SSB蓄电池创新型水合盐基聚合物相变材料的封装制备及其电池热管理性能研究

2026-04-17 14:55:08

温度降至32°C（降低了84.16%）。同时，复合材料的导热系数提升至0.8591 W/(m·K)，较原始DHPD材料显著提高了178.3%，并保持了105.38 J/g的高相变潜热。此外，该材料展现出优异的阻燃性能，能有效抑制热失控情况下的起火和火焰蔓延。实验研究与COMSOL模拟结果一致证实了该复合相变材料卓越的热管理性能。在2C倍率放电测试中，单体电池最高温度降低了9.55°C。通过3×3电池模组的5C倍率放电模拟，温度进一步降低12.37°C。本研究为高功率锂离子电池系统的热管理提供了创新性材料解决方案，具有重要的工程应用价值。

本研究针对水合盐相变材料（HS-PCM）在电池热管理中存在的过冷度大、导热性差及易泄漏等长期难题，提出了一种基于固化封装策略的新型复合相变材料。通过构建硬脂酸/羧甲基纤维素钠（SA/CMC-Na）与碳纳米管（CNT）的协同体系，成功诱导异相成核作用，将十二水合磷酸氢二钠（DHPD）的过冷度从14.65℃显著降低至2

引言

锂离子电池（LIBs）凭借其高能量密度和长循环寿命，已成为现代储能系统的核心组件，并广泛应用于电动汽车和便携式电子设备等领域[1][2][3]。然而在高功率运行工况（如快速充放电或持续重载）下，由于欧姆阻抗、电化学极化和副反应作用，电池内部会产生显著热量。这种热量积累可能导致电池温度超过安全阈值（通常>45°C），从而加速容量衰减并可能触发热失控等严重问题，对电池系统的安全性构成重大威胁[4][5]。
为解决上述问题，相变材料（PCM）作为一种先进的热管理材料，已被应用于电池热管理系统（BTMs）[6], [7], [8]。PCM通过其固-液相变可高效散热，从而将电池工作温度维持在最佳区间（20–40°C）[9], [10]。例如，以石蜡为基体、膨胀石墨或金属泡沫为高导热填料的复合PCM，不仅能实现高储能密度（>150 J/g），还可显著提升热稳定性，这有助于实现电池模组内更均匀的温度分布[11], [12], [13]。实验研究表明，采用相变材料（PCM）的电池热管理系统（BTM）能在动态4C倍率条件下有效维持单体电池的温度一致性，其电池上、中、下部之间的最大温差仅为1.1°C。与常规2C倍率线性放电相比，该系统可实现38.9%的温降幅度。^[14]Yang等人设计了一种相变聚合物框架，突破了复合相变材料（CPCMs）机械/热稳定性与储热能力之间的权衡关系；他们提出的模块化组装策略实现了CPCM模块的轻量化、高效冷却与智能组装^[15]此外，相变材料（PCM）能有效抑制电池模块的热失控风险[16][17]。Liu等人研发的相变气凝胶在保持高热储能效率的同时显著提升了阻燃性能；氢氧化铝的添加使峰值热释放率降低46.2%，为热管理提供了安全高效的解决方案。^[18]通过延迟相邻电芯间的热量传递，相变材料（PCM）可延缓热失控的级联效应，从而显著提升大规模电动汽车电池包的整体安全性。这些优势凸显了PCM在电池热管理系统（BTMs）中的广阔应用前景[19][20]。
然而，有机相变材料在高温下的可燃性可能加剧火灾风险，并在电池发生严重故障或燃烧时加速热失控的传播。相比之下，无机水合盐相变材料（如CaCl₂·6H₂O、Na₂HPO₄·12H₂O, Ba(OH)₂·8H₂O)由于具有不易燃性、高热储存能力、低成本及易获取等优势，展现出更优异的安全性能，正逐步成为有机相变材料(PCM)的替代选择[21][22]。例如，Zhi等人通过利用Na₂SO₄·10H₂以O为相变矩阵、膨胀石墨为导热增强剂、开孔聚氨酯泡沫为支撑结构。在锂离子电池循环测试中，以0.5C充电和1.5C放电时，该复合相变材料相较于自然空气冷却，充电阶段最高电池温度降低20.4%，放电阶段降低59.7%。此外，该复合相变材料有效抑制了热失控扩散，为水合盐基相变材料在电池热管理与热失控缓解领域提供了具有前景的设计与应用策略。