gòu)等特點，其導(dǎo)熱系數(shù)要大于泡沫銅很多倍。與泡沫金屬另外一個重要不同之處是因為泡沫碳材料內(nèi)部氣孔分布的不均勻性和孔徑差異造成泡沫碳材料具有明顯的各向異性，由此會造成泡沫碳復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能也具有明顯的各向異性特征。

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