常温柔性复合相变材料的制备及其电池热管理应用研究

来源 :广东工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:libin101
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相变蓄热技术已成为电池热管理(BTM)的重要方式之一。为了满足工程应用需求,通常在相变材料中(PCM)加入高分子组分以大幅提高复合PCM(CPCM)成型加工性及循环稳定性,如聚乙烯、聚苯乙烯和环氧树脂等,但传统的CPCM存在刚性强、接触热阻大等缺陷。为了减小CPCMs与电池之间的接触热阻,近年来研究者们开发的柔性复合相变材料(FCPCMs)与刚性复合相变材料(RCPCMs)相比,能有效地降低电池热管理应用中的接触热阻。然而,这些“热诱导”柔性CPCMs仅在相变温度(PCT)以上表现出良好的柔性,在正常工作环境下仍会导致压缩应力累积,且不利于多规格的电池和电池模块的灵活装配。本文通过选择含聚醚软段的热塑性共聚酯弹性体(TPC-ET)取代传统烯烃嵌段共聚物(OBC)骨架,制备了一种在更宽温度范围内良好弹性的FCPCM。TPC-ET中乙醚键(C-O-C)的内旋阻力远低于OBC中的C-C键,从而使其具有更好的柔韧性,特别是在室温和低温20~-5℃下。因此,所获得的基于TPC-ET的FCPCM通过简易的安装(例如具有不同尺寸的圆柱形电池、方形电池和软包电池模块)对各种电池和电池模块展示出优异的适用性和冷却性能。另一方面,鉴于购买的TPC-ET为商业用品,不能精确定制材料的柔韧性,本实验还以甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA)分别为硬单体和软单体,调节两者的比例,通过原位聚合法制备出达到预期柔软度的相变材料,并研究其柔性和热性能。主要研究内容和结论如下:(1)在保证石蜡(PA)与膨胀石墨(EG)占比一定的情况下,通过构筑TPC-ET包裹材料代替常规的OBC,成功地制备了一种新的柔性复合相变材料(FCPCM),使其具有较高的导热率,同时在常温下具备良好的柔性,在减少相变材料与电池接触热阻的同时,实现规格各异的电池及电池模组的灵活组装。测试结果表明随着PA和EG的含量增加,FCPCM的潜热和导热系数增加,当PA、EG和TPC-ET含量分别为45wt%、10wt%、和45wt%时,FCPCM的潜热为102.4J·g-1,导热系数为1.64W·m-1·K-1,样品展示出良好的抗泄漏性能(小于0.1wt%)。且在常温甚至低温下具有良好的柔性。(2)本文以14650单体电池、18650单体电池、26650单体电池、32650单体电池、18650电池模块、方形电池模块、软包电池模块和三元方形电池模块作为热管理研究对象,通过构筑空气自然对流与柔性相变材料单体电池散热模式,分别在1C、2C和3C的不同放电倍率下进行测试,研究FCPCM的冷却效果。测试结果表明FCPCM提供了更优越的散热性能,特别是在3C放电倍率条件下,空气自然对流14650、18650、26650和32650单体电池的最高温度分别为44.9℃、44.6℃、54.8℃和56.0℃,在FCPCM控温下的最高温度分别为42.1℃、42.0℃、45.3℃和46.0℃。另一方面,空气对流散热的18650电池模块最高温度为58.6℃,以低密度聚乙烯为基材的传统刚性复合相变材料(LDPE-CPCM)的18650电池模块最高温度为55.5℃,以TPC-ET为基材的柔性复合相变材料(TPC-FCPCM)的18650电池模块最高温度为51.5℃。相类似的测试结果在方形电池模块和软包电池模块的充放电过程中亦能体现出来,表明了TPC-FCPCM具有优越的散热性能。此外,将柔性复合相变材料耦合液冷板(FCPCM/LCP)应用于三元电池模块的热管理研究,电池模块在3C放电倍率下,与FCPCM-三元电池模块相比,其最高温度从90.8℃降到58.5℃,最大温差从36.6℃降到9.6℃。(3)以MMA和BA为共聚单体,制备了PA/EG/P(MMA-co-BA)柔性复合相变材料,并通过调节两者的比例对所得材料的柔性进行大范围调控。当PA、EG、BPO、MMA与BA的质量分数分别为44、7、1、19.2和28.8wt%时,样品相变温度为48.1℃,潜热值为93.57J·g-1,导热系数为1.12W·m-1·K-1,实验测得的数值与理论计算的数值相近,这是因为反应是在低温下进行的,石蜡几乎没有挥发,而且FCPCM中的P(MMA-co-BA)与PA、EG之间没有发生化学反应;且通过调控MMA和BA的配比,FCPCM的弯曲模量从2.58到52.14MPa大范围可调。在5C放电倍率条件下,空气自然对流方形单体电池的最高温度为47.2℃,PA/EG/P(MMA-co-BA)冷却方形单体电池的最高温度为46.0℃。
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