基于密胺吸附型相變材料的散熱性能優化研究

何 翼，張國慶，黃啟秋，李新喜

(廣東工業大學材料與能源學院，廣東廣州 510006)

隨著人們對能源短缺和環境污染的關注，純電動汽車和混合動力電動汽車的相關研究得到了迅速發展[1-3]。眾所周知，鋰離子電池的安全狀態與溫度密切相關。溫度會影響化學反應速率和鋰離子電池內部各結構的壽命，從而直接影響電池的性能[4-5]。

鋰離子電池作為電動汽車的核心部件，其安全性能直接關系到車輛的安全和生命安全。在實際應用中，當電池產生的大量熱量不能及時傳遞時，電池內部結構會因溫度過高而遭到破壞，這將直接影響電池的性能[6-7]。因此，為了保證鋰離子電池的熱安全，提出了電池熱管理系統[8]。一個高效的電池熱管理系統必須能夠使電池產生的熱量與電動汽車的實際運行狀況相匹配，這就需要保證電池組在20～50 ℃的理想溫度范圍內運行，電池之間的溫差控制在5 ℃以內，確保電池模組正常安全運行[9-12]。為了給鋰離子電池提供良好的熱安全保護，電池熱管理系統已經開發出多種冷卻方式。最廣泛使用的電池熱管理系統分為三類，包括空氣冷卻[13]、液體冷卻[14]和相變材料冷卻系統[15]。作為主動冷卻方式，空氣冷卻和液體冷卻都需要額外的散熱設備和能耗。與主動冷卻相比，相變材料的冷卻不需要額外的設備或能耗，這意味著相變材料冷卻系統在結構上更簡單。因此，基于相變材料的電池熱管理系統具有較大的應用前景。

1 密胺吸附型相變材料的制備

1.1 原料組成

密胺材料具有多孔、不易變形、耐腐蝕、耐高溫等諸多優點。在本實驗中，密胺吸附了石蠟和膨脹石墨，防止了材料的變形，保持了材料的整體穩定性。石蠟由于其具有高潛熱、性能穩定、相變溫度與電池工作溫度相匹配等特點，常被應用于電池熱管理之中。另外，膨脹石墨是天然石墨經膨脹處理后得到的一種松散的蠕蟲狀材料，具有比表面積大、孔隙率小、導熱性好等優點，在相變材料中可作為增強導熱系數的物質。雖然氫氧化鈉與水反應劇烈，在空氣中也不穩定，但它不會與實驗材料發生反應，性質穩定。因此，在相變材料中用作阻燃劑，以防止相變材料中的有機物在溫度過高時燃燒。具體的材料物性參數如表1 所示。

表1 實驗材料參數

1.2 制備過程

首先，將密胺切成100 mm×100 mm 的樣品，放入模具箱中備用。然后打開油浴鍋，調至80 ℃預熱。用電子天平稱量石蠟、氫氧化鈉和膨脹石墨的質量。預熱后，將石蠟引入油浴鍋中的攪拌機。石蠟完全熔化后，加入氫氧化鈉攪拌15 min。隨后加入膨脹石墨時，分數次少量加入并連續攪拌30 min，使各種材料混合均勻。最后，混合物被放置在含有密胺的模具箱中，并進行真空干燥，在箱體中被密胺反復吸收。

2 模型構建及仿真實驗

2.1 三維模型構建

本文利用SolidWorks 所建立的模型，研究了相變材料在磷酸鐵鋰電池組件熱管理中的應用，并通過Comsol 多物理耦合模型對其在不同相變材料厚度、導熱系數等參數的條件下進行仿真，重點關注相變材料熱管理散熱性能，探究性能最佳的相變材料參數。電池材料相關屬性熱參數如表2 所示。

表2 電池材料相關屬性熱參數

為了研究不同相變材料厚度對單體電池工作溫度的影響，建立了相變材料厚度分別為2.5、5.0、7.5、10.0 和12.5 mm的單體電池熱管理耦合模型，而電池模組則基于單體電池的耦合。

2.2 傳熱仿真

電池是由正極、負極、極耳、隔膜、電解液構成的整體，每一種材料的性能都有很大的差別，如果電池對模型的各個部分進行精確構造，不僅會大大增加難度，還會產生許多不必要的問題，故可簡化地將電池看作一個整體。其等效參數如表3 所示。

表3 電池等效參數

模型中的傳熱控制方程如下：

式中：cp為電池的比熱容；ρ為電池密度；T為溫度；K為導熱系數；Q為電化學熱源產熱；Qted為環境熱。

為了求解方程，當t=0 時，初始溫度定義為293.15 K，在熱流為零的空間中，采用紐曼邊界條件：

當空間熱通量不為0 時，將熱通量設為對流熱通量，公式為：

式中：q0為熱流密度；h為傳熱系數；Text和T分別為外部環境溫度和內部溫度。

為了簡化計算，本文假定電池為均質材料，將整個電池視為熱源，加熱功率由放電率決定。因此，在指定熱源時采用耗熱率去計算，如式(4)：

式中：Q0為熱量；V為體積；P0為加熱功率。在Comsol 中，采用有限元方法。除了建立模型、輸入參數、確定方程和邊界條件外，還需要進行網格劃分。從而計算出不同放電倍率下電池的產熱功率，如表4 所示。

