相變材料（Phase Change Material, PCM）是一類能夠通過物態(tài)轉(zhuǎn)變吸收或釋放大量熱量的功能材料（具體可看下方視頻）。它們在固-液或液-氣相變過程中具有顯著的潛熱效應，能夠?qū)崿F(xiàn)熱量的存儲與釋放，因而在熱管理領域表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。基于其優(yōu)異的儲能與控溫性能，相變材料在建筑蓄熱、太陽能熱利用、電子設備散熱等多個領域得到了廣泛關注。

相變材料隨溫度變化而改變形態(tài)

然而，傳統(tǒng)相變材料由于熱導率偏低，常導致熱量傳遞效率受限，從而影響其在高性能場景中的實際應用。為了突破這一瓶頸，提高相變材料的熱導率已成為研究和應用中的重要方向之一。

為什么要提高相變材料熱導率？

以鋰電池為例，作為近年來最突出的新能源技術(shù)之一，鋰電池憑借高能量密度、大容量和長壽命等優(yōu)勢，在新能源汽車領域得到廣泛應用。其中，電池熱管理系統(tǒng)作為電池模組的重要組成部分，對提升性能起到關鍵作用。

電動汽車鋰電池

鋰電池的理想工作溫度為15℃到40℃。當溫度超過40℃，內(nèi)部副反應加劇，導致熱量積累，進而縮短電池壽命，甚至引發(fā)熱失控。單個電池熱失控還可能擴散到整個電池組，導致嚴重后果。此外，溫度不均勻性會導致充放電和電化學行為分布不均，損害電池性能和壽命。因此，開發(fā)高效經(jīng)濟的電池熱管理系統(tǒng)成為重要課題。

目前，電池熱管理系統(tǒng)分為主動冷卻和被動冷卻兩類，其中被動冷卻依賴材料特性，如熱管冷卻和相變材料（PCM）冷卻。PCM在相變過程中能吸收或釋放熱量，同時保持溫度恒定。通過合理設計，PCM不僅可散熱，還能緩沖熱量。其優(yōu)勢包括成本效益高、操作簡便、空間需求低以及均勻溫度控制等，使其在鋰電池熱管理中展現(xiàn)良好應用前景。

相變材料電池熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不過相變材料在實際中的應用依然面臨一定的限制。這主要由于相變材料的熱導率通常偏低，導致在相變冷卻過程中熱傳遞效率不高，意味著實際能夠參與相變過程的材料部分有限，大大降低了實際使用效能這一點在很大程度上限制了相變冷卻技術(shù)在電池熱管理中的應用范圍。因此，提升相變材料的熱傳導效率已成為近年來研究的重點。

提高相變材料傳熱效率的方法

為了進一步提升傳熱效率，可以通過優(yōu)化相變材料的應用方式以及微觀結(jié)構(gòu)設計來實現(xiàn)，具體如下。

1、提高相變材料的傳熱面積

PCM的主要缺點是其熱導率低，這限制了它們在電池熱管理系統(tǒng)中的應用，特別是在快速充電條件下。這一限制可以通過使用擴展表面，如散熱翅片，來增加熱傳遞面積來解決（如下圖）。

散熱片軸向徑向分布方式

以圓柱形電池為例，散熱片沿軸向和徑向排列，分別稱為縱向散熱片和徑向散熱片。散熱片材料必須具有高熱導率以降低熱阻，高比熱容以確保單位體積的高儲熱水平，低密度以確保單位質(zhì)量的高儲熱水平。鑒于此，廣泛使用銅和鋁作為散熱片材料。

2、提高相變材料的熱導率

有機相變材料自身熱導率較低，一般在0.2W/mk左右，為提高相變復合材料熱導率，最直接且便捷的方法是添加納米材料增強導熱，如金屬填料、陶瓷填料等。除此之外也可以通過與石墨烯等導熱材料復合的形式提高熱導率。

①添加納米材料增強導熱

增強相變材料導熱率的一種方法是在儲熱系統(tǒng)中使用納米材料或者高導熱材料，例如納米顆粒（銅、氧化銅、鋁、二氧化硅等）、納米片、納米線、納米管、和納米纖維等。

