新型相變材料，動力鋰電池熱管理系統中的新勢力

鋰離子電池由於其高能量和高功率密度而成為電動車輛和混合動力電動車輛的主要動力來源，同時高功率也帶來了較多的熱量。但鋰電池對溫度非常敏感，過高或者過低的工作溫度，都會對電池的性能和壽命帶來影響。需要有效和緊湊的熱管理系統（TMS）來管理其極端溫升。主動TMS和被動TMS是兩種流行的熱管理技術。

主動熱管理，需要能量驅動的熱管理系統，包括：強迫風冷，水冷，熱管冷卻等，是比較常見的冷卻方式。而被動熱管理，則以不消耗能源為標誌，包括自然冷卻，相變材料冷卻等。

主動熱管理

Tran等人 設計了用於鋰離子電池熱管理的熱管模塊。他們發現熱管加上了不同的通風方式被證明是HEV電池的有效熱管理解決方案。格雷科等人。開發了一種將熱管模型與熱電路結合起來的一維瞬態模型。他們證明，通過使用一維瞬態模型，鋰離子電池的溫度從52°C下降到28°C。Mohammadian等人將鋁泡沫嵌入散熱片中以冷卻鋰離子電池。他們發現，與不使用泡沫鋁的情況相比，在散熱器內部使用泡沫鋁後，鋰離子電池的表面溫度顯著降低。趙等人使用液體冷卻缸來冷卻鋰離子電池。他們利用液壓缸將42個圓柱形電池的表面溫度保持在40℃以下。由於增加了熱泵，散熱器，風扇組件等，上述所有主動冷卻方法都很昂貴。

被動熱管理

被動熱管理（例如相變材料）近年來越來越受到人們的重視，因為它高效，緊湊和輕便。相變材料（PCM）以潛熱的形式存儲熱量，潛熱較大的介質主要有水，石蠟以及其他一些無機鹽等。在潛熱儲存期間，PCM在幾乎恆定的溫度下從固態到液態或液態到氣態發生相變。PCM應用於TMS系統，一般有下列要求：

1）有合適的相變溫度，較大的相變潛熱，合適的導熱性能(一般宜大)；

2）在相變過程中不應發生熔析現象，以免導致相變介質化學成分的變化；

3）相變的可逆性要好，過冷度應盡量小，性能穩定；

4）無毒、無腐蝕、無污染；

5）使用安全，不易燃、易爆或氧化變質；

6）較快的結晶速度和晶體生長速度。

7）物理性能要求：低蒸氣壓；體積膨脹率要小；密度較大；

8）經濟性能要求：原料易購，價格便宜。

本文主要介紹一個來自香港科技大學Abid Hussain等人2018年發表在「International Journal of Thermal Sciences」雜誌的論文「Thermal management of lithium ion batteries using graphene coated nickel foam saturated with phase change materials」，文獻主要介紹了石墨烯塗覆泡沫鎳複合石蠟材質的PCM材料在動力的鋰電池熱管理系統中應用的優越特性。與在1.7 A放電電流下，對比泡沫鎳，固體石蠟，GcN，泡沫鎳+石蠟，和GcN+石蠟的熱管理效果，發現使用泡沫鎳相比，使用飽和的石墨烯塗覆的泡沫鎳比單純使用泡沫鎳，電池表面溫升減少17％。

1 領域概述

普通的PCM具有非常低的導熱係數（0.1-0.3 W /（m·K））。蓄熱率受PCM的低熱導率影響。文獻中已經提到許多技術，用來改善PCM的熱導率。Goli等人使用石墨烯複合材料來改善純PCM的熱導率。他們發現石墨烯/石蠟複合材料的導熱係數達到45W/（mK），而純石墨的導熱係數為0.2 W/（mK）。他們還觀察到，在5A放電電流下，使用石墨烯/石蠟複合材料的鋰離子電池的溫升16℃，而沒有石墨烯/石蠟複合材料的溫升為37℃。Kizilel等人使用石墨基體來提高導熱率。他們觀察到，石蠟石墨的導熱係數約為17 W/（mK），混合PCM有助於鋰離子電池在正常和高壓條件下的溫度均勻。Aadmi等人通過向金屬管體中加入固體石蠟，將環氧樹脂的導熱率提高了3-4倍。他們發現，通過增加複合材料中的蠟含量可以獲得更高的儲能能力和更低的溫升。

