石蠟基柔性相變材料的制備及其電池熱管理應用

吳衛鋒 張國慶 李紹君 楊曉青

（廣東工業大學，廣東 廣州 510006）

0 引言

隨著石油資源的不斷減少，由于尾氣出現的污染越來越嚴重，越來越多的國家開始重視新能源汽車，尤其是電動汽車的推廣和應用[1]。當前，電動汽車向著高能量密度、高安全性的方向發展[2]。在實際工況中，動力電池模組長時間運行和/或快充快放過程中會導致溫度升高及分布不均勻，進而導致模組壽命衰減甚至熱失控[3]。因此，定制高效的熱管理系統是從外部解決電池模組熱安全問題的唯一途徑。相變材料冷卻作為一種新型電池熱管理技術，具有冷卻效率高、體積小和成本低等優點，近年來已經越來越多地被研究[4-5]。

但是，傳統剛性相變材料存在剛性強、加工難、不易用于剛性外殼電池的缺點[6]。該實驗以MMA和BA分別作為硬單體和軟單體[7-8]，通過調節二者的比例制備FPCM，不僅具有適用于電池熱管理的潛熱、導熱及相變溫區等熱物性，在常溫下也具有良好的柔性，與方形電池的剛性外殼可以良好地貼合，最小化接觸熱阻，從而提高控溫性能[9]。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗原料

實驗原料：石蠟（PA，上海焦耳蠟業有限公司）；膨脹石墨（EG，原料為青島發達石墨有限公司提供的鱗片石墨）；甲基丙烯酸甲酯（MMA，天津市致遠化學試劑有限公司）；丙烯酸丁酯（BA，天津市大茂化學試劑廠）；過氧化二苯甲酰（BPO，上海麥克林生化科技有限公司）；方形電池（3.2 V，6 000 mAh，天津力神電池股份有限公司）。

1.2 FPCM的制備

FPCM的制備：將PA置于恒溫水浴鍋中，升溫至70 ℃。待PA完全融化后，逐量加入EG攪拌，使PA吸附于EG中；加入MMA、BA和BPO，溫度調至90 ℃繼續攪拌4 h。將混合物倒入模具中，自然冷卻后可以得到由各原料質量配比為44∶5∶30∶20∶1制備的FPCM。

1.3 性能測試與表征

差示掃描量熱（DSC）測試：通過差示掃描量熱儀進行測試，以氮氣為保護氣體，測試溫度范圍為20 ℃～80 ℃，升溫速率為10 ℃/min。導熱系數測試：通過激光導熱儀測量樣品的導熱系數。柔性表征：將FPCM制成80mm×10mm×5mm的尺寸，分別置于25 ℃和50 ℃的恒溫箱內恒溫0.5 h，進行不同程度的彎曲測試。FPCM應用于電池熱管理測試：以自然風冷為參照組，FPCM冷卻為實驗組。將電池置于40 ℃的恒溫箱內，以1C恒流充電，擱置10 min，分別以4C、5C恒流放電，共進行5個循環，比較電池表面的溫度變化。FPCM與方形電池組裝的圖片如圖1所示。

2 實驗結果與討論

2.1 PA/EG/P（MMA-co-BA）柔性相變材料的熱性能

根據圖2的DSC曲線可知：石蠟的相變溫度為49.5 ℃，相變焓為235.50 J/g；PA/EG/P（MMA-co-BA）的相變溫度為48.1 ℃，相變焓為93.57 J/g；P（MMA-co-MMA）在測試溫度范圍內無潛熱焓產生。此外，純PA和FPCM導熱系數分別為0.26 W/（m·K）和1.12 W/（m·K）。以上結果表明制備的FPCM適用于電池熱管理。

2.2 PA/EG/P（MMA-co-BA）柔性相變材料柔性表征

由圖3 （a）、（b）、（c）可知：在25 ℃時，當將樣條彎曲至120°時無裂痕，而彎曲至150°時，開始出現裂痕；圖3的（d）、（e）、（f）表明：在50 ℃時，FPCM中的PA從固態變為液態，而P（MMA-co-BA）仍保持固態，FPCM在宏觀上保持固態，彎曲至150°時無裂痕。

2.3 FPCM應用于電池熱管理測試

由圖4的（a）可知：在4C放電過程中，自然空氣冷卻方式的電池最高溫度為46.6 ℃；以PA/EG/P（MMA-co-BA）冷卻方式的電池高溫度為45.9 ℃。由圖4的（b）可知：在5C放電過程中，自然空冷的電池最高溫度為47.2 ℃，以PA/EG/P（MMA-co-BA）冷卻的電池最高溫度為46.0 ℃。

圖1 FPCM與方形電池組裝圖片

圖2 純石蠟、PA/EG/P（MAA-co-BA）和P（MMA-co-BA） DSC曲線

3 結論

該實驗制備的PA/EG/P（MMA-co-BA） FPCM相變溫度為48.1 ℃，潛熱為93.57 J/g。通過加入EG，使導熱系數大幅度提高。該FPCM用于電池熱管理時，電池在4C、5C放電過程中最高溫度分別為45.9 ℃和46.0 ℃，顯著低于空冷模組。另外，FPCM具有良好的柔性，能與方形電池的剛性外殼進行良好的貼合，最小化接觸熱阻，從而提高控溫性能。

表2 相變材料熱性能

圖3 PA/EG/P（MMA-co-BA） FPCM在25℃和50℃下的彎曲測試

圖4 不同冷卻方式的方形單體電池充放電曲線