高穩(wěn)定性電池?zé)峁芾碛孟嘧儾牧希簭脑O(shè)計原理到應(yīng)用實(shí)踐一、引言1.1研究背景與意義隨著全球能源需求的持續(xù)增長以及對環(huán)境保護(hù)的日益重視，新能源汽車和可再生能源存儲系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展，電池作為關(guān)鍵的儲能部件，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。然而，電池在充放電過程中不可避免地會產(chǎn)生熱量，若不能及時有效地進(jìn)行熱管理，過高的溫度將導(dǎo)致電池性能下降，甚至引發(fā)安全事故。例如，在新能源汽車中，電池過熱可能致使電池容量衰減、壽命縮短，嚴(yán)重時還會引發(fā)起火、爆炸等危險情況，對人身安全和財產(chǎn)造成巨大威脅。因此，有效的電池?zé)峁芾韺τ诒Ｕ想姵叵到y(tǒng)的正常運(yùn)行和延長使用壽命至關(guān)重要。相變材料（PhaseChangeMaterial，PCM）是一類在特定溫度范圍內(nèi)，通過吸收或釋放熱量來實(shí)現(xiàn)固態(tài)與液態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化的材料，這種相變過程中，材料本身的溫度保持恒定，因此具有很好的熱能存儲和調(diào)節(jié)能力。在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域，相變材料展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢。其能夠在電池溫度升高時吸收熱量發(fā)生相變，從而有效抑制電池溫度的上升；而當(dāng)電池溫度降低時，相變材料又會釋放熱量，有助于維持電池溫度的穩(wěn)定。通過合理設(shè)計和使用相變材料，可以有效地控制電池的工作溫度，提高電池的熱穩(wěn)定性和熱安全性。不過，傳統(tǒng)的相變材料在實(shí)際應(yīng)用中也暴露出一些問題，如熱導(dǎo)率較低，導(dǎo)致熱量傳遞速度較慢，無法快速有效地對電池進(jìn)行散熱；部分相變材料的循環(huán)穩(wěn)定性欠佳，經(jīng)過多次相變循環(huán)后，其性能會出現(xiàn)明顯退化，影響長期使用效果；還有些相變材料與電池材料的兼容性不足，可能會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對電池的性能和壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，開發(fā)高穩(wěn)定性的相變材料成為了當(dāng)前電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和關(guān)鍵需求。本研究旨在探究高穩(wěn)定性相變材料的設(shè)計方法，并將其應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)電池在寬廣溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定工作。通過對相變材料的優(yōu)化設(shè)計與性能調(diào)控，提升電池?zé)峁芾硇Ч?，為電池系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障，具有重要的理論與實(shí)際意義。從理論層面來看，深入研究相變材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，有助于豐富和完善材料科學(xué)的理論體系，為新型相變材料的設(shè)計和開發(fā)提供理論指導(dǎo)。在實(shí)際應(yīng)用方面，高穩(wěn)定性相變材料的成功開發(fā)和應(yīng)用，將顯著提高電池的性能和安全性，推動新能源汽車、可再生能源存儲等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，對于緩解能源危機(jī)和減少環(huán)境污染具有積極的促進(jìn)作用。1.2研究現(xiàn)狀近年來，相變材料在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的研究取得了顯著進(jìn)展。在材料類型方面，主要包括有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料以及復(fù)合相變材料。有機(jī)相變材料如石蠟、脂肪酸等，具有相變溫度范圍較寬、相變焓較大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，在電池?zé)峁芾碇械玫搅藦V泛應(yīng)用。例如，石蠟的相變溫度一般在30-80℃之間，與電池的工作溫度范圍較為匹配，能夠有效地吸收電池產(chǎn)生的熱量。然而，有機(jī)相變材料的熱導(dǎo)率較低，通常在0.1-0.3W/(m?K)之間，這限制了其在快速散熱場景下的應(yīng)用。無機(jī)相變材料主要包括結(jié)晶水合鹽、熔融鹽等，具有較高的熱導(dǎo)率和相變潛熱，如三水合醋酸鈉的相變潛熱可達(dá)264kJ/kg，且其熱導(dǎo)率也相對較高，能夠快速地傳遞熱量。但無機(jī)相變材料存在過冷度大、相分離等問題，嚴(yán)重影響了其循環(huán)穩(wěn)定性和使用壽命。例如，在多次相變循環(huán)后，結(jié)晶水合鹽可能會出現(xiàn)脫水現(xiàn)象，導(dǎo)致其相變性能下降。為了綜合有機(jī)和無機(jī)相變材料的優(yōu)點(diǎn)，克服它們各自的缺點(diǎn)，復(fù)合相變材料應(yīng)運(yùn)而生。復(fù)合相變材料通常是將有機(jī)相變材料與無機(jī)材料通過物理或化學(xué)方法復(fù)合而成，如將石蠟與膨脹石墨復(fù)合，利用膨脹石墨的高導(dǎo)熱性來提高復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率。研究表明，當(dāng)膨脹石墨的含量為5%時，復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率可提高2-3倍。此外，通過將無機(jī)相變材料與聚合物進(jìn)行復(fù)合，可以有效解決無機(jī)相變材料的過冷和相分離問題，提高其穩(wěn)定性。在應(yīng)用方式上，相變材料在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中主要有直接接觸式和間接接觸式兩種應(yīng)用方式。直接接觸式是將相變材料直接與電池表面接觸，這種方式能夠使相變材料迅速吸收電池產(chǎn)生的熱量，具有較高的熱傳遞效率。例如，將相變材料制成薄片或薄膜，直接貼附在電池表面，能夠有效地降低電池的溫度。間接接觸式則是通過熱傳導(dǎo)介質(zhì)將相變材料與電池隔開，如采用液冷板將相變材料與電池分離，冷卻液在液冷板中循環(huán)流動，將電池產(chǎn)生的熱量傳遞給相變材料。這種方式可以避免相變材料與電池直接接觸可能帶來的兼容性問題，同時便于對相變材料進(jìn)行更換和維護(hù)。盡管相變材料在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域取得了一定的研究成果，但目前仍存在一些問題亟待解決。熱導(dǎo)率較低的問題依然突出，即使通過添加高導(dǎo)熱填料進(jìn)行復(fù)合，部分復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率提升幅度仍有限，難以滿足高功率電池快速散熱的需求。在實(shí)際應(yīng)用中，電池的充放電過程是一個動態(tài)變化的過程，相變材料的相變溫度和相變潛熱難以在整個過程中始終保持最佳匹配狀態(tài)，導(dǎo)致熱管理效果不夠理想。此外，相變材料的長期穩(wěn)定性和可靠性研究還相對較少，其在復(fù)雜環(huán)境下的性能變化規(guī)律尚不明確，這也限制了其大規(guī)模應(yīng)用。在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化方面，目前的研究主要集中在單一因素的優(yōu)化，如相變材料的選型、厚度的優(yōu)化等，缺乏對整個系統(tǒng)的綜合優(yōu)化研究。同時，對于相變材料與其他熱管理技術(shù)（如液冷、風(fēng)冷等）的協(xié)同作用機(jī)制和優(yōu)化配置研究還不夠深入，難以充分發(fā)揮多種熱管理技術(shù)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的高效運(yùn)行。1.3研究目的與內(nèi)容本研究旨在設(shè)計適用于電池?zé)峁芾淼母叻€(wěn)定性相變材料，并深入探究其在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用，以提升電池的熱穩(wěn)定性和安全性，延長電池使用壽命。具體研究內(nèi)容如下：高穩(wěn)定性相變材料的設(shè)計：分析不同類型相變材料（有機(jī)、無機(jī)、復(fù)合）的特性，依據(jù)電池的工作溫度范圍和熱管理需求，確定相變材料的選擇原則。例如，對于工作溫度在25-45℃的電池，優(yōu)先選擇相變溫度在該區(qū)間且相變焓較大的相變材料。運(yùn)用材料改性技術(shù)，如摻雜、包覆、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控等方法，提高相變材料的熱穩(wěn)定性、循環(huán)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。以石蠟為例，通過添加納米粒子進(jìn)行摻雜，改變其晶體結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)熱穩(wěn)定性；采用聚合物對其進(jìn)行包覆，防止泄漏，提高化學(xué)穩(wěn)定性。