以一定的方式和比例在液體中添加納米級金屬或金屬氧化物粒子，形成新的強化傳熱介質(zhì)。納米流體導熱系數(shù)增大的原因，一是固體顆粒的加入改變了基礎液體的結(jié)構(gòu)，增強了混合物內(nèi)部的能量傳遞過程，使得導熱系數(shù)增大；二是納米粒子的小尺寸效應，使得粒子與液體間有微對流現(xiàn)象存在，這種微對流增強了粒子與液體間的能量傳遞過程，增大了納米流體的導熱系數(shù)。

②導熱材料復合

將高導熱材料與相變材料進行復合是提高相變材料導熱的另一種方法，最常見的是利用石墨、石墨烯、碳纖維等與相變材料進行復合。

l 碳纖維

碳纖維具有導熱系數(shù)高（約為10~140W/mK）、比重小、高張力、高彈性和熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點，能與絕大多數(shù)相變材料相容，耐腐蝕能力較強，且纖維直徑很小，有利于在材料中均勻布置，作為強化傳熱物質(zhì)一直備受研究者關注。

碳纖維復合相變材料

l 膨脹石墨

膨脹石墨是以鱗片石墨為原料采用特殊工藝，使鱗片石墨沿層間方向膨化而成的產(chǎn)物。它既保留了天然鱗片石墨的導熱性好、無毒害等優(yōu)良性質(zhì)，又具有天然鱗片石墨所沒有的吸附性、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性以及生物相容性等特征。

相變材料石蠟復合膨脹石墨

小結(jié)：雖然直接添加導熱填料提升熱導率的方式簡便簡單，對填料的要求較少，但是很難大幅度提高復合材料的熱導率。熱導率的提升與填料的添加量成正比，然而過量地加入導熱填料雖然能提升熱導率，卻會減少相變材料的含量，降低相變復合材料的儲熱能力。

另外，納米顆粒在相變過程中容易發(fā)生團聚，這不利于復合材料內(nèi)部的熱傳遞均勻性，可能導致熱傳導效率的不一致。而且這種隨機分散的結(jié)構(gòu)往往會存在泄漏的問題。因此制備高導熱的相變復合材料仍然具有較大的挑戰(zhàn)，也是其在實際應用中的主要技術(shù)瓶頸。

相變材料的其他重要應用

目前PCM 已用于多種應用，包括建筑物蓄熱、太陽能熱能和空調(diào)。此外在電子工業(yè)中，PCM還可被用作熱界面材料(TIM)來改善處理器、顯卡和芯片等部件的散熱。

TIM是一種普遍用于IC封裝和電子散熱的材料，主要作用是填補兩種材料接合或接觸時表面產(chǎn)生的微空隙及凹凸不平的孔洞，減少熱傳遞的阻抗，提高散熱性。相變熱界面材料兼具導熱墊片和導熱膏的雙重優(yōu)勢：

l 在相變溫度以下，具有良好的彈性和塑性，便于填充界面空隙；

l 在相變溫度以上，材料發(fā)生相變?yōu)橐簯B(tài)，高效潤濕界面，顯著降低熱阻。

此外，PCM 在相變過程中可通過吸收或釋放熱量，提供額外的能量緩沖，緩解器件溫度快速上升，有助于延長使用壽命。

TIM相變材料（來源：shinetsu）

而與傳統(tǒng)TIM相比，PCM 具備以下優(yōu)勢：

l 高儲熱能力：在相變之前吸收大量熱量，維持穩(wěn)定的散熱性能；

l 高效散熱：通過改變相態(tài)快速傳遞熱能；

l 長壽命：多次熱循環(huán)后性能穩(wěn)定，降低更換頻率；

l 環(huán)保：采用無毒材料，對環(huán)境友好。

可以說，PCM 的應用能為電子設備提供了一種高效、可靠且環(huán)保的散熱解決方案，尤其適用于性能要求嚴苛的現(xiàn)代電子產(chǎn)品。

資料來源：

1、韋詩涵.高導熱相變復合材料的制備及電池熱管理應用研究[D].浙江大學,2024.DOI:10.27461/d.cnki.gzjdx.2024.000745.

2、其他網(wǎng)絡資料。

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