^[23]Lee等人通过浸渍和热压工艺制备了具有导热性的三水合醋酸钠（SAT）复合材料。最终获得的SAT/p-BN/BN复合材料表现出112 J/g的潜热值，实现了高效的电池热管理。^[24]其中，以十二水合磷酸氢二钠（DHPD）为代表的无机水合盐相变材料，因其高热能存储密度、本征阻燃性及低成本等优势，在电池热管理领域受到广泛关注。Ping等人采用Na₂HPO₄·12H₂以LiNO3-KCl为相变材料无机核心基质，二氧化硅为包覆骨架，所合成材料表现出良好的相变性能与热稳定性。在3C放电倍率下，其将电池峰值温度从86.6℃降至66.1℃。^[25]吴等采用十二氢十二硼酸二苯酯(DHPD)作为相变材料、聚乙烯醇/海藻酸钠(PVA/SA)水凝胶作为柔性基质，并引入疏水改性膨胀石墨(HEG)作为导热填料。实验结果表明，在热失控测试中，该材料使电池峰值温度降低了171.3°C，并有效抑制了热失控传播。^[26]刘等采用十二水磷酸氢二钠(DHPD)作为相变材料、三聚氰胺泡沫(MF)作为吸附骨架、羧甲基纤维素钠(CMC-Na)增强MXene的亲和性，并选用聚氨酯丙烯酸酯(PUA)涂层进行封装。实验表明，当该材料应用于建筑屋顶模型时，可使室内峰值温度降低8.71°C，展现出良好的建筑热管理性能。^[27]曹等人将DHPD与SCD形成无机低共熔混合物，与MP复合，以CMC-Na为乳化剂，并用二氧化硅气凝胶封装该材料。在建筑模型测试中，合成的有机-无机复合相变材料使室内升温时间延长7.64倍，降温时间延长4.96倍，展现出优异的热缓冲能力^[28]袁等人以DHPD为芯材，采用GO/SiO₂采用复合壳层制备的微胶囊相变材料，其导热系数达0.88 W/(m·K)。实验结果表明，该材料在3C充电速率下表现出优异的热管理性能。^[29].
然而，水合盐相变材料在实际应用中仍面临若干挑战，尤其是其高溶解度和流动性引发的问题。当温度或环境条件发生变化时，水合盐可能从固相转变为液相或失水，从而导致泄漏或性能衰减^[30]这种泄漏不仅会损害热管理系统的稳定性，还可能污染、腐蚀甚至损坏电池模块及周边装备。此外，水合盐在相变过程中易出现相分离和过冷现象^[31]，必须有效解决这些问题才能实现可靠的实际应用。
因此，在确保长期稳定性和可靠性的同时防止水合盐相变材料泄漏，已成为关键研究方向。针对这些问题，目前主要采用两种策略：一是通过熔融浸渗或真空吸附等技术将水合盐浸渍到多孔基体中，利用表面张力和氢键作用实现盐类物质的充分吸附，从而有效防止泄漏并抑制相分离[32], [33]；二是采用核壳结构封装相变材料，该方法既能防止泄漏，又可缓解过冷和相分离现象。^[34]。此外，多尺度封装方法^[35]也被提出作为进一步提升材料稳定性和性能的有效途径。
然而，尽管上述方法在一定程度上解决了泄漏问题，但它们普遍存在一个共同的局限性：主要关注如何"固定"相变材料本身，却忽视了封装层与导热层之间的界面稳定性问题。在实际应用中，特别是在涉及反复充放电循环、温度循环和机械振动的条件下（如电池热管理场景），由于材料特性差异导致的热膨胀系数不匹配或结合强度不足，封装层与导热层之间的界面极易发生分层。一旦界面失效，不仅导热性能会急剧下降，材料的整体可靠性也将受到严重影响。目前，如何实现有效封装的同时确保封装层与导热层在长期循环条件下保持稳定结合，仍是该领域未解的难题。为填补这一空白，本研究提出氟橡胶硫化封装策略。该策略的核心在于利用氟橡胶在硫化过程中的化学交联特性，使其渗入导热层并形成一体化结构。所形成的过渡层消除了明显的宏观界面，从根本上避免了因界面结合强度不足导致的分层现象。同时，氟橡胶本身具备良好的疏水性和耐电解液腐蚀特性，符合电池热管理系统的实际需求。
综上所述，本研究提出的新型无机水合盐复合相变材料凭借其简易制备工艺、创新封装策略、优异导热性能和低泄漏率，在电池热管理系统中展现出卓越性能。实验结果表明，该材料具有提升的相变温度区间、降低的泄漏风险，并能有效解决相分离和过冷问题。因此，这种新型相变材料在电动汽车电池及其他储能系统中具有广阔的应用前景。