利用計算機(jī)模擬技術(shù)，如分子動力學(xué)模擬、熱力學(xué)模擬等，預(yù)測相變材料的性能，篩選出潛在的高性能相變材料，并通過實(shí)驗(yàn)對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。相變材料的性能研究：對設(shè)計合成的相變材料進(jìn)行全面的性能測試，包括相變溫度、相變潛熱、熱導(dǎo)率、比熱容、循環(huán)穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能指標(biāo)的測定。使用差示掃描量熱儀（DSC）精確測量相變溫度和相變潛熱，通過熱線法或激光閃射法測試熱導(dǎo)率。研究相變材料在不同工況（如不同充放電倍率、環(huán)境溫度等）下的性能變化規(guī)律，分析溫度、濕度、機(jī)械振動等環(huán)境因素對相變材料性能的影響，為其在實(shí)際電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。相變材料在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用研究：設(shè)計基于高穩(wěn)定性相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，研究相變材料與電池的接觸方式、布置形式以及與其他熱管理組件（如散熱片、液冷系統(tǒng)等）的協(xié)同工作機(jī)制。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)化熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如相變材料的厚度、散熱片的尺寸和間距等，提高熱管理系統(tǒng)的散熱效率和均溫性。搭建電池?zé)峁芾韺?shí)驗(yàn)平臺，對不同工況下的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證相變材料在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用效果，分析系統(tǒng)的熱管理性能和節(jié)能效果，評估相變材料對電池性能（如容量、充放電效率、壽命等）的影響。應(yīng)用案例分析：選取典型的電池應(yīng)用場景，如新能源汽車、儲能電站等，分析高穩(wěn)定性相變材料在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和優(yōu)勢。結(jié)合具體應(yīng)用場景的需求和特點(diǎn)，對相變材料的性能和熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性優(yōu)化，提出個性化的電池?zé)峁芾斫鉀Q方案。通過對實(shí)際應(yīng)用案例的分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為高穩(wěn)定性相變材料在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的大規(guī)模推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。二、相變材料基礎(chǔ)理論2.1相變材料的概念與分類相變材料（PCM）是一類能夠在特定溫度區(qū)間，通過吸收或釋放大量潛熱，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，且在相變過程中自身溫度基本保持恒定的材料。其工作原理基于物質(zhì)在不同相態(tài)之間轉(zhuǎn)換時的能量變化，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到相變材料的相變溫度時，材料從一種相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相態(tài)，同時吸收或釋放熱量，從而實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)。這種特性使得相變材料在能量存儲和溫度控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，尤其在電池?zé)峁芾碇校軌蛴行ЬS持電池的工作溫度穩(wěn)定，提高電池性能和安全性。根據(jù)化學(xué)成分的不同，相變材料主要可分為有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料三大類，每一類相變材料都具有獨(dú)特的性質(zhì)和特點(diǎn)，在電池?zé)峁芾淼阮I(lǐng)域有著不同的應(yīng)用表現(xiàn)。有機(jī)相變材料：主要包括石蠟、脂肪酸、多元醇等。石蠟是最常見的有機(jī)相變材料之一，它由多種烷烴混合而成，具有相變溫度范圍寬（通常在30-80℃之間）、相變焓較大（一般為150-300kJ/kg）、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無腐蝕性、價格相對較低等優(yōu)點(diǎn)。例如，在電池?zé)峁芾碇?，石蠟?zāi)軌蛟陔姵毓ぷ鳒囟壬邥r吸收熱量發(fā)生熔化，從而有效降低電池溫度；當(dāng)電池溫度降低時，石蠟又會凝固并釋放熱量，有助于維持電池溫度的穩(wěn)定。脂肪酸類相變材料，如癸酸、月桂酸等，具有良好的相變特性和化學(xué)穩(wěn)定性，其相變溫度一般在20-60℃之間，相變焓也較為可觀，且與其他材料的相容性較好。多元醇類相變材料，如季戊四醇、三羥甲基乙烷等，具有較高的相變焓和良好的熱穩(wěn)定性，但價格相對較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。有機(jī)相變材料的主要缺點(diǎn)是熱導(dǎo)率較低，通常在0.1-0.3W/(m?K)之間，這使得熱量在其中傳遞速度較慢，影響了其在快速散熱場景下的應(yīng)用效果。此外，部分有機(jī)相變材料在高溫下可能會發(fā)生氧化分解，導(dǎo)致性能下降。無機(jī)相變材料：主要包括結(jié)晶水合鹽、熔融鹽、金屬或合金等。結(jié)晶水合鹽是一類含有結(jié)晶水的無機(jī)鹽，常見的有三水合醋酸鈉（CH?COONa?3H?O）、十水硫酸鈉（Na?SO??10H?O）等。這類材料具有較高的相變潛熱，如三水合醋酸鈉的相變潛熱可達(dá)264kJ/kg，且熱導(dǎo)率相對較高，能夠快速地傳遞熱量。然而，結(jié)晶水合鹽存在過冷度大的問題，即在相變過程中，實(shí)際相變溫度往往低于理論相變溫度，這會導(dǎo)致能量的無效損耗；同時，還容易出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，在多次相變循環(huán)后，材料中的水分和鹽分可能會分離，影響其性能和使用壽命。熔融鹽類相變材料，如硝酸鉀（KNO?）、硝酸鈉（NaNO?）等，具有較高的熔點(diǎn)和熱穩(wěn)定性，適用于高溫儲能領(lǐng)域。它們的熱導(dǎo)率較高，能夠在高溫下快速傳遞熱量，但通常具有較強(qiáng)的腐蝕性，對容器材料的要求較高。金屬或合金相變材料，如鉍-錫合金、鎵-銦合金等，具有較高的熱導(dǎo)率和相變潛熱，且相變過程可逆性好、循環(huán)穩(wěn)定性高。不過，金屬或合金相變材料的成本相對較高，且密度較大，限制了其在一些對重量和成本敏感的應(yīng)用場景中的使用。復(fù)合相變材料：是將有機(jī)相變材料和無機(jī)相變材料通過物理或化學(xué)方法復(fù)合在一起，以綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，克服各自的缺點(diǎn)。常見的復(fù)合方式有添加納米材料、使用多孔結(jié)構(gòu)高導(dǎo)熱性能材料以及微膠囊化等。通過添加納米材料，如納米顆粒（銅、氧化銅、鋁、二氧化硅等）、納米線、納米纖維、碳納米管等，可使復(fù)合材料具有更優(yōu)的導(dǎo)熱性能。例如，在石蠟中添加碳納米管，能夠顯著提高復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率，當(dāng)碳納米管的添加量為1%時，熱導(dǎo)率可提高約50%。使用多孔結(jié)構(gòu)高導(dǎo)熱性能材料，如泡沫金屬、膨脹石墨等，將相變材料附著在多孔介質(zhì)材料內(nèi)部孔隙內(nèi)，既能提高導(dǎo)熱性能，又能防止相變材料在液態(tài)時泄漏。研究表明，將石蠟與膨脹石墨復(fù)合后，復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率可提高數(shù)倍，且形狀穩(wěn)定性得到顯著改善。微膠囊化是采用固體殼將直徑在1-1000微米的固體或液體相變材料包覆起來使其形成微小粒子，這種方法不僅可以提高相變材料的換熱面積，減小其和外界的接觸，還能在一定程度上解決其過冷和相分離的問題。例如，以三聚氰胺-甲醛樹脂為壁材，石蠟為芯材制備的微膠囊相變材料，在保持較高相變潛熱的同時，具有良好的穩(wěn)定性和分散性。復(fù)合相變材料的性能受到多種因素的影響，如有機(jī)和無機(jī)材料的比例、復(fù)合方式、界面相容性等，因此在制備過程中需要對這些因素進(jìn)行精確控制和優(yōu)化，以獲得性能優(yōu)異的復(fù)合相變材料。2.2相變過程及其熱效應(yīng)相變材料在電池?zé)峁芾碇邪l(fā)揮作用的關(guān)鍵在于其獨(dú)特的相變過程以及伴隨的熱效應(yīng)。以最常見的固-液相變?yōu)槔?，相變材料的相變過程主要包括熔化和凝固兩個階段。在熔化過程中，當(dāng)外界溫度升高并達(dá)到相變材料的熔點(diǎn)時，相變材料開始從固態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。