浙江大学陆盈盈教授团队GEE：h-BN/PW导热复合材料实现电池快速散热

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背景介绍

电动汽车的发展受到电池技术的影响。随着高能密度锂离子电池和快速充电技术的发展，电动汽车可以实现更长的续航里程和更短的充电时间，但也面临着由于散热效率低而导致的电池寿命缩短和安全问题的挑战。因此，非常需要应用廉价但高效的电池热管理策略，以保持电池温度在安全范围内。相变材料（PCM）通过吸收或者释放潜热，在热管理系统中具有可观的应用前景。然而，PCM在实际商业化的应用中仍然面临着本征导热性差以及潜在的泄露等挑战。为解决以上问题，研究人员在PCM中加入具有更高导热系数的填料以增强PCM的导热性能，但常规简单地将填料与PCM混合可能会出现填料聚集、重叠的情况，这不利于单位填料散热性能的发挥，并且会增加成本。因此，构建相互连接的导热网络很有必要。鉴于此，陆盈盈教授团队通过制备有序且相互连接的六方氮化硼（h-BN）纳米片导热网络，并填充到石蜡（PW）以实现锂离子电池高效散热。

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图文简介

图1. h-BN导热网络填充PW合成示意图及相应的数字图像。

图1为相变复合材料的合成过程，在温度梯度的诱导下，h-BN片受到单方向生长冰晶的挤压有序连接，经进一步冷冻干燥使冰升华，获得具了有结构稳定且不塌陷的h-BN网络，再通过浸渍将其与石蜡（PW）混合，获得h-BN/PW相变复合材料B-BN-X（X为h-BN的负载量），随机混合而成的h-BN/PW相变复合材料记为R-BN-X（X为h-BN的负载量）。

图2. h-BN 气凝胶和 h-BN/PW 复合材料的形貌。(a-c) 10 wt%、(d-f) 20 wt% 和 (g-i) 30 wt% h-BN 负载量的 h-BN 气凝胶的俯视示意图和 SEM 图像。(j-k) 具有 20 wt% h-BN 的 h-BN 气凝胶的侧视图示意图和 SEM 图像。(l) h-BN/PW 复合材料的 SEM 图像，白色圆圈表示 h-BN 的存在，白色方框表示 PW。

图2显示了B-BN-X复合材料的结构形貌，h-BN片形成了连续的传热路径（图2j和k），并且h-BN和PW之间未出现不混溶的现象（图2l）。h-BN气凝胶的形态随着h-BN的负载量的增大而有很大变化，与负载了20 wt% h-BN的气凝胶（图2d-f）相比，10 wt% h-BN含量的气凝胶层间距离较窄（图2a-c），当h-BN的负载量增加到30 wt%时，平行层结构变为蜂窝状结构（图2g-i）。

图3. B-BN-20 和对照样品的结构和热传导相关特性。不同样品的(a) XRD、(b) DSC、(c) TG和(d) FTIR曲线。(e) 材料的热导率。(f) Pure-PW、B-BN-20和R-BN-20在35.0 °C恒温热台30 min的整体温度变化（插图为对应的红外图像，从左到右：Pure-PW， B-BN-20 和 R-BN-20)。(g) B-BN-20和(h) R-BN-20的内部结构和热传导机理示意图。

图3展现了相变复合材料的热性能。h-BN与PW复合良好（图3a-d），B-BN-X表现出不同方向的导热增强，在平行冰晶的方向有了更大的提升（图3e）。R-BN-20中随机分散的h-BN片无法相互连接，不利于形成有效的导热网络，并且会导致PW内部的传热变的混乱（图3h）, 而B-BN-20中连续连接的h-BN热传导网络（图3g）降低了填料与PW之间界面的热阻。热传递的测试结果也展现了B-BN-20内部传热效率的提升（图3f）。

