邱健蓄电池电池热管理系统各向异性、形状稳定、柔性复合相变材料的性能评估

对化石燃料的持续依赖已引发重大环境与健康问题，这促使发电领域越来越多地采用可再生能源电站，交通领域则转向电动汽车的应用[1]。然而，无论是可再生能源电站还是电动汽车，都需要电能存储解决方案来保障持续供电[2][3]。相较其他储能形式，锂离子电池(LIBs)因其高能量存储密度和低自放电率特性而受到广泛关注[4][5]。然而，锂离子电池对温度具有敏感性[6][7]，其最佳性能的理想工作温度范围通常被认为是15-40°C[8]，而接近50°C的温度则普遍被视为与加速衰减相关的运行安全上限[9][10]。此外，电芯或电池组内部温差应控制在5°C以内[11]。超出该范围的温度会导致电池容量衰减并增加安全隐患风险，包括热失控[12]。充放电循环过程中（尤其是高负荷条件下[13]）的过度产热是电池普遍存在的问题。若缺乏适当的热管理，这种热量积累将引发过热现象，从而降低电池效率、带来安全风险，并可能导致系统故障[14]。有效的散热措施对于将电池内部温度维持在安全范围内至关重要。多种类型的电池热管理系统（BTMS）已被不同研究者考虑采用，包括空气冷却、液体冷却、热管以及相变材料（PCMs）等方案[15][16]。基于空气与液体冷却的系统需要额外装备和能源来维持电池温度[17][18]，这使其在空间紧凑且对能耗敏感的应用中可行性较低。相比之下，基于相变材料的系统因其被动热调节特性显著降低了寄生功耗，从而受到研究者的广泛关注[19]。此外，基于相变材料的BTMS具有多项优势：安装便捷、结构简单、成本效益高、设计适应性强、热效率优异、运行寿命长且维护需求低[20]。
基于相变材料的电池热管理系统通过吸收电池产生的热量（以潜热形式储存于材料熔融过程中），并在材料凝固时向环境释放热量，从而将电池温度维持在理想区间[21][22]。相变材料通常可分为有机与无机两大类。应用于电池热管理系统的无机相变材料主要为水合盐类，这类材料通常具有较高的潜热值。然而，这些材料常表现出不稳定的热物理行为，包括循环过程中出现的相分离、脱水现象以及对电池部件的潜在腐蚀性。这些缺陷显著限制了其在电池热管理系统（BTMS）中的长期可靠性与实际应用价值[8][23]。相比之下，有机相变材料因其良好的化学稳定性、无相分离特性、低毒性、非腐蚀性以及成本优势，在BTMS应用中获得了更多关注。这些特性使其更适用于与电池系统的集成[24]。
迄今为止，多种有机材料已被众多研究者采用，例如石蜡（PA）[25]、聚乙二醇[26]、十八烷[27]等。然而，基于有机相变材料的系统面临着诸如熔融状态泄漏、低导热率和形状稳定性差等挑战，这些因素限制了其在电池热管理系统（BTMS）中的应用可行性。针对导热率低的常见策略是引入高导热多孔材料（如金属泡沫），但这类方法往往会导致复合材料结构刚性化并增加材料成本[24]。此外，这类刚性相变材料在电动汽车运行时的动态振动环境下易发生脱落[28]。为克服这些局限，研究者提出采用柔性复合相变材料（FCPCMs），因其能根据电池单体及封装结构的几何形状进行自适应形变。此类材料既可保持与电池表面的紧密热接触，又能提升机械完整性。值得注意的是，FCPCMs的应用可大幅缩减高效热管理所需散热模块的体积。研究人员日益关注将形状记忆或弹性体聚合物基体与相变材料(PCMs)相结合。这类聚合物具有高柔韧性、宽温域弹性变形能力以及与PCMs的良好相容性。Wu等[29]开发了一种以石蜡(PW)为相变材料、烯烃区块共聚物(OBC)为聚合物基体、膨胀石墨(EG)为导热增强剂的形状稳定复合相变材料(CPCM)，该材料在60°C左右表现出柔韧性。但由于其在室温下的刚性特性，需预热才能适应不同几何形状[30]。表1汇总了文献报道的代表性CPCM组分，包括柔韧温度、复合CPCM与对应纯PCM在熔融过程中的潜热值、潜热保留率、导热系数及已报道的局限性。其中潜热保留率指CPCM保留的潜热相对于对应纯PCM的百分比。
尽管在开发具有室温柔性的定型相变材料（FPCMs）方面已取得显著进展，但现有方法通常难以同时实现高潜热容量、增强的热导率、机械柔性和形状稳定性。此外，既往研究主要集中于提升垂直方向热导率，普遍忽视了各向异性热行为——尤其是平行方向热导率这一对电池有效横向散热至关重要的参数。当前研究中的一个显著空白是：尚未明确增加膨胀石墨（EG）含量或掺入更多高分子材料对定型复合相变材料（FCPCMs）潜热的影响孰优孰劣。另有研究表明，虽然低热导率相变材料已被探索用于热缓冲[38][39]，但其在25℃环境温度与动态放电条件下维持电池最佳温度的能力仍存在不确定性。
为应对这些挑战，本研究提出一种新型多步制备策略。将石蜡（PW）与苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯共聚物（SEBS）进行干法共混并加热处理，促进PW扩散至软化的SEBS基体中，从而最大限度减少PW蒸发与质量损失。随后通过熔融共混方式引入烯烃嵌段共聚物（OBC）与膨胀石墨（EG），以增强材料机械强度与导热性能。通过系统研究，揭示了不同SEBS与EG浓度对复合材料机械完整性、形状稳定性、潜热以及各向异性热导率（面内与穿透方向）的影响规律。分析阐明了增加SEBS或EG含量是否会损害热物理性能。最后，通过比较常温和动态放电速率（1C至4C）条件下低导热率与高导热率FCPCMs的BTMS性能，突显了导热率在温度调控中的关键作用。这一对比揭示了材料热特性对电池温度调控的重大影响。