在這個過程中，分子間的作用力逐漸減弱，分子的活動能力增強(qiáng)，分子間距增大。例如，對于石蠟類有機(jī)相變材料，在固態(tài)時，分子通過范德華力緊密排列，形成有序的晶體結(jié)構(gòu)；隨著溫度升高，分子獲得足夠的能量，克服范德華力的束縛，開始自由移動，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。在整個熔化過程中，相變材料會吸收大量的熱量，這些熱量用于打破分子間的相互作用，而材料自身的溫度在相變完成前幾乎保持不變，形成一個相對穩(wěn)定的溫度平臺。凝固過程則是熔化過程的逆過程。當(dāng)外界溫度降低到相變材料的凝固點(diǎn)時，液態(tài)的相變材料開始轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。此時，分子間的作用力逐漸增強(qiáng)，分子活動能力減弱，分子間距減小，重新排列形成有序的晶體結(jié)構(gòu)。在這個過程中，相變材料會釋放出在熔化過程中儲存的熱量，同樣，在凝固過程完成前，材料的溫度也基本保持穩(wěn)定。相變過程中涉及的熱效應(yīng)主要包括相變潛熱、相變溫度范圍以及相變過程溫度穩(wěn)定性，這些熱效應(yīng)對電池?zé)峁芾砭哂兄陵P(guān)重要的影響。相變潛熱是指相變材料在相變過程中吸收或釋放的熱量，它是衡量相變材料儲能能力的重要指標(biāo)。相變潛熱越大，相變材料在相變過程中能夠儲存或釋放的熱量就越多，對電池溫度的調(diào)節(jié)能力也就越強(qiáng)。例如，三水合醋酸鈉的相變潛熱可達(dá)264kJ/kg，這意味著每千克三水合醋酸鈉在相變過程中能夠吸收或釋放264kJ的熱量，能夠有效地緩沖電池產(chǎn)生的熱量，防止電池溫度過高。不同類型的相變材料具有不同的相變潛熱，有機(jī)相變材料的相變潛熱一般在150-300kJ/kg之間，無機(jī)相變材料的相變潛熱則因具體成分而異，如一些金屬或合金相變材料的相變潛熱也較高。在電池?zé)峁芾碇?，選擇相變潛熱合適的相變材料，能夠確保在電池產(chǎn)生熱量時，相變材料有足夠的能力吸收熱量，維持電池溫度的穩(wěn)定；在電池溫度降低時，又能釋放熱量，避免電池溫度過低。相變溫度范圍是指相變材料發(fā)生相變的溫度區(qū)間，它需要與電池的工作溫度范圍相匹配。如果相變溫度過低，相變材料在電池正常工作溫度之前就已經(jīng)完成相變，無法在電池溫度升高時繼續(xù)吸收熱量；如果相變溫度過高，相變材料在電池溫度升高到一定程度時仍未發(fā)生相變，無法及時發(fā)揮溫度調(diào)節(jié)作用。例如，對于工作溫度在25-45℃的鋰離子電池，選擇相變溫度在30-40℃之間的相變材料較為合適，這樣在電池溫度升高時，相變材料能夠及時發(fā)生相變，吸收熱量，有效控制電池溫度的上升。相變過程溫度穩(wěn)定性是指相變材料在相變過程中維持自身溫度恒定的能力。在電池?zé)峁芾碇?，相變過程溫度穩(wěn)定性好的相變材料能夠在相變過程中保持相對穩(wěn)定的溫度，避免電池溫度出現(xiàn)大幅波動。這對于電池的性能和壽命至關(guān)重要，因?yàn)殡姵卦跍囟炔▌虞^大的環(huán)境下工作，容易導(dǎo)致電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的不均衡，加速電池的老化和性能衰退。例如，一些經(jīng)過特殊處理的復(fù)合相變材料，通過優(yōu)化材料的組成和結(jié)構(gòu)，能夠有效提高相變過程的溫度穩(wěn)定性，為電池提供更穩(wěn)定的熱管理環(huán)境。綜上所述，相變材料的相變過程及其熱效應(yīng)與電池?zé)峁芾砻芮邢嚓P(guān)。通過深入了解和合理利用這些特性，能夠?yàn)殡姵責(zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供有力的理論支持，從而提高電池的性能和安全性，延長電池的使用壽命。2.3相變材料在電池?zé)峁芾碇械膬?yōu)勢相變材料應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢，這些優(yōu)勢對于提升電池性能、保障電池安全以及延長電池使用壽命具有重要意義。高效的熱能存儲與調(diào)節(jié)：相變材料的核心特性在于其能夠在特定溫度范圍內(nèi)發(fā)生相變，通過吸收或釋放大量的潛熱來實(shí)現(xiàn)對電池溫度的有效調(diào)節(jié)。在電池充放電過程中，會產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致電池溫度升高。當(dāng)溫度達(dá)到相變材料的相變溫度時，相變材料開始從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，在這個過程中，相變材料會吸收大量的熱量，從而有效地抑制電池溫度的上升。以石蠟為例，其相變溫度通常在30-80℃之間，與電池的工作溫度范圍較為匹配。當(dāng)電池溫度升高到石蠟的相變溫度時，石蠟迅速吸收熱量發(fā)生熔化，將電池產(chǎn)生的多余熱量儲存起來，使電池溫度保持在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。相反，當(dāng)電池溫度降低時，相變材料又會從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，釋放出之前儲存的熱量，避免電池溫度過低，確保電池在適宜的溫度下工作。這種高效的熱能存儲與調(diào)節(jié)能力，使得相變材料能夠在電池?zé)峁芾碇邪l(fā)揮關(guān)鍵作用，有效減少電池溫度的波動，提高電池的穩(wěn)定性和可靠性。顯著提高電池安全性：過高的溫度是引發(fā)電池安全事故的重要因素之一。當(dāng)電池溫度過高時，可能會導(dǎo)致電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)失控，引發(fā)熱失控現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致電池起火、爆炸等嚴(yán)重事故。相變材料能夠通過吸收電池產(chǎn)生的熱量，有效地控制電池溫度的上升，從而降低電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險，提高電池的安全性。例如，在一些電動汽車的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，將相變材料與電池緊密結(jié)合，當(dāng)電池出現(xiàn)異常發(fā)熱時，相變材料迅速吸收熱量，防止溫度進(jìn)一步升高，為電池安全提供了重要保障。此外，相變材料還可以在一定程度上緩沖電池內(nèi)部的溫度變化，減少因溫度突變對電池造成的損害，進(jìn)一步提高電池的安全性能。有效延長電池使用壽命：電池的性能和壽命受到溫度的顯著影響。在高溫環(huán)境下，電池的化學(xué)反應(yīng)速率加快，會導(dǎo)致電池的容量衰減加劇，循環(huán)壽命縮短。相變材料能夠?qū)㈦姵販囟染S持在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)，減少因溫度波動對電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)的影響，從而有效地延長電池的使用壽命。研究表明，采用相變材料進(jìn)行熱管理的電池，其容量衰減速度明顯減緩，循環(huán)壽命得到顯著提高。例如，對于鋰離子電池，在使用相變材料進(jìn)行熱管理后，經(jīng)過多次充放電循環(huán)，其容量保持率相比未使用相變材料的電池有明顯提升，這意味著電池能夠在更長時間內(nèi)保持較好的性能，降低了更換電池的成本和頻率，具有重要的經(jīng)濟(jì)和實(shí)際應(yīng)用價值。提升電池系統(tǒng)整體性能：相變材料的應(yīng)用不僅能夠改善電池的熱穩(wěn)定性和安全性，還能夠提升電池系統(tǒng)的整體性能。由于相變材料能夠有效地控制電池溫度，使得電池在充放電過程中能夠保持較為穩(wěn)定的性能，提高了電池的充放電效率。在低溫環(huán)境下，電池的內(nèi)阻會增大，充放電效率降低，而相變材料釋放的熱量可以使電池溫度升高，降低內(nèi)阻，提高充放電效率。相變材料還可以與其他熱管理技術(shù)（如液冷、風(fēng)冷等）相結(jié)合，形成復(fù)合熱管理系統(tǒng)，充分發(fā)揮各種技術(shù)的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高電池系統(tǒng)的熱管理效果和整體性能。例如，將相變材料與液冷系統(tǒng)結(jié)合，相變材料可以先吸收電池產(chǎn)生的部分熱量，減輕液冷系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，同時液冷系統(tǒng)可以帶走相變材料吸收熱量后升高的溫度，兩者協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對電池溫度的精準(zhǔn)控制，提升電池系統(tǒng)的性能和可靠性。三、高穩(wěn)定性相變材料的設(shè)計3.1相變材料選擇原則在選擇適用于電池?zé)峁芾淼南嘧儾牧蠒r，需綜合考慮多個關(guān)鍵因素，以確保所選相變材料能夠滿足電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的各種需求，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的熱管理效果。這些因素相互關(guān)聯(lián)，共同影響著相變材料在電池?zé)峁芾碇械男阅鼙憩F(xiàn)。相變溫度適配：相變材料的相變溫度必須與電池的工作溫度范圍精準(zhǔn)匹配。