SSB蓄电池含热致变色相变微胶囊的多功能电子灌封材料——应用于锂离子电池被动热管理与可视化温度预警

2026-03-30 16:24:21

用于热管理的相变电子灌封材料（EPM）对提升锂电池和集成电子器件的性能、使用寿命及运行安全性至关重要。然而，EPM在实现早期热量累积的实时精准可视化监测方面面临挑战，导致安全风险上升。本研究提出了一种由可逆热致变色相变微胶囊（TCMC）与有机硅灌封材料（SEPM）构成的多功能EPM，其具备被动温控与早期温度预警功能，成功实现了锂电池的热管理与温度预警应用。最优化的TCMC（TCMC-4）熔融焓达192.20 J·g⁻¹在20°C至60°C温度区间内呈现出显著的由蓝至白的颜色变化（色差ΔE=35.9）。此外，TCMC-4的聚甲基丙烯酸甲酯外壳赋予其优异的耐候性和热稳定性。更重要的是，在3C充放电倍率下，添加30wt% TCMC-4/SEPM的材料不仅使锂电池组的最高温度分别降低17.6%和17.4%，还能实现其表面颜色随温度变化发生动态可逆转变。所开发的多功能EPM在锂电池及集成电子设备的热管理与监控预警领域是一种高效材料。

图文摘要

引言

锂电池与集成电路技术是现代人类文明高速发展的基石技术之一，为人类提供了高效、便捷且舒适的工作环境与生活方式[1][2]。然而热量积聚会降低锂电池与集成电子器件的性能表现、使用寿命及运行安全性[3][4][5][6]。学界普遍认为锂电池与集成电子器件的适宜工作温度区间为-20°C至60°C，因此有效的热管理与灵敏的温度预警对其安全可靠运行至关重要[7]。
目前，针对锂电池和集成电子设备中热累积问题的常用热管理方法主要包括基于空气冷却[8][9]与液体冷却[10][11][12][13]的主动式方案，以及基于相变冷却[14][15][16][17]的被动式方案。其中，以相变冷却为主的被动式热管理方法，主要依托电子灌封材料(EPM)中的高潜热相变材料[18][19]，使锂电池和集成电子设备温度维持在相变点附近，具有节能、简便、高效和普适性等优势。Niu等人[20]研制出一种兼具高导热系数(0.6011 W/(m·K))与高焓值(38.33 J/g)的可浇注相变EPM⁻¹在模拟电池热管理性能测试中发现，该相变EPM的平均表面温度不仅比纯聚氨酯胶黏剂低5°C，还低于部分商用环氧树脂胶黏剂。Liu等[21]设计了一种用于全天候电池热管理的双层柔性相变材料，在30°C以5C倍率放电时，覆盖该双层柔性相变材料的锂电池最高温度仅为46.9°C，比自然对流工况下锂电池的最高温度低14.5°C。Wang等[22]制备了一种高潜热、高强度的超分子固-固相变材料，其相变焓达142.5 J·g⁻¹⁻¹该材料具有36.9 MPa的拉伸强度，在3C放电倍率下可使锂电池工作温度显著降低23°C。Wu等[23]采用石墨烯纳米片、聚烯烃弹性体和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯共聚物制备了含10 wt%石墨烯纳米片的相变复合材料，其相变焓达159.9 J g⁻¹。⁻¹与裸露的LED芯片和锂电池相比，该系统可使LED芯片和锂电池（4C充电）的平衡温度分别降低78°C和21.1°C，突显其在电子设备和锂电池散热领域的潜在应用价值。然而，采用EPM致密封装的锂电池及集成电子设备若出现早期过热征兆，可能无法实现实时、直观且精确的监测，从而增大了安全隐患风险。因此，开发兼具被动温控与早期温度预警功能的EPM材料具有重要的现实意义。
热致变色材料因其直观、非接触和高灵敏度的特性，能够对温度变化作出快速可靠的响应[24][25][26]。Pang等[27]基于原子掺杂和仿生结构设计，开发出了一种类似珍珠母的氧化铝-氰酸酯树脂复合材料，该材料在250°C时仅需9秒即可发出火灾警报，远快于传统电子火灾报警器。Shi等[28]研制了基于TiO₂@AgI与有机硅复合材料显示出显著的颜色变化，由白色转为亮黄色(ΔE在135.4°C时达到25.72的数值，显示出优异的温度异常检测性能，可为热失控灾害提供早期预警。Sun等[29]采用甲酚红作为染料、硼酸作为显色剂与明胶复合，在软质聚氨酯泡沫表面构建了气凝胶涂层，该涂层在80°C至100°C温度区间呈现显著的由黄转红颜色变化，能在火灾发生前实现及时有效的预警，从而提升其在防火安全领域的应用价值。然而，目前关于热致变色材料在锂电池及集成电子器件热管理中的预警应用研究较为有限，开发兼具热管理功能与可视化预警能力的多功能电子灌封材料具有重要实践意义。
本研究以结晶紫内酯(CVL)为显色剂、双酚A为显色剂、硬脂醇(SA)为相变材料、甲基丙烯酸甲酯为壁材，通过悬浮聚合法合成了一系列可逆热致变色相变微胶囊(TCMC)。进一步将上述微胶囊与有机硅EPM(SEPM)复合，制备出兼具被动温控与早期温度预警功能的EPM材料。其优异的相变温控性能、可逆热致变色特性及稳定性，使得锂电池产热过程的热管理与视觉监测成为可能。CVL通过内酯环开闭环机制响应温度变化并发生颜色转变。SA不仅增强了TCMC的相变温度控制能力，还赋予TCMC良好的视觉预警能力，可避免变色区附近温度波动对预警指示的干扰。高热稳定性和坚固的聚甲基丙烯酸甲酯外壳通过将热致变色材料与外部环境隔离，提供了优异的耐候性和热稳定性。在锂电池组的热管理与温度预警测试中，最优化的热致变色微胶囊（TCMC-4）与SEPM复合形成的30wt% TCMC-4/SEPM体系，展现出卓越的温度调节能力和对温度变化的精确视觉响应。此外，其良好的机械性能、电气绝缘性和导热性也表明该材料在锂电池及集成电子器件应用中具有可行性。