在電動汽車行駛的過程中，動力電池會產生大量的熱量，熱量在電池包內聚集會導致溫度上升，如果沒有有效的熱管理方案，電池溫度超過一定范圍會導致電池性能下降，嚴重時甚至會導致起火、爆炸，威脅我們的人身和財產安全。

所以，對動力電池進行熱管理是十分重要的。那么動力電池該如何進行熱管理呢？應選用什么材料進行熱管理呢？本文為您一一解答。

熱管理方案

電池熱管理系統可分為電池散熱系統和電池加熱系統，其中，目前較成熟的散熱系統根據傳熱介質可分為四部分，分別為風冷、液冷、相變材料冷卻(Phase-change material，PCM)和熱管冷卻，此外還有多種方式耦合散熱。

▲電池冷卻系統分類

未來，對高功率、高能量密度和高充電效率電池的需求將持續增長，隨之而來的是對更高效、更穩定、更經濟、更緊湊的電池熱管理系統的需求。從低能耗和結構角度來看，PCM散熱系統更具有潛力，而用PCM冷卻方案進行熱管理就是各個材料你方唱罷我登場的大舞臺，面對棘手的電池熱管理問題，各路材料好漢時而合縱連橫（各材料組合而成復合材料），時而單打獨斗，撰寫了一部史詩般的材料演義。

相變材料（PCM）介紹

所謂PCM，就是隨著溫度相應變化物理狀態的材料，具有體積變化小、穩定性好、潛熱大等優點（潛熱指熱量加入或移除后，導致相變而不是溫度變化）。根據相變類型可分為固-固PCM、固-液PCM、固-氣PCM等。固-液PCM指的是相變后固體變為了液體，另外兩者亦然。圖 1是PCM家族圖譜。

▲圖1 相變材料分類

固-液PCM。固-液PCM通常用于儲存熱能，包括有機PCM、無機PCM，和其各種混合物。表１和表２分別列舉了幾種常見的有機和無機PCM的熔點和潛熱值。無機PCM雖然大都比有機PCM潛熱更高，導熱性能更好，但是它們普遍具有過冷現象，且在一定條件下易腐蝕，并不適用于電池等安全要求更高的設備。

▲表1 一些有機相變材料的熔點和潛熱， 表2 一些水合鹽的熔點和潛熱

固-固PCM。固-固PCM包含一些交聯共聚物和接枝共聚物。表３分別列舉了形狀穩定的PCM和固-固PCM的熱物性及其優缺點。

▲表3 定型相變材料封裝方式及其熱物性

一般來說，固-固PCM潛熱較小，固-氣PCM的體積變化過大，而固-液PCM相變時可能發生泄漏，所以需要對其進行合理的封裝。封裝方式有微膠囊、制成納米結構、將PCM包裹進交聯的聚合物網絡結構和把PCM吸附到多孔材料里等。圖２是常見的幾種封裝PCM的方法所需的材料。

▲圖2 有機定型PCM的支撐材料分類

在如此多不同的材料中，如何選擇最合適的PCM是擺在設計者面前的一大難題。一般來說，被動式電池管理系統使用的PCM需要滿足以下要求：

1）熔點在電池最佳工作溫度范圍內；

2）擁有高相變焓，高熱導率和高比熱容、高潛熱值；

3）相變前后體積變化??；

4）過冷度低；

5）具有良好的化學穩定性和熱穩定性，無可燃性，沒有腐蝕性；

6）成本低。

而固-固PCM的潛熱值較低，與之相比固-液PCM潛熱值高，且相變體積變化不大、相變溫度范圍廣、熱能密度高，所以固-液PCM得到了廣泛應用，固本文主要討論固-液PCM。（定型復合PCM相變后雖無融化流動但微觀上仍有PCM液化故本文認定屬固-液相變）

固-液PCM性質討論

對于固-液PCM，表4對比了有機PCM和無機PCM的性質，可以看出無機物除了具備相變焓大和熱導率高的優勢外，存在非常多問題，嚴重影響材料循環使用的穩定性。例如相分離會導致PCM組成的改變，使PCM的物性產生變化；過冷度高會導致PCM在到達凝固溫度時無法凝固，除非進一步降低溫度，否則潛熱無法得到釋放，但是額外的降溫需要消耗更多的能量用于制冷，造成能源的浪費。反觀有機PCM，既不易腐蝕容器，又具備過冷度低和良好的穩定性，可以滿足長期循環使用的要求，是實際應用過程中較為理想的材料。