電池在充放電過程中，其工作溫度會在一定范圍內(nèi)波動，相變材料的相變溫度應(yīng)處于這個波動范圍之內(nèi)，且盡量接近電池的最佳工作溫度。對于鋰離子電池，其最佳工作溫度通常在25-40℃之間，因此應(yīng)優(yōu)先選擇相變溫度在這一區(qū)間的相變材料，如某些石蠟類相變材料，其相變溫度可在30-40℃之間，能夠在電池溫度升高時及時發(fā)生相變，吸收熱量，有效抑制電池溫度的上升；當(dāng)電池溫度降低時，又能釋放熱量，維持電池溫度的穩(wěn)定。若相變溫度過高，相變材料在電池溫度升高到一定程度時仍未發(fā)生相變，無法及時發(fā)揮溫度調(diào)節(jié)作用；若相變溫度過低，相變材料在電池正常工作溫度之前就已經(jīng)完成相變，無法在電池溫度升高時繼續(xù)吸收熱量，從而導(dǎo)致電池溫度失控，影響電池的性能和壽命。熱穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性是衡量相變材料在不同溫度條件下保持自身物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的能力。在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，相變材料需要在電池的工作溫度范圍內(nèi)，甚至在一些極端溫度條件下，都能保持其相變特性的穩(wěn)定。例如，在高溫環(huán)境下，相變材料不應(yīng)發(fā)生分解、氧化等化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致其相變溫度和相變潛熱發(fā)生變化；在低溫環(huán)境下，相變材料也應(yīng)能正常發(fā)生相變，而不會出現(xiàn)凝固點(diǎn)異常降低或相變過程不可逆等問題。一些無機(jī)相變材料，如結(jié)晶水合鹽，雖然具有較高的相變潛熱和熱導(dǎo)率，但在高溫下容易發(fā)生脫水現(xiàn)象，導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性下降，影響其在電池?zé)峁芾碇械拈L期應(yīng)用效果。而經(jīng)過特殊處理的復(fù)合相變材料，通過優(yōu)化材料的組成和結(jié)構(gòu)，能夠有效提高其熱穩(wěn)定性，為電池提供更可靠的熱管理保障。循環(huán)穩(wěn)定性：電池在實(shí)際使用過程中會經(jīng)歷多次充放電循環(huán)，每次循環(huán)都會導(dǎo)致電池溫度的變化，從而使相變材料發(fā)生相應(yīng)的相變過程。因此，相變材料需要具備良好的循環(huán)穩(wěn)定性，能夠承受多次相變循環(huán)而性能不發(fā)生明顯下降。這包括相變潛熱的保持、相變溫度的穩(wěn)定以及材料結(jié)構(gòu)的完整性等方面。例如，某些有機(jī)相變材料在經(jīng)過多次相變循環(huán)后，可能會出現(xiàn)分子鏈斷裂、結(jié)晶形態(tài)改變等問題，導(dǎo)致其相變潛熱降低，相變溫度發(fā)生漂移，從而影響其對電池溫度的調(diào)節(jié)能力。而一些采用先進(jìn)制備工藝的復(fù)合相變材料，通過增強(qiáng)材料內(nèi)部的化學(xué)鍵合和微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，能夠有效提高循環(huán)穩(wěn)定性，確保在電池的整個使用壽命周期內(nèi)，相變材料都能穩(wěn)定地發(fā)揮熱管理作用?；瘜W(xué)穩(wěn)定性：相變材料應(yīng)與電池材料具有良好的化學(xué)兼容性，在使用過程中不會與電池內(nèi)部的電極材料、電解液等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，避免對電池的性能和壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。例如，電解液中的某些成分可能會與相變材料發(fā)生相互作用，導(dǎo)致相變材料的分解或變質(zhì)，同時也可能會影響電池的電化學(xué)性能，如導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大、容量衰減等。因此，在選擇相變材料時，需要充分考慮其與電池材料的化學(xué)兼容性，通過實(shí)驗(yàn)測試等手段，確保兩者之間不會發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)。一些經(jīng)過表面改性處理的相變材料，能夠在其表面形成一層保護(hù)膜，有效阻止與電池材料的化學(xué)反應(yīng)，提高化學(xué)穩(wěn)定性。經(jīng)濟(jì)性：在滿足上述性能要求的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)性也是選擇相變材料時需要考慮的重要因素。相變材料的成本直接影響到電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的整體成本，進(jìn)而影響到相關(guān)產(chǎn)品的市場競爭力。因此，應(yīng)優(yōu)先選擇成本較低、資源豐富、易于制備和加工的相變材料。例如，石蠟作為一種常見的有機(jī)相變材料，來源廣泛，價格相對較低，在滿足電池?zé)峁芾硇阅芤蟮那闆r下，是一種具有較高性價比的選擇。同時，隨著材料制備技術(shù)的不斷發(fā)展，通過優(yōu)化制備工藝、提高生產(chǎn)效率等方式，可以進(jìn)一步降低相變材料的成本，推動其在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。3.2相變材料的熱穩(wěn)定性優(yōu)化為提升相變材料在電池?zé)峁芾碇械臒岱€(wěn)定性，滿足電池長期穩(wěn)定運(yùn)行的需求，可通過多種材料改性和優(yōu)化制備工藝的方法來實(shí)現(xiàn)。摻雜：通過向相變材料中引入特定元素或化合物，能夠改變其晶格結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高熱穩(wěn)定性。這一方法的原理基于摻雜元素與相變材料原有原子之間的相互作用，這些元素或化合物進(jìn)入相變材料晶格后，會對晶格產(chǎn)生應(yīng)力或改變原子間的鍵合方式，從而影響材料的熱力學(xué)性質(zhì)。例如，在一些金屬基相變材料中，摻雜少量的稀土元素（如鈰、鑭等），稀土元素的原子半徑與金屬基相變材料的原子半徑存在差異，當(dāng)它們進(jìn)入晶格后，會產(chǎn)生晶格畸變，增加原子的擴(kuò)散阻力，使得相變過程中原子的移動更加困難，從而抑制了相變材料在高溫下的結(jié)構(gòu)變化，提高了熱穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)中，將鈰摻雜到鋁基相變材料中，經(jīng)過多次高溫循環(huán)測試，發(fā)現(xiàn)摻雜后的相變材料在相同溫度條件下，其相變溫度的漂移明顯減小，相變潛熱的衰減也得到有效抑制，表明熱穩(wěn)定性得到顯著提升。包覆：利用穩(wěn)定材料對相變材料進(jìn)行包覆是一種有效的熱穩(wěn)定性優(yōu)化策略。包覆層能夠在相變材料與外界環(huán)境之間形成一道屏障，阻止高溫下相變材料與周圍物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時也能減少相變過程中的體積變化對材料結(jié)構(gòu)的破壞，從而提高相變過程的穩(wěn)定性。例如，采用聚合物（如聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯等）作為包覆材料，通過乳液聚合、界面聚合等方法，在相變材料表面形成均勻的聚合物包覆層。以石蠟相變材料為例，用聚甲基丙烯酸甲酯進(jìn)行包覆后，在高溫環(huán)境下，包覆后的石蠟相變材料能夠有效防止石蠟的氧化和揮發(fā)，且在多次相變循環(huán)后，其相變性能依然保持穩(wěn)定，避免了因相變過程中石蠟泄漏而導(dǎo)致的性能下降問題。微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控：通過精確控制相變材料的微觀結(jié)構(gòu)，如晶粒大小、形貌等，可以顯著改善其熱穩(wěn)定性。從微觀角度來看，較小的晶粒尺寸能夠增加晶界的數(shù)量，而晶界具有較高的能量，能夠阻礙位錯的運(yùn)動和原子的擴(kuò)散，從而提高材料的熱穩(wěn)定性。例如，采用溶膠-凝膠法、噴霧干燥法等制備工藝，可以制備出具有納米級晶粒尺寸的相變材料。在制備納米二氧化硅負(fù)載的脂肪酸相變材料時，通過溶膠-凝膠法精確控制反應(yīng)條件，使得脂肪酸均勻地分散在納米二氧化硅的孔隙中，形成納米級的微觀結(jié)構(gòu)。這種微觀結(jié)構(gòu)不僅增加了脂肪酸與二氧化硅之間的相互作用，還限制了脂肪酸分子的運(yùn)動，使得相變材料在高溫下的穩(wěn)定性得到大幅提高。此外，調(diào)控相變材料的形貌，如制備具有多孔結(jié)構(gòu)、纖維狀結(jié)構(gòu)等，也能夠改善其熱穩(wěn)定性。多孔結(jié)構(gòu)可以增加材料的比表面積，提高熱量傳遞效率，同時在相變過程中能夠緩沖體積變化，減少內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生；纖維狀結(jié)構(gòu)則具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能夠增強(qiáng)相變材料的穩(wěn)定性。3.3相變材料的設(shè)計方法與實(shí)例3.3.1計算機(jī)模擬計算機(jī)模擬在相變材料的設(shè)計中發(fā)揮著重要作用，它能夠在實(shí)際制備材料之前，對材料的性能進(jìn)行預(yù)測和篩選，大大縮短了研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。