张正国团队MTE封面：可加热可冷却的电池相变恒温外套

第一作者：罗明昀

通讯作者：张正国，凌子夜

通讯单位：华南理工大学

【研究背景】：

近年来锂离子电池在新能源汽车中得到了大规模应用，然而锂电池对温度极为敏感，过热、过冷都会造成电池性能与安全性下降。由于电动车的工作环境复杂，温度跨度非常大，设计高效的热管理系统，低温环境下加热电池、高温环境下冷却电池，从而控制电池在20~55℃范围内、电池间温差小于5℃，对提高电源系统的可靠性至关重要。

目前电池热管理系统研究主要集中在电池冷却，电池加热方面研究较少，而集成加热-冷却的热管理系统更是鲜有报道。如何将高性能的散热结构与加热结构有效集成于电池热管理系统，存在较大的困难——原因在于散热系统结构要求加快热扩散、但加热结构需要阻止热扩散，二者对热的处理方式存在矛盾。而且，加热、冷却结构相互独立，简单的集成会增加系统的复杂性。因此，开发同时具有加热、冷却功能的热管理结构具有创新意义。

基于相变材料的被动式热管理系统近些年来在电池冷却方面得到了大量的关注，利用相变材料在固-液相变过程中吸收电池产生的大量热并保持恒温特性，能够达到冷却电池的目的。然而，相变材料不具备加热功能，无法提升电池在低温环境下的性能。如果能赋予相变材料加热的特性，结合其高效的冷却性能，就可以通过一种材料实现加热、冷却两种功能，实现电池在宽温域内热管理。

相变材料外套：集成快速加热与冷却功能的热管理材料

【拟解决的关键问题】

1.如何赋予相变材料加热功能，使之同时兼具加热、冷却功能；

2.如何调控相变材料对电池加热、冷却特性。

【研究思路剖析】

1.将传统的固-液相变材料石蜡与膨胀石墨（EG）复合得到形状稳定的导电复合相变材料（cPCM）。低温环境下，利用该cPCM的高效的电热转换特性可实现低温下电池组的快速预热；高温环境下，利用材料相变时吸收大量的热量可有效降低电池的温度，对电池组起到冷却作用。

2.探究cPCM的热物性、电物性调控规律，构建导电复合相变材料热管理过程的数值传热模型，分析电池热管理内部的温度分布及热量传递规律，理论指导热管理材料、系统结构的设计与优化。

原理示意图：导电相变材料的加热-冷却一体化热管理解决方案原理示意图

【图文简介】

图1. (a)不同EG含量的cPCM的DSC曲线、(b)不同密度和(c)不同配比下cPCM的电阻率调控规律、(d)EG和(e)cPCM的SEM图像、(f)cPCM压块后的图片

要点1. 复合相变材料的热物性、电物性调控规律

石蜡吸附于EG的孔隙中，形成形态稳定的导电复合相变材料，同时EG的三维结构提供了电子通路，增强了材料的热导率，降低了材料的电阻率。与20wt%~ 70wt%EG复合后，复合材料的热导率可由0.2 W m^-1 K^-1增加至2.77 ~19.27 W m^-1 K^-1。EG最高可将相变材料热导率提升96倍。

EG同时能大幅降低相变材料的电阻率，使原本不导电的石蜡具有了导电性能。而且复合材料的电阻率与石蜡含量无关，仅与EG的压实密度有关。随着EG压实密度从90 kg m^-3增加至240 kg m^-3，复合材料中形成更密集的EG通路，从而使得cPCM的电阻率从0.28 Ω•mm降低至0.1 Ω•mm。

图2. 外加3.4V直流电压加热时电池组的温度变化和温差变化

要点2. 导电相变材料的电加热特性

导电相变材料施加小电压即可实现电池快速、均匀的加热。该cPCM在3.4V的外加电压下，将电池模组从-25℃加热至35℃仅需280s，加热速率达13.4℃/min，并且电池模组的最大温差仅3.3℃。

图3 电池模组在cPCM包裹中(a、c)和在空气中(b、d)以3C放电时的温度云图(在100s和1190s时)；(e)电池模块预热过程中电流分布云图；(f)电池模块在cPCM和空气中以3 C倍率放电时的温度变化曲线

要点3. 导电相变材料热管理模型及系统结构设计优化

构建了耦合了导电相变材料的焦耳热与相变储热的电池热管理系统数值传热模型，模型对电池温度仿真结果误差小于5.5%。利用模型分析发现电池模组在-10℃低温下以3C倍率放电时，cPCM包裹的电池可在100s内预热至20℃，而处于空气中的电池组温度仍低于5℃。同时，由于cPCM的显热以及相变潜热可以吸收电池放电时产生的热量，从而减缓了电池模组的温度升高，将电池模组的温度有效的控制在50℃以下；然而，即使在低温环境下，由于电池大倍率放电产生的大量热量，处于空气中的电池模组的最高温度超过了70℃。在该cPCM的作用下，锂离子电池模组的工作温度在整个放电过程中可以保持在20-50℃范围内，保证了电池处于最佳的工作状态。利用该模型可对电池温度的变化规律进行直观地观察，从而对复合材料的组成以及热管理系统结构进行优化。

图4 7s8p电池组的相变材料热管理系统结构示意图 (a)与其在低温环境下加热性能（b）和高温环境下的冷却性能（c）

要点4 导电相变材料热管理系统在真实电池模组中的应用

利用模型为应用于某飞行器的电源系统设计了相变材料热管理系统并测试了其温控特性。该电源由56个18650电池构成，运行环境为-40~+50 ℃。在-40 ℃环境下，给相变材料施加20 V外加电场，电池平均升温速率可达12.9 ℃/min，最大温差仅3.9℃。在50℃环境下，电池放电过程中，相变材料可将电池温度控制在54 ℃以内，温差小于0.8 ℃。该测试结果表明，导电相变材料热管理可拓展至真实电池模组的热管理，并且具有良好的加热、冷却性能。

表1 近年来的电池热管理系统研究归纳

【意义分析】

1.通过对比近年来电池热管理文献发现，本文率先提出了一种利用导电复合相变材料通电加热与相变储热过程的新型电池热管理结构，利用一种材料实现了快速均匀加热和冷却两种功能的集成，有望解决电池在宽温域内工作的温控难题。

2.本文探索了导电复合相变材料热物性与电物性的调控规律，制备了高热导率（19.26 W m^-1 K^-1）、低电阻率（0.1 Ω•mm）的复合相变材料。并建立了导电复合相变材料热管理数值传热模型，模型平均计算误差<5.5%，为热管理系统设计优化提供了理论指导。

3.导电相变材料通电加热提供了一种新型的小电压快速均匀加热方法，在3.4V的低电压下电池加热速率可达13.4℃/min，并且电池组的最大温差仅为3.3℃。

4.成功为一个由56个电池构成的模组设计了相变材料热管理系统，当环境温度在-40~50℃的极端条件下波动时，相变材料都能将电池温度保持在25~55℃范围内，而且电池温差小于3.9℃，证明了该系统具备向实用化拓展的能力。

Luo M, Song J, Ling Z, Zhang Z, Fang X.Phase Change Material (PCM) coat for battery thermal management with integrated rapid heating and cooling functions from -40 °C to 50 °C. Materials Today Energy. 2021: 100652. 

作者简介：

张正国教授，中国化工学会储能专委会副主任委员，领导团队长期从事相变储热材料与技术研究，Google Scholar引用次数8070，H因子44。

凌子夜副研究员，主要研究方向新型复合相变材料及电池热管理系统，Google Scholar引用次数1507，H因子16。

期刊介绍：