金屬泡沫也被證明是增強PCM熱導率的可行選擇。高孔隙率，良好的熱物理性能和機械強度是金屬泡沫的顯著特徵。Li等人 利用泡沫銅石蠟複合材料，研究10 Ah鋰離子電池組熱管理系統的性能。他們將結果與兩種模式進行了比較：自然空氣對流和純石蠟。在放電率1C下，使用泡沫銅複合材料作為熱管理材料，對比空氣對流模式和純石蠟模式，電池表面溫度分別低29％和12％。Hussain等人使用泡沫鎳複合材料實驗研究3.4 Ah鋰離子電池組的電池表面溫度。他們發現，在2C放電率下，電池表面溫度分別比自然空氣和純石蠟模式分別下降了31％和24％。Samimi等人使用碳纖維石蠟複合材料後，電池表面溫度下降了15°C 。複合材料的導熱係數對比純石蠟，導熱係數增加了81-273％。Sabbah等人利用石墨來提高石蠟的熱傳導性。他們把電加熱器當成電池，發現，由於採用了採用石墨-PCM複合材料，加熱器表面溫度降低了5％。Khateeb等人使用泡沫鋁來提高石蠟的熱導率。他們發現13.2Ah電池的表面溫度比使用普通蠟低5％。

在以前的研究中，鋰離子電池的熱管理主要是採用石墨烯 - 石墨複合材料或泡沫金屬（銅，鎳或鋁）/石墨複合材料進行的。石墨烯的熱導率非常高（?2000 - 3000 W /（mK））。石蠟的熱導率已經通過浸入泡沫鎳和石墨烯塗層的泡沫鎳提高。

但問題在於，泡沫鎳只能提高6倍的熱導率，並且在高溫下，石墨 - 聚苯乙烯複合材料的熱機械性能（如拉伸強度和抗壓強度）變弱。在此，報道了使用石墨烯塗覆的泡沫鎳作為鋰離子電池的熱管理系統。

2 石墨烯塗覆的泡沫鎳作為鋰電池熱管理系統材料概述

為了解決上述問題，在這項研究中，鋰離子電池的熱管理採用新的熱管理材料（石墨烯，金屬（鎳）泡沫和石蠟的組合）。使用鎳的優點很多：耐腐蝕性，高比強度和韌性。鎳的力學性能可以通過用纖維/顆粒增強鎳來提高 。碳原子可以很容易地溶解在鎳中，因為它們在鎳中的溶解度很高 ，並且鎳表面也可以很容易地預先形成圖案，因此可以精確地製備出優選幾何形狀的石墨烯圖案 。 泡沫鎳 適用於石墨烯合成 。石墨烯與一系列多孔材料顯示了出色的相容性 。石墨烯基複合材料具有優於複合材料本身的機械性能，並具有較低的熱膨脹係數 。趙等人 報道了在複合材料中，石墨烯複合材料（聚乙烯醇和石墨烯納米片）的楊氏模量和機械性能分別提高了約10倍和150％ 。在泡沫鎳上生長石墨烯會使GcN泡沫更硬（隨著0.05g /L石墨烯的添加，Ni泡沫硬度為原來的1.2倍）。GcN泡沫的循環性能優異（在3mA/cm下10000次循環後容量保持率為98％） 。

在這項研究中，鋰離子電池的熱管理是通過使用一種新型材料——飽和的石墨烯塗覆泡沫鎳（GcN）完成的。塗覆在泡沫鎳上的石墨烯的生長使用化學氣相沉積獲得。加入GcN泡沫的固體石蠟熱導率，比純石蠟提高了23倍。固體石蠟被用作相變材料（PCM），與純石蠟相比，加入了GcN泡沫的石蠟，其熔化溫度升高，凝固溫度降低。與純石蠟相比，加入了GcN泡沫的石蠟的潛熱和比熱分別下降30％和34％。分別比較了5種材料在鋰電池熱管理中的應用效果：泡沫鎳，固體石蠟，GcN，泡沫鎳+石蠟，和GcN+石蠟。與在1.7 A放電電流下使用泡沫鎳相比，使用PCM飽和的石墨烯塗覆的泡沫鎳使電池表面溫升減少17％。

3結論

使用化學製劑製備氣相沉積技術製備石墨烯塗覆的泡沫鎳。泡沫鎳石墨烯層的厚度為1-2納米。將石蠟作為相變材料浸入石墨烯塗覆的泡沫鎳中。石蠟浸漬的石墨烯塗覆泡沫鎳的熱特性及其在鋰離子電池熱管理中的應用情形，主要結果概述如下。