常用的計算機(jī)模擬方法包括分子動力學(xué)模擬和熱力學(xué)模擬，它們從不同角度為相變材料的設(shè)計提供了關(guān)鍵信息。分子動力學(xué)模擬基于牛頓運(yùn)動定律，通過對原子或分子的運(yùn)動軌跡進(jìn)行數(shù)值求解，來模擬材料的微觀結(jié)構(gòu)和動力學(xué)行為。在相變材料的設(shè)計中，分子動力學(xué)模擬可以深入研究相變材料的原子結(jié)構(gòu)、分子間相互作用以及相變過程中的微觀機(jī)制。例如，對于有機(jī)相變材料石蠟，通過分子動力學(xué)模擬可以清晰地觀察到在相變過程中，石蠟分子的排列方式如何從有序的晶體結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的液態(tài)結(jié)構(gòu)，以及分子間的相互作用力如何變化。通過改變模擬參數(shù)，如溫度、壓力等，可以預(yù)測不同條件下石蠟的相變溫度和相變潛熱，為材料的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。在研究復(fù)合相變材料時，分子動力學(xué)模擬能夠揭示有機(jī)相變材料與無機(jī)添加劑之間的界面相互作用，幫助優(yōu)化復(fù)合材料的組成和結(jié)構(gòu)，提高材料的性能。熱力學(xué)模擬則是基于熱力學(xué)原理，通過建立數(shù)學(xué)模型來描述相變材料的熱力學(xué)性質(zhì)和相變過程。它可以計算相變材料的相變溫度、相變潛熱、比熱容等熱力學(xué)參數(shù)，以及這些參數(shù)隨溫度、壓力等條件的變化關(guān)系。例如，利用熱力學(xué)模擬軟件，可以對不同組成的結(jié)晶水合鹽相變材料進(jìn)行模擬，預(yù)測其相變溫度和相變潛熱。通過調(diào)整結(jié)晶水合鹽的陽離子和陰離子種類、結(jié)晶水含量等因素，可以找到具有最佳相變性能的材料組成。熱力學(xué)模擬還可以研究相變材料在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性，為材料的實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。在研究相變材料在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用時，熱力學(xué)模擬可以幫助分析相變材料與電池之間的熱傳遞過程，優(yōu)化相變材料的布置方式和用量，提高電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的效率。計算機(jī)模擬在相變材料設(shè)計中的優(yōu)勢顯著。一方面，它能夠快速地對大量不同組成和結(jié)構(gòu)的相變材料進(jìn)行篩選和評估，大大提高了材料研發(fā)的效率。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法需要合成和測試多種材料樣品，過程繁瑣且耗時，而計算機(jī)模擬可以在短時間內(nèi)對各種可能的材料體系進(jìn)行模擬分析，快速確定具有潛在應(yīng)用價值的相變材料。另一方面，計算機(jī)模擬可以深入研究相變材料的微觀結(jié)構(gòu)和相變機(jī)制，為材料的優(yōu)化設(shè)計提供理論支持。通過模擬結(jié)果，研究人員可以了解材料性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，從而有針對性地對材料進(jìn)行改性和優(yōu)化，提高材料的性能。計算機(jī)模擬還可以預(yù)測材料在不同條件下的性能變化，為材料的實(shí)際應(yīng)用提供參考，減少實(shí)驗(yàn)誤差和不確定性。3.3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計實(shí)驗(yàn)設(shè)計是相變材料研究中不可或缺的環(huán)節(jié)，它是對計算機(jī)模擬結(jié)果的驗(yàn)證和進(jìn)一步優(yōu)化的關(guān)鍵步驟。通過實(shí)驗(yàn)，可以直觀地觀察相變材料的實(shí)際性能，確保模擬結(jié)果的可靠性，并利用正交設(shè)計、響應(yīng)面法等實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法，精確地優(yōu)化相變材料的組成和制備條件，從而獲得性能更優(yōu)的相變材料。在對模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時，首先需要根據(jù)模擬預(yù)測的具有潛在優(yōu)勢的相變材料組成和結(jié)構(gòu)，進(jìn)行材料的合成與制備。在制備有機(jī)-無機(jī)復(fù)合相變材料時，若模擬結(jié)果顯示某種特定比例的石蠟與膨脹石墨復(fù)合能顯著提高熱導(dǎo)率，那么在實(shí)驗(yàn)中就按照該比例進(jìn)行材料制備。制備過程中，需嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，如反應(yīng)溫度、時間、反應(yīng)物的純度等，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。制備完成后，利用多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)對相變材料的性能進(jìn)行全面測試。使用差示掃描量熱儀（DSC）精確測量相變材料的相變溫度和相變潛熱，通過熱線法或激光閃射法測定熱導(dǎo)率，采用熱重分析儀（TGA）分析材料的熱穩(wěn)定性等。將實(shí)驗(yàn)測得的性能數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，若兩者相符，則進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬的可靠性；若存在差異，則需要深入分析原因，可能是模擬模型的局限性、實(shí)驗(yàn)誤差或者制備過程中的不可控因素等，從而對模擬模型和實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。正交設(shè)計是一種高效的多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法，它通過合理安排實(shí)驗(yàn)因素和水平，利用正交表來選擇具有代表性的實(shí)驗(yàn)組合，從而在較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)下，全面考察各因素對相變材料性能的影響，并找出各因素之間的交互作用。在研究復(fù)合相變材料中有機(jī)相變材料含量、無機(jī)添加劑種類和含量、制備溫度這三個因素對相變材料熱導(dǎo)率和相變潛熱的影響時，可采用正交設(shè)計。首先確定每個因素的水平，如有機(jī)相變材料含量設(shè)為低、中、高三個水平，無機(jī)添加劑種類選擇三種不同的材料，含量也設(shè)為低、中、高三個水平，制備溫度設(shè)定三個不同的溫度點(diǎn)。然后根據(jù)正交表安排實(shí)驗(yàn)，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，確定各因素對性能影響的主次順序，以及各因素之間的最佳組合，從而優(yōu)化相變材料的組成和制備條件，提高材料的性能。響應(yīng)面法是一種基于數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)計分析的實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法，它通過構(gòu)建響應(yīng)變量（如相變材料的性能指標(biāo)）與多個因素之間的數(shù)學(xué)模型，以圖形化的方式直觀地展示各因素對響應(yīng)變量的影響，以及因素之間的交互作用。在相變材料的實(shí)驗(yàn)設(shè)計中，首先選擇影響相變材料性能的關(guān)鍵因素，如原材料的比例、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度等，確定因素的取值范圍。然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并收集數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立響應(yīng)面模型。根據(jù)響應(yīng)面模型繪制響應(yīng)曲面圖和等高線圖，從圖中可以清晰地看出各因素對性能的影響趨勢，以及因素之間的交互作用。通過對響應(yīng)面模型的分析，可以找到使相變材料性能達(dá)到最優(yōu)的因素組合，實(shí)現(xiàn)對相變材料組成和制備條件的精確優(yōu)化。例如，在研究一種新型相變材料的制備時，利用響應(yīng)面法對原材料的比例和反應(yīng)溫度進(jìn)行優(yōu)化，通過分析響應(yīng)面模型，找到了使相變材料相變潛熱最大且熱導(dǎo)率滿足要求的原材料比例和反應(yīng)溫度的最佳組合，從而提高了相變材料的綜合性能。3.3.3設(shè)計實(shí)例分析以復(fù)合相變材料（如有機(jī)-無機(jī)復(fù)合）和新型相變材料（如金屬有機(jī)框架MOFs）為例，它們獨(dú)特的設(shè)計思路和優(yōu)異的性能特點(diǎn)為電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域帶來了新的解決方案。有機(jī)-無機(jī)復(fù)合相變材料的設(shè)計旨在綜合有機(jī)相變材料和無機(jī)相變材料的優(yōu)勢，克服它們各自的缺點(diǎn)。