图4. B-BN-20和对照样品的防止泄漏试验。样品在60.0 °C烘箱中（a）0 min（b）10 min、（c）20 min、（d）120 min时的形态图像（从左至右分别为pure-PW、R-BN-20、B-BN-20)；（e, f）60 °C环境下B-BN-20的形态变化（f1,2,3为泄漏试验后B-BN-20的图像）；（g）XRD和（h）TG的泄漏和保留B-BN-20。（i）B-BN-20泄漏试验后的质量变化。

图4展现的防泄漏测试结果表明，B-BN-20中h-BN导热网络的多孔结构所具有的毛细力和表面吸附力可以有效抑制PW的泄漏，具有可靠的结构稳定性。

图5. B-BN-20和R-BN-20的电池散热性能表征。（a）用B-BN-20包裹的电池和控制材料在室温1 C-6 C恒电流充放电速率下的表面温度；（b）B-BN-20包裹的电池的累积温度变化和（c）对应的红外图像（从左到右：裸电池、Pure-PW包裹、R-BN-20包裹和B-BN-20包裹电池）；（d）用B-BN-20包裹的电池与对照材料在2-5 °C连续恒电流充放电过程中的温度差异。

图5显示了相变复合材料在电池散热中的作用。包裹了R-BN-20和B-BN-20的电池的表面温度在相同的充放电速率下逐渐降低。B-BN-20依靠更有效的传导网络传递电池表面的热量，比R-BN-20具有更强的散热能力，包裹B-BN-20的电池在6 C放电结束时电池表面的最高温度为37.7 °C（图5a）。2 C-5 C连续充放电过程后， B-BN-20包裹的电池表面温度温度与处于空气中的电池表面温度温差为6.9 °C（图5b-d）。

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结论与展望

电池热管理对于电动汽车的发展至关重要，基于相变散热系统的研究中，导热网络的结构调控和应用有很大的拓展空间。本文设计了具有有序且相互连接的h-BN三维网络，并系统地研究了h-BN取向结构对动力电池热管理性能的影响，聚焦于氮化硼微观到宏观尺度的排列，实现了复合材料导热性能的提升，这对于二维材料的三维构筑、热管理材料的设计、动力电池安全性等领域都具有重要的借鉴意义。

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文章信息

相关工作以“Ultrafast battery heat dissipation enabled by highly ordered and interconnected hexagonal boron nitride thermal conductive composites”为题发表在Green Energy & Environment期刊，共同第一作者为研究生王卓雅和张凯航，通讯作者为陆盈盈教授。扫码获取全文

https://doi.org/10.1016/j.gee.2022.02.007

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通讯作者简介

陆盈盈

陆盈盈，浙江大学化学工程联合国家重点实验室教授。1988年11月出生，2010年本科毕业于浙江大学化学工程与生物工程学系化学工程与工艺专业。美国康奈尔大学博士毕业，博士毕业后在康奈尔大学和斯坦福大学从事能源材料领域博士后研究工作。2015年入选国家海外人才引进计划（青年项目），于2015年8月全职回浙江大学工作。研究领域为电解质材料产品工程、多功能离子液体、无机有机纳米结构杂化物、锂电池等能源化工材料、高能量大功率储能器件、电化学还原二氧化碳。独立工作以来，发表SCI论文40余篇，引用6300余次，H因子为36。其中以第一/通讯作者在Nat. Mater. 、Sci. Adv.、Nat. Commun. 等期刊上发表论文32篇，4篇为ESI高被引论文。主持国家自然科学基金委优秀青年基金、面上项目2项、国家重点研发计划1项（青年首席）；入选中组部“万人计划”领军人才、国家科技部中青年领军人才计划。担任中国化工学会储能工程专委会副秘书长、Wiley旗下Nano Select期刊副主编、《过程工程学报》及Green Energy & Environment期刊编委；组织建设了“浙江省电化学能源储存工程创新团队”、浙江大学储能工程研究中心。已授权国内外专利8项，与上海汽车集团、浙江浙能技术研究院、浙江蓝德能源科技等企业开展研发合作。获《麻省理工科技评论》中国区35岁以下科技创新35人、香港求是基金会“求是”杰出青年学者奖、“侯德榜”化工科学技术青年奖，并当选第十三届中华全国青年联合会委员。

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