1）使用激光脈衝法測量飽和石墨烯塗覆泡沫鎳石蠟複合材料和泡沫鎳石蠟複合材料的熱導率。石蠟深入支撐材料中。結果表明，塗覆石墨烯的泡沫鎳將純石蠟的導熱性提高了23倍，而泡沫鎳將純石蠟的導熱性提高了6倍。

2）觀察飽和石墨烯塗覆泡沫鎳石蠟複合材料和泡沫鎳石蠟複合材料熔融溫度和凍結溫度的變化，並與純石蠟進行比較。複合材料（用泡沫石蠟飽和的泡沫鎳/石墨烯塗覆的泡沫鎳）的熔化溫度和冷凍溫度分別增加和降低；這是由於泡沫鎳與石蠟相互作用的結果。

3）與純石蠟 的潛 熱 相比， 飽和石墨烯塗覆泡沫鎳石蠟複合材料的潛熱降低了 30 ％ 。 這是由於 飽和石墨烯 塗覆泡沫 鎳石蠟複合材料 中石蠟的質量分數的減小決定的 。 石蠟質量的減少是由於金屬泡沫的 小腔體 的存在 。 泡沫 鎳石蠟複合材料 的固有 熱容量 分別比固體和液體狀態的純 石蠟 材料小 16 ％和 12 ％，而 飽和石墨烯 塗覆泡沫 鎳石蠟複合材料 的比熱容為分別比固體和液體狀態下的純 石蠟 小 3 5 ％和 34 ％。該 原因是與純PCM相比金屬骨架（泡沫鎳和石墨烯塗覆泡沫鎳）的熱容小。

4） 最後，這項研究包括開發材料的應用（即鋰離子電池的熱管理）。 還研究並比較了四種額外的熱管理材料，即泡沫鎳，塗有石墨烯的泡沫鎳，固體石蠟和泡沫鎳石蠟。1.7 A放電電流下，使用飽和石墨烯塗覆的泡沫鎳比單純使用泡沫鎳，電池表面溫升減少17％。

4 原文剪影

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圖1. 塗有石墨烯的泡沫鎳。（a）泡沫鎳的掃描電子顯微鏡圖像（b）石墨烯塗覆的泡沫鎳的掃描電子顯微鏡圖像（c）石墨烯塗覆的泡沫鎳的拉曼光譜（d）複合材料基片上14個隨機點獲得的拉曼光譜（e）鎳和石墨烯塗覆的泡沫鎳的TGA分析。

圖2. 實驗裝置，用於測量飽和石墨烯塗覆泡沫鎳石蠟複合材料和泡沫鎳石蠟複合材料的熱膨脹係數。

圖3 （a）泡沫金屬包裹的電池單元示意圖（b）電池均衡示意圖（c）電池單體上熱電偶的位置（d）鋰離子電池無源熱管理實驗裝置示意圖。

圖4 （a）中的泡沫鎳（12.7 PPI）光學圖像（b）泡沫鎳石蠟（c）石墨烯塗覆的泡沫鎳（d）飽和石墨烯塗覆泡沫鎳石蠟（e）石蠟和複合材料的TGA分析光學圖像（f）將蠟封入金屬泡沫中。

圖5. 純石蠟、泡沫鎳石蠟、飽和石墨烯塗覆的泡沫鎳石蠟複合材料，25℃時的導熱係數和潛熱。

圖6. DSC曲線顯示純石蠟和泡沫金屬（鎳/石墨烯塗覆的鎳）（a）冷凍過程（b）熔融過程。

圖7. 所有耗散材料在1.7 A的放電電流和電池組周圍溫度為（a）25°C（b）30℃ 和（c）33℃時的溫度隨時間的變化;

圖8. 所有耗散材料在2.2 A放電電流和電池組周圍溫度（a）25°C（b）30℃ 和（c）33℃下的隨時間的溫度變化;

圖9. 在33℃環境條件下和2.2A放電電流下，電池單體1和3在（a）泡沫鎳；（b）飽和石墨烯塗覆泡沫鎳石蠟作為冷卻介質時電芯之間的溫差異。

本文主要參考《Thermal management of lithium ion batteries using graphene coated nickel foam saturated with phase change materials》，

作者：

作者所在單位：

a Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China

b Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China

c HKUST Jockey Club Institute for Advanced Study, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China

d Fok Ying Tung Graduate School, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China

本文由「動力電池技術」翻譯整理，只做學習交流之用；其餘圖片來自互聯網公開資料。