有機(jī)相變材料通常具有較高的相變焓，能夠存儲大量的熱量，但其熱導(dǎo)率較低，限制了熱量的快速傳遞；無機(jī)相變材料則具有較高的熱導(dǎo)率，能夠快速傳遞熱量，但部分無機(jī)相變材料存在過冷度大、相分離等問題，且相變焓相對較低。通過將有機(jī)相變材料與無機(jī)相變材料復(fù)合，可以實(shí)現(xiàn)性能的互補(bǔ)。在將石蠟與膨脹石墨復(fù)合制備有機(jī)-無機(jī)復(fù)合相變材料時，石蠟作為有機(jī)相變材料，提供了較高的相變焓，能夠在相變過程中吸收或釋放大量的熱量，有效調(diào)節(jié)電池的溫度；膨脹石墨作為無機(jī)材料，具有高導(dǎo)熱性，其獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)能夠?yàn)槭炋峁┲?，增加?fù)合材料的形狀穩(wěn)定性，同時提高了復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率，使熱量能夠更快速地傳遞。研究表明，當(dāng)膨脹石墨的含量為5%時，復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率可提高2-3倍，在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，能夠更迅速地將電池產(chǎn)生的熱量傳遞出去，有效降低電池溫度，提高電池的熱穩(wěn)定性。復(fù)合相變材料還可以通過調(diào)整有機(jī)和無機(jī)材料的比例，以及采用不同的復(fù)合方式（如物理混合、化學(xué)包覆等），來優(yōu)化材料的性能，滿足不同電池?zé)峁芾淼男枨蟆＝饘儆袡C(jī)框架（MOFs）是一類新型的多孔材料，由金屬離子或金屬簇與有機(jī)配體通過配位鍵自組裝而成，具有高比表面積、孔隙率可調(diào)、結(jié)構(gòu)多樣等獨(dú)特優(yōu)勢，在電池?zé)峁芾碛孟嘧儾牧项I(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。MOFs的結(jié)構(gòu)具有高度的可設(shè)計性，通過選擇不同的金屬離子和有機(jī)配體，可以精確調(diào)控其孔道大小、形狀和表面性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對相變溫度和相變潛熱的精準(zhǔn)調(diào)控。例如，選擇具有特定官能團(tuán)的有機(jī)配體，與金屬離子組裝形成MOFs，這些官能團(tuán)可以與相變材料發(fā)生相互作用，影響相變過程，進(jìn)而調(diào)節(jié)相變溫度和相變潛熱，使其更好地匹配電池的工作溫度范圍。MOFs的高比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)能夠?yàn)橄嘧儾牧咸峁┐罅康膬Υ婵臻g，提高相變材料的負(fù)載量，增強(qiáng)其儲能能力。將MOFs與有機(jī)相變材料復(fù)合，有機(jī)相變材料可以填充在MOFs的孔道中，形成穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)，不僅提高了相變材料的穩(wěn)定性，還能充分發(fā)揮MOFs的優(yōu)勢，提升復(fù)合相變材料的綜合性能。然而，MOFs在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)，如導(dǎo)電性較差，在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中可能影響熱量的快速傳導(dǎo)；部分MOFs在潮濕或高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性有待提高。針對這些問題，研究人員通過對MOFs進(jìn)行改性，如引入導(dǎo)電添加劑、優(yōu)化合成工藝等，來提高其性能，拓展其在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的應(yīng)用。四、相變材料在電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用研究4.1相變材料在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的作用機(jī)制相變材料在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中主要通過潛熱儲能和顯熱傳遞兩種方式來調(diào)節(jié)電池溫度，確保電池在適宜的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。在電池充放電過程中，電池內(nèi)部會發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)會產(chǎn)生大量的熱量。當(dāng)電池溫度升高并達(dá)到相變材料的相變溫度時，相變材料開始從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，這一過程屬于固-液相變。以常見的石蠟相變材料為例，石蠟是由多種烷烴組成的混合物，在固態(tài)時，分子通過范德華力緊密排列，形成有序的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度升高到相變溫度時，分子獲得足夠的能量，克服范德華力的束縛，開始自由移動，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。在這個熔化過程中，相變材料會吸收大量的熱量，這些熱量用于打破分子間的相互作用，實(shí)現(xiàn)從固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變，而材料自身的溫度在相變完成前幾乎保持不變，形成一個相對穩(wěn)定的溫度平臺。這一特性使得相變材料能夠有效地吸收電池產(chǎn)生的多余熱量，防止電池溫度過高，從而保護(hù)電池的性能和安全性。當(dāng)電池溫度降低時，相變材料會從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，這是一個凝固過程。在凝固過程中，分子間的作用力逐漸增強(qiáng)，分子活動能力減弱，分子間距減小，重新排列形成有序的晶體結(jié)構(gòu)。此時，相變材料會釋放出在熔化過程中儲存的熱量，避免電池溫度過低，確保電池在適宜的溫度下工作。這種通過相變過程吸收和釋放熱量的方式，使得相變材料能夠在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中起到穩(wěn)定電池溫度的關(guān)鍵作用。除了相變過程中的潛熱儲能外，相變材料在固態(tài)和液態(tài)時還通過顯熱傳遞來調(diào)節(jié)電池溫度。在相變材料未發(fā)生相變時，即處于固態(tài)或液態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)電池產(chǎn)生熱量時，熱量會通過熱傳導(dǎo)的方式從電池傳遞到相變材料中。根據(jù)傅里葉定律，熱傳導(dǎo)的速率與材料的熱導(dǎo)率、溫度梯度以及傳熱面積有關(guān)。相變材料的熱導(dǎo)率雖然相對一些金屬材料較低，但在與電池緊密接觸的情況下，仍然能夠有效地將電池產(chǎn)生的熱量傳遞到自身內(nèi)部。隨著熱量的傳遞，相變材料的溫度會逐漸升高，這一過程中所吸收的熱量即為顯熱。同樣，當(dāng)電池溫度降低時，相變材料中的熱量會反向傳遞回電池，以維持電池溫度的穩(wěn)定。在相變材料發(fā)生相變后，液態(tài)的相變材料與電池之間的熱傳遞方式除了熱傳導(dǎo)外，還可能存在熱對流。熱對流是指由于流體的宏觀運(yùn)動而引起的熱量傳遞現(xiàn)象。在液態(tài)相變材料中，由于溫度分布的不均勻性，會導(dǎo)致液體的密度差異，從而引發(fā)液體的自然對流。這種自然對流能夠加速熱量的傳遞，使相變材料與電池之間的熱交換更加充分，進(jìn)一步提高了相變材料對電池溫度的調(diào)節(jié)能力。綜上所述，相變材料在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中通過固-液相變過程中的潛熱儲能以及固態(tài)和液態(tài)時的顯熱傳遞，有效地調(diào)節(jié)電池溫度，確保電池在充放電過程中能夠保持在適宜的溫度范圍內(nèi)，從而提高電池的性能、安全性和使用壽命。4.2應(yīng)用方式與案例分析4.2.1直接接觸電池在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，相變材料直接與電池接觸是一種常見且有效的應(yīng)用方式。這種方式能夠使相變材料迅速吸收電池產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)高效的熱傳遞和溫度調(diào)節(jié)。以某款電動汽車的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)為例，該系統(tǒng)采用了石蠟基復(fù)合相變材料直接與鋰離子電池接觸。在電池充放電過程中，當(dāng)電池溫度升高時，石蠟基復(fù)合相變材料迅速吸收熱量，從固態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。通過精確的實(shí)驗(yàn)測量，在電池以3C放電倍率進(jìn)行放電時，未使用相變材料的電池組最高溫度可達(dá)65℃，而采用了直接接觸相變材料的電池組最高溫度被有效控制在40℃以內(nèi)，明顯低于電池的熱失控溫度閾值，極大地降低了熱失控的風(fēng)險。在整個放電過程中，電池組內(nèi)各單體電池之間的溫度差始終保持在5℃以內(nèi)，確保了電池組內(nèi)各單體電池工作狀態(tài)的一致性，提高了電池組的整體性能。