表4 不同放電速率下電池的產熱率

3 結果與討論

在本研究中，為了更清楚地研究不同電池熱管理系統間的溫度差異，電池分別以1C、3C和5C的放電倍率放電，提出了相變材料厚度和導熱系數的合理選擇，并與傳統自然冷卻系統的冷卻效果進行了比較。

3.1 相變材料的厚度對單體電池冷卻效果的影響

如圖1(a)所示，分別分析了不同放電倍率下，基于自然冷卻系統的電池溫度變化。為了匹配適合蓄電池的相變材料厚度，同時考慮到蓄電池系統的體積和質量，相變材料厚度的選擇范圍為0～12.5 mm，從中取一系列不同厚度的相變材料進行電池熱管理。

如圖1(b)、(c)和(d)所示，在1C放電倍率下，當電池耦合相變材料層時，電池的最高溫度可以降低，并且隨著厚度的增加，電池的最高溫度逐漸降低。隨著電池放電倍率的提高，基于相變材料的電池熱管理系統的優越性更加明顯。可以看出，在3C和5C放電倍率下，耦合了相變材料層的電池最高溫度都可以控制在50 ℃以下。如圖1(c)和(d)所示，當電池最高溫度達到35 ℃時，溫升速度減慢。這是因為電池的溫度達到了相變材料的相變溫度，相變材料能夠及時吸收電池的大量熱量，從而有效降低電池的最高溫度。當相變材料厚度為2.5 mm 時，經過一半的放電過程后，電池將再次經歷一次溫升。當相變材料的厚度較薄時，其蓄熱量小于電池產生的熱量。因此，在持續的散熱過程中，電池將經歷另一次溫度升高的過程。同時，當相變材料厚度大于2.5 mm 時，即使在5C放電倍率下，電池的最高溫度也可控制在40 ℃以下，不同厚度的相變材料耦合電池的溫差在5 ℃以內。因此，對于基于相變材料的電池熱管理系統，相變材料的厚度不需要太大，以有效地保證電池系統的緊湊結構。

圖1 (a)無耦合和(b-d)耦合不同厚度相變材料的單體電池在不同放電倍率下的溫度變化

3.2 相變材料的導熱系數對單體電池冷卻效果的影響

當電池發熱量過大時，相變材料應具有一定的潛熱值，并應考慮其導熱系數。通過提高相變材料的導熱系數，相變材料層能夠將吸收的熱量迅速傳遞到環境中進行連續熱吸收。因此，分析了不同放電倍率、耦合不同導熱系數的相變材料層電池的最高溫度變化。相變材料的導熱系數根據電池單體和模組的不同情況在0～3 W/(m·K)中進行選取，單體電池相比于電池模組體積小，散熱效果也較好，為探究相變材料導熱系數對散熱效果的影響，相變材料所取的導熱系數為0.5、2.0 和3.0 W/(m·K)，相變材料厚度為12.5 mm。而相變材料導熱系數主要受導熱增強劑的影響，在此實驗中，膨脹石墨作為導熱增強劑，其在復合相變材料中的質量分數、分布均勻程度等因素都將影響復合相變材料的導熱系數。如圖2(a)所示，當相變材料層的導熱系數從0.5 W/(m·K)增加到2 W/(m·K)時，電池在1C放電過程中的最高溫度由28 ℃下降到27 ℃。在3C放電過程中，導熱系數為0.5 W/(m·K)的相變材料最高溫度可達45 ℃，而當導熱系數增加到2 W/(m·K)時，電池最高溫度僅為42 ℃。電池在5C放電時，導熱系數為0.5 和2 W/(m·K)的相變材料溫度變化很接近。而相變材料最大導熱系數提高為3 W/(m·K)時，可以更為有效地控制電池溫度。這說明在較高放電倍率條件下，提高相變材料的導熱系數有利于提高電池溫度的控制能力。

圖2 耦合不同導熱系數相變材料的單體電池在不同放電速率下的溫度變化

3.3 相變材料的厚度對電池模組冷卻效果的影響

通過分析相變材料厚度對電池模組溫度的影響，可以有效提高相變材料電池熱管理系統對電池模組的溫度控制能力和適應性。圖3 中電池組的溫度是根據單體電池的實驗測試數據選取的，在圖1(a)中，針對實驗測試的單體電池設置五個位置進行溫度監控(分別為單體電池表面的四個頂點及中心位置)，實驗測試可知電池最高溫度出現在幾何中心位置；因此，電池模組的溫度監控點設置在每個單體電池的幾何中心位置。通過監控電池的最高溫度，能夠正確有效地反應電池模組的溫度變化及最亟需保護及控制溫度的電池位置，從而能夠綜合評價電池熱管理系統的溫控性能以及有效性。