▲表4 有機PCM與無極PCM特性對比

實際上，我們也可以通過一些方法克服有機PCM熱導率低和具有可燃性的問題。此外還可以通過一些方法提高有機PCM的柔韌性，使其在特定場景中能得到應用。且聽我娓娓道來~

提高PCM熱導率。主流提高PCM導熱性有如下方法：

1）與膨脹石墨（expanded graphite）復合制成復合PCM，形成具有高熱導率的定型符合PCM；

2）添加具有高熱導率的金屬或碳結構的納米粒子，從微觀結構改善材料導熱率；

3）利用泡沫金屬或金屬翅片結構，從宏觀結構提高PCM導熱率；

4）制備具有高導熱率的PCM微膠囊

表5對比了不同方法對熱導率提升的效果，相比添加金屬或碳材料納米粒子等方法，利用膨脹石墨制備復合PCM有多個好處。

首先，膨脹石墨將PCM的熱導率提升2個數量級，提升效果顯著高于其他手段。

其次，膨脹石墨具有優異的多孔性能，與有機物具有良好的相容性，可以將PCM吸附于微孔內，并保證PCM熔化后也不析出，保持宏觀上結構不發生變化。

膨脹石墨基復合PCM可以根據需求壓制成型，從而應用到任意形狀電池熱管理系統之中。

目前，使用膨脹石墨與PCM復合是提高有機PCM熱導率最有效的方法。

▲表5 復合PCM的熱物性對比

提高PCM阻燃性。提高變相材料的阻燃性的方法之一是添加阻燃劑，阻燃劑的種類繁多，按所含的阻燃元素阻燃劑可分為磷系、氮系、鹵系、磷-鹵系、磷-氮系、硅系、銻系、硫系和鋁鎂系等。

磷系阻燃劑分為有機磷系阻燃劑和無機磷系阻燃劑。前者主要包括含磷二元醇、磷酸酯類等，后者主要為磷酸鹽、紅磷和聚磷酸鹽（APP）等。舉個例子，紅磷、APP 受熱分解均可加速材料脫水結焦形成碳層，后者的非揮發性含磷物質殘余和分解過程中產生的不燃性氮氣、氨氣也稀釋了空氣含氧量實現阻燃。

氮系阻燃劑通過生成氨等不燃氣體來稀釋可燃氣體或覆蓋在材料表面從而中斷燃燒。單獨使用氮系阻燃劑時阻燃效率并不高。 因此一般將氮系阻燃劑作為膨脹阻燃體系中的發泡劑，與其他系統阻燃劑協同作用。

鹵系阻燃劑是含氟、氯、溴、碘四種鹵素元素并以鹵素元素起阻燃作用的一類阻燃劑,但這類阻燃劑，燃燒過程中會產生有高毒性和潛在致癌性的物質，因此已經被很多國家所禁用。

Al(OH)3 阻燃則通過受熱分解成能汽化吸熱的水和具有成膜能力的 Al2O3 阻礙傳熱傳質過程。

提高有機PCM的柔韌性。向PCM材料中通過浸漬或物理共混添加共聚物可以有效提高PCM柔韌性和改善其熔融易滲漏的不足。研究較多的傳統共聚物材料有低密度聚乙烯（LDPE） 、高密度聚乙烯（HDPE）、環氧樹脂（ER）等，一般多為有機物材料。

結語

在電池熱管理需求日益增長的今天，PCM無疑是一個頗具前景的賽道，而應用于PCM的各種粉體材料生產公司也可借此東風直上云霄。但目前PCM技術仍難言成熟，對于最佳材料選擇和材料的參入比例仍未有定論，體現在難以合理平衡材料的導熱性、柔韌性、導電性等物性關系。

參考資料

[1]小吉.新能源汽車安全管理的關鍵：動力電池散熱技術.粉體圈

[2]凌子夜.基于膨脹石墨基復合相變材料的動力電池熱管理系統性能研究.華南理工大學

[3]鄭靈鈺等.定型阻燃相變儲熱材料的研究進展.上海海事大學商船學院

[4]肖鑫.有機相變材料強化及耦合優化電池熱管理系統的研究進展.復合材料學報

粉體圈  開心超人

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