直接接觸電池的應(yīng)用方式具有顯著的優(yōu)勢。其熱傳遞效率高，相變材料與電池直接接觸，減少了熱阻，能夠快速吸收電池產(chǎn)生的熱量，有效抑制電池溫度的上升。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)對電池溫度的精準(zhǔn)控制，將相變材料的相變溫度與電池的最佳工作溫度相匹配，使電池始終在適宜的溫度下工作，有助于提高電池的充放電效率和循環(huán)壽命。直接接觸的應(yīng)用方式還具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，不需要復(fù)雜的熱傳遞介質(zhì)和結(jié)構(gòu)，降低了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的成本和復(fù)雜度。4.2.2構(gòu)成電池模塊一部分將相變材料嵌入電池模塊中，使其成為電池模塊的一部分，是另一種重要的應(yīng)用方式。這種方式能夠從整體上調(diào)節(jié)電池模塊的溫度，提高電池模塊的熱穩(wěn)定性和性能。以某品牌儲能電站的電池模塊為例，該模塊采用了相變材料與散熱片相結(jié)合的設(shè)計。相變材料被填充在電池模塊內(nèi)部的特定空間中，與電池緊密相鄰，散熱片則分布在電池模塊的周圍，與相變材料相互配合。在電池模塊的充放電過程中，當(dāng)電池產(chǎn)生熱量時，熱量首先傳遞給相變材料，相變材料發(fā)生相變吸收熱量，從而降低電池的溫度。與此同時，散熱片通過熱傳導(dǎo)將相變材料吸收的熱量傳遞到周圍環(huán)境中，進(jìn)一步增強(qiáng)了散熱效果。通過對該電池模塊在不同工況下的測試，在高溫環(huán)境下，當(dāng)電池模塊以高倍率充電時，未使用相變材料的電池模塊最高溫度可達(dá)到55℃，且模塊內(nèi)溫度分布不均勻，各電池之間的溫差較大；而采用了相變材料的電池模塊最高溫度被控制在45℃以內(nèi)，且模塊內(nèi)各電池之間的溫差小于3℃，有效保證了電池模塊的溫度均勻性。將相變材料構(gòu)成電池模塊一部分的應(yīng)用方式，能夠充分發(fā)揮相變材料的儲能和溫度調(diào)節(jié)作用，與散熱片等其他組件協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對電池模塊溫度的有效控制。這種方式不僅可以提高電池模塊的熱穩(wěn)定性和安全性，還能改善電池模塊的充放電性能，延長電池的使用壽命。通過合理設(shè)計相變材料在電池模塊中的位置和用量，以及優(yōu)化相變材料與其他組件的配合方式，可以進(jìn)一步提高電池模塊的熱管理效果，滿足不同應(yīng)用場景對電池模塊性能的要求。4.3與其他熱管理技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用4.3.1與液冷結(jié)合以鋰離子電池?zé)峁芾頌槔?，相變材料與液冷結(jié)合的熱管理方案具有獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠有效提升電池的熱管理效果。在這種方案中，相變材料與液冷系統(tǒng)相互配合，共同發(fā)揮作用。相變材料通常被布置在電池周圍，與電池緊密接觸。當(dāng)電池在充放電過程中產(chǎn)生熱量時，相變材料首先發(fā)揮作用。由于相變材料具有在特定溫度下發(fā)生相變并吸收大量潛熱的特性，當(dāng)電池溫度升高到相變材料的相變溫度時，相變材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，吸收電池產(chǎn)生的熱量，從而有效地抑制電池溫度的快速上升。以石蠟基相變材料為例，其相變溫度一般在30-80℃之間，與鋰離子電池的工作溫度范圍較為匹配。在電池溫度升高時，石蠟基相變材料迅速吸收熱量發(fā)生熔化，將電池產(chǎn)生的多余熱量儲存起來，使電池溫度保持在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)，確保電池在適宜的溫度下工作。液冷系統(tǒng)則作為輔助散熱手段，與相變材料協(xié)同工作。液冷系統(tǒng)通過循環(huán)流動的冷卻液來帶走熱量。冷卻液通常具有較高的比熱容和良好的導(dǎo)熱性能，能夠快速地吸收熱量并將其傳遞出去。在相變材料與液冷結(jié)合的熱管理系統(tǒng)中，當(dāng)相變材料吸收熱量后，其溫度會逐漸升高，此時液冷系統(tǒng)開始發(fā)揮作用。冷卻液在管道中循環(huán)流動，通過熱傳導(dǎo)的方式將相變材料吸收的熱量帶走，使相變材料能夠持續(xù)保持在較低的溫度，以便繼續(xù)吸收電池產(chǎn)生的熱量。冷卻液的流動速度和溫度可以根據(jù)電池的實(shí)際工作情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)最佳的散熱效果。這種結(jié)合方式具有諸多優(yōu)勢。相變材料能夠有效保持電池組的溫度均勻性。由于相變材料直接與電池接觸，能夠迅速吸收電池產(chǎn)生的熱量，并且在相變過程中保持相對穩(wěn)定的溫度，從而使得電池組內(nèi)各電池之間的溫度差異減小，避免了因溫度不均勻?qū)е碌碾姵匦阅懿灰恢聠栴}。而液冷系統(tǒng)則具有較高的散熱效率，能夠快速將熱量傳遞出去，彌補(bǔ)了相變材料熱導(dǎo)率較低的缺點(diǎn)。通過液冷系統(tǒng)的輔助散熱，相變材料能夠在更長時間內(nèi)保持有效的吸熱能力，提高了整個熱管理系統(tǒng)的散熱性能。兩者結(jié)合還可以減少首次充放電循環(huán)對后續(xù)循環(huán)過程的影響，增加電池使用壽命。在首次充放電循環(huán)中，電池會產(chǎn)生較大的熱量，相變材料和液冷系統(tǒng)的協(xié)同作用能夠及時有效地將這些熱量散發(fā)出去，減少了熱量對電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)的影響，從而降低了電池的老化速度，延長了電池的使用壽命。在實(shí)際應(yīng)用中，相變材料與液冷結(jié)合的熱管理方案取得了顯著的效果。有研究設(shè)計了一種相變材料和冷卻板混合的電池?zé)峁芾矸绞剑ζ溥M(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在高溫和高放電工況下，液冷的引入解決了因相變材料完全液化導(dǎo)致的電池溫度惡化和中間電池?zé)崃坷鄯e的問題。相比于純相變冷卻，當(dāng)冷卻液速度為0.5m/s時，混合冷卻可將電池的間距減小至3mm，繼續(xù)增大冷卻液的速度對熱管理性能提升較小。同時，液冷板的加入可以減少首次充放電循環(huán)對后續(xù)循環(huán)過程的影響，增加電池的使用壽命。在某款電動汽車的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，采用了相變材料與液冷結(jié)合的方式，經(jīng)過實(shí)際測試，在高功率放電工況下，電池組的最高溫度能夠被有效控制在45℃以內(nèi)，電池組內(nèi)各電池之間的溫差小于5℃，確保了電池的穩(wěn)定運(yùn)行和性能發(fā)揮，顯著提高了電動汽車的安全性和可靠性。4.3.2與熱管技術(shù)結(jié)合相變材料與熱管技術(shù)結(jié)合在電池?zé)峁芾碇姓宫F(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用原理和顯著的優(yōu)勢。熱管是一種具有高效傳熱性能的裝置，其工作原理基于液體的蒸發(fā)和冷凝相變過程。在熱管內(nèi)部，充有一定量的工作液體，當(dāng)熱管的一端受熱時，工作液體吸收熱量蒸發(fā)變成蒸汽，蒸汽在微小的壓力差下迅速流向熱管的另一端，即冷凝端。在冷凝端，蒸汽釋放熱量，重新凝結(jié)成液體，然后在毛細(xì)力的作用下回流到蒸發(fā)端，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)熱量的快速傳遞。在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，相變材料與熱管結(jié)合的應(yīng)用原理如下：熱管通常被布置在電池之間或電池周圍，與電池緊密接觸，以便快速吸收電池產(chǎn)生的熱量。當(dāng)電池在充放電過程中產(chǎn)生熱量時，熱管的蒸發(fā)端迅速吸收熱量，工作液體蒸發(fā)成蒸汽，將熱量快速傳遞到冷凝端。而相變材料則填充在電池與熱管之間的空隙中，或者包裹在熱管周圍。當(dāng)熱管傳遞熱量時，相變材料會吸收熱管散發(fā)的熱量，發(fā)生相變，從而進(jìn)一步降低電池的溫度。在這個過程中，熱管的高效傳熱性能能夠快速將電池產(chǎn)生的熱量傳遞出去，解決了相變材料熱導(dǎo)率低的問題，使得熱量能夠更迅速地從電池傳遞到相變材料中；而相變材料則利用其相變潛熱吸收熱量，延長了熱管理系統(tǒng)的有效工作時間，提高了熱管理系統(tǒng)的儲能能力。這種結(jié)合方式具有多方面的優(yōu)勢。熱管能夠快速有效地帶走電池產(chǎn)生的熱量，大大降低電池溫度。在高放電倍率下，電池產(chǎn)生的熱量迅速增加，僅依靠相變材料自身的熱傳導(dǎo)難以滿足快速散熱的需求。而熱管可以在短時間內(nèi)將大量熱量傳遞出去，從而有效降低電池的溫度，避免電池因過熱而導(dǎo)致性能下降或安全問題。熱管的存在還能延遲相變材料的熔化時間。由于熱管能夠快速將熱量傳遞出去，使得相變材料吸收熱量的速度相對減緩，從而延遲了相變材料達(dá)到相變溫度并開始熔化的時間。這意味著在電池長時間高功率運(yùn)行時，相變材料能夠在更長時間內(nèi)保持固態(tài)，維持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少因相變材料過早熔化而導(dǎo)致的熱管理性能下降的風(fēng)險。