圖3 (a)無耦合與(b-d)耦合不同厚度相變材料的電池模組在不同放電倍率下的溫度變化

如圖3(a)所示，當電池模組沒有應用任何熱管理方法時，在3C和5C的放電倍率下，電池模組的最高溫度分別達到55 和70 ℃，遠遠超出電池正常使用的溫度范圍。圖3(b)顯示了不同的相變材料層厚度對電池模組在1C放電過程中溫升率的影響。隨著相變材料層厚度的增加，可以進一步控制電池模組的最高溫度。當相變材料層厚度為12.5 mm 時，電池模組的最高溫度僅為22 ℃，可使電池溫度保持在正常的工作溫度范圍內。隨著相變材料層厚度的增加，電池模組的最高溫度會進一步降低，這反映了相變材料層越厚儲熱能力越強，能及時吸收和傳遞電池產生的熱量。如圖3(c)所示，當電池模組的發熱率進一步提高時，耦合2.5 mm 的電池模組溫升再次增加。這是因為電池產生的熱量大于相變材料層吸收的熱量。當相變材料層儲熱值飽和時，電池的溫度又會升高。但是，當相變材料層厚度大于2.5 mm 時，電池模組的最高溫度可以得到很好的控制，電池模組的溫度不再升高，且能夠保持在43 ℃以下。

為了進一步分析相變材料層厚度對電池模組溫度變化的影響，對電池模組的溫差進行了分析。如圖4 所示，隨著放電倍率的增加，電池模組之間的溫差會增大，這說明當電池發熱量增加時，電池的溫度一致性將受到嚴重影響。隨著相變材料層厚度的增加，電池模組的溫度一致性得到有效提高。當相變材料層厚度為12.5 mm 時，電池模組在1C、3C和5C放電倍率下的溫差分別為0.4、0.9 和1.6 ℃。因此，相變材料的厚度需要考慮電池所產生的熱量，才能有效保證電池模組的溫度一致性。

圖4 耦合不同厚度相變材料的電池模組最大溫差

3.4 相變材料的導熱系數對電池模組冷卻效果的影響

相比于單體電池而言，電池模組是由多個單體電池通過串并聯組合而成，故均溫性能和散熱效果較差，相變材料的導熱系數變化對其散熱影響更大，故相變材料所取的導熱系數為0.5、1.0、1.5、2.0 和2.5 W/(m·K)，更能準確地探究導熱系數對其散熱效果的影響。如圖5 所示，進一步分析了不同導熱系數的相變材料層對電池溫度的影響。在1C放電過程中，相變材料層的導熱系數對電池模組的最大溫度變化影響不大。這是因為電池模組產生的熱量較少，而相變材料層可以利用其潛熱值有效地控制電池的溫度。電池模組在5C下放電時，最高溫度分別為42 和39 ℃，相變材料層的導熱系數分別為0.5 和2.5 W/(m·K)。這反映出當電池模組的產熱量進一步增加時，有必要改善相變材料層的導熱系數。相變材料導熱系數的提高可以有效地加速相變材料的傳熱過程，并且可以穩定地控制電池模組的最高溫度。

圖5 耦合不同導熱系數的相變材料的電池模組在不同放電倍率下的溫度變化

再進一步分析相變材料的導熱系數對電池模組溫差的影響。如圖6 所示，隨著相變材料導熱系數的增加，電池模組的溫度一致性逐漸得到改善。當電池模組在5C下放電時，導熱系數為0.5 W/(m·K)的相變材料所耦合電池模組的最大溫差為2.6 ℃，而當相變材料的導熱系數提高到2.5 W/(m·K)時，最大溫差減小到1.2 ℃。而電池模組在1C放電過程中，當相變材料層的導熱系數為2.5 W/(m·K)時，電池模組的溫差幾乎可以忽略不計。這表明相變材料的導熱系數需要提高，以保持電池模組內的溫度一致性。

圖6 耦合不同導熱系數的相變材料的電池模組最大溫差

4 結論

基于相變材料的電池熱管理系統是一種有效的熱管理方法。然而，相變材料泄漏和導熱系數的問題仍然需要解決。本研究提出了一種以密胺為支撐骨架，用密胺吸附石蠟和膨脹石墨，并以氫氧化鈉作為阻燃劑的一種新型相變材料。該方法不僅能防止相變材料泄漏，而且具有有效的熱緩沖效果。通過研究相變材料厚度和導熱系數對電池熱管理系統的影響，可得出相變材料層可為電池提供有效的溫度控制保護，相變材料層厚度的增加可以有效地提高電池熱管理系統的溫度控制能力。當鋰電池以高倍率(5C)放電時，相變材料層的厚度應大于2.5 mm，以確保相變材料具有足夠的潛熱值。此外，相變材料的導熱系數也是電池熱管理中的一個重要參數。當相變材料的導熱系數增加時，電池的最高溫度并沒有明顯降低，但電池模組的溫差會明顯減小，有效地改善了電池模組的溫度一致性。