相變材料與熱管的結(jié)合還能降低熱失控的風(fēng)險。在電池?zé)峁芾碇?，熱失控是一種極其危險的情況，可能導(dǎo)致電池起火、爆炸等嚴(yán)重后果。通過熱管和相變材料的協(xié)同工作，能夠有效地控制電池溫度，避免電池溫度過高引發(fā)熱失控，提高了電池系統(tǒng)的安全性。在實(shí)際案例中，有研究提出了一種結(jié)合PCM和HP的混合型BTMS，HP位于電池之間，與電池直接接觸，電池產(chǎn)生的熱量被HP和PCM同時吸收。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案在控制電池最高溫度和溫差方面具有明顯優(yōu)勢。在放電速率為2C時，與以往研究中HPs和PCM交替排列的布局相比，該方案在h=15W/(m2?K)時的最高溫度為44.5?C，在h=60W/(m2?K)時的最高溫度為38.2?C，分別比以往研究降低了6.7%和19.9%；在h=15W/(m2?K)時溫差僅為1.36?C，與以往研究相比降低了58.5%。還有一種基于熱管和相變材料的圓柱型鋰電池組散熱裝置，采用弧形導(dǎo)熱鋁片緊密貼合圓柱電池組的外表面，弧形導(dǎo)熱鋁片通過U型平板熱管將熱量傳遞到液冷板上，液冷板中的冷卻劑將熱量傳遞到外界環(huán)境當(dāng)中，同時相變材料通過相變也能吸收大量的熱量，可以使整個電池組的溫度能保持良好的一致性，有效提升了電池組的熱管理效果。五、案例分析5.1南京航空航天大學(xué)新型生物基共晶復(fù)合相變材料南京航空航天大學(xué)周飛教授團(tuán)隊(duì)提出的新型生物基共晶復(fù)合相變材料（CPCM），為電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域帶來了新的突破。該材料由乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）、氮化鋁（AlN）以及月桂酸（LA）和硬脂酸（SA）的共晶PCM組成，具備多種優(yōu)異特性，在電池?zé)峁芾碇姓宫F(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。在組成方面，月桂酸和硬脂酸形成的共晶PCM是該材料的核心相變部分。通過理論計算得到6個二元EO-PCMs的相圖，精準(zhǔn)篩選出LA-SA共晶PCM，其具有與電池工作溫度對應(yīng)的合適相變溫度，經(jīng)測定為37.03℃，這一溫度與鋰離子電池最佳工作溫度范圍（25-40℃）高度契合，能夠在電池溫度升高時及時發(fā)生相變，有效吸收熱量，從而穩(wěn)定電池工作溫度。該共晶PCM還擁有高達(dá)100次循環(huán)的長期熱循環(huán)穩(wěn)定性，這意味著在電池的多次充放電循環(huán)過程中，相變材料能夠始終保持穩(wěn)定的相變性能，持續(xù)為電池提供可靠的熱管理保障。EVA在材料中起到了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)支撐和封裝作用。EVA的交聯(lián)結(jié)構(gòu)有效地包裹了共晶PCM，使其在高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在80℃加熱24小時后，該材料的質(zhì)量損失僅低于4%，這充分證明了EVA交聯(lián)結(jié)構(gòu)對共晶PCM的良好封裝效果，防止了相變材料在高溫下的泄漏和性能退化，提高了材料的可靠性和使用壽命。AlN的引入則顯著提升了材料的傳熱能力和力學(xué)性能。AlN具有較高的熱導(dǎo)率，能夠有效改善復(fù)合相變材料的熱傳導(dǎo)性能，使熱量能夠更快速地在材料中傳遞。研究顯示，添加5wt%AlN的LA-SA/EVA/AlN復(fù)合材料具有高熱導(dǎo)率，達(dá)到0.726W/(m?K)，相比未添加AlN的材料，熱導(dǎo)率有了大幅提升。該復(fù)合材料還具備足夠的潛熱，為107.94J/g，以及較低的抗彎強(qiáng)度1.72MPa，這使得材料在保證良好熱性能的同時，還具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，能夠適應(yīng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的各種工況條件。在電池?zé)峁芾淼膶?shí)際應(yīng)用中，該新型生物基共晶復(fù)合相變材料展現(xiàn)出了卓越的性能。在4C放電測試中，含有5wt%AlN的CPCM能夠?qū)崿F(xiàn)低于45℃的電池最高溫度。這一結(jié)果表明，該CPCM能夠有效地冷卻電池，快速耗散PCM內(nèi)部的能量，將電池溫度控制在安全范圍內(nèi)，避免了電池因過熱而導(dǎo)致的性能下降和安全隱患。通過與其他冷卻介質(zhì)下的電池進(jìn)行比較，使用該CPCM的電池在溫度控制方面表現(xiàn)出色，電池溫度分布更加均勻，有效提升了電池的整體性能和穩(wěn)定性。5.2浙江大學(xué)石墨烯相變復(fù)合材料浙江大學(xué)高超教授、龐凱專職研究員團(tuán)隊(duì)設(shè)計的石墨烯相變復(fù)合材料，為解決鋰離子電池?zé)峁芾碇械年P(guān)鍵問題提供了創(chuàng)新方案。該材料以雙曲面石墨烯氣凝膠（HGA）作為高導(dǎo)熱填料，成功制備出相變復(fù)合材料（PGC），有效突破了傳統(tǒng)相變復(fù)合材料在高功率密度和能量密度之間的權(quán)衡限制。雙曲面石墨烯氣凝膠獨(dú)特的面面接觸三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是其性能優(yōu)異的關(guān)鍵。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化了傳熱路徑，使得熱量能夠在材料中更高效地傳遞。與傳統(tǒng)的導(dǎo)熱填料相比，雙曲面石墨烯氣凝膠在僅12.5wt%的低負(fù)載量下，就能顯著提高相變復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，使其達(dá)到約30.75W/mK，同時還能保持90%的高潛熱保持率。這一特性解決了傳統(tǒng)相變復(fù)合材料中，提高導(dǎo)熱填料負(fù)載量會導(dǎo)致相變成分占比降低，進(jìn)而大幅度降低相變復(fù)合材料能量密度的問題。在實(shí)際應(yīng)用中，PGC展現(xiàn)出了卓越的性能。其有效能量密度高達(dá)1003Wh/kg，功率密度達(dá)到2927W/kg，這使得它在處理高功率密度下的熱量時，仍能保持較高的能量存儲能力。將PGC應(yīng)用于商業(yè)14500型鋰離子電池的熱管理系統(tǒng)中，在10000次充放電循環(huán)后，PGC能夠使電池組的溫度始終穩(wěn)定在約42℃的安全高效工作溫度。在高倍率充放電過程中，PGC也表現(xiàn)出色。當(dāng)容量倍率從2.75C增加到3.75C時，帶有PGC系統(tǒng)的電池組溫度上升曲線明顯低于裸電池組，有效抑制了電池的熱失控，確保了電池在高負(fù)荷工作狀態(tài)下的安全性和穩(wěn)定性。在3C倍率下，經(jīng)過10000次充放電循環(huán)，帶有PGC系統(tǒng)的電池組不僅溫度穩(wěn)定，其容量和庫侖效率也保持良好，這表明PGC在長期使用過程中，能夠有效保護(hù)電池性能，延長電池使用壽命。5.3中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所膨脹石墨/PCM/石墨烯復(fù)合材料中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所YufengMao、伊利諾伊大學(xué)NenadMiljkovic等研究人員提出的膨脹石墨/PCM/石墨烯復(fù)合材料，為解決相變材料在電池?zé)峁芾響?yīng)用中的難題提供了創(chuàng)新思路。該復(fù)合材料巧妙地結(jié)合了膨脹石墨、相變材料和石墨烯的優(yōu)勢，展現(xiàn)出卓越的性能。從解決應(yīng)用難題的原理來看，膨脹石墨/PCM相變復(fù)合材料在消除泄漏和提高有效導(dǎo)熱率方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。膨脹石墨具有獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)，這些孔隙能夠有效地容納相變材料，將相變材料緊緊地束縛在其內(nèi)部，從而消除了相變材料在液態(tài)時容易泄漏的問題。這種物理約束作用使得相變材料在反復(fù)相變過程中始終保持在固定的位置，提高了材料的可靠性和穩(wěn)定性。膨脹石墨的高導(dǎo)熱性能也極大地改善了復(fù)合相變材料的熱傳導(dǎo)能力。膨脹石墨的層狀結(jié)構(gòu)中，碳原子之間存在著強(qiáng)烈的共價鍵，電子在層間能夠自由移動，這使得膨脹石墨具有良好的導(dǎo)熱性。當(dāng)膨脹石墨與相變材料復(fù)合后，熱量能夠沿著膨脹石墨的骨架快速傳遞，大大提高了相變材料的有效導(dǎo)熱率，解決了傳統(tǒng)相變材料熱導(dǎo)率低的問題，使得熱量能夠更迅速地從電池傳遞到相變材料中，實(shí)現(xiàn)快速散熱。石墨烯涂層則為相變材料的再生提供了輻射冷卻的途徑。石墨烯是一種由碳原子組成的二維材料，具有優(yōu)異的光學(xué)性能，在中紅外區(qū)域具有較高的發(fā)射率。當(dāng)相變材料吸收電池產(chǎn)生的熱量后，溫度升高，此時石墨烯涂層能夠?qū)崃恳暂椛涞男问缴l(fā)到周圍環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)相變材料的冷卻再生。這種輻射冷卻機(jī)制與傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)和熱對流冷卻方式不同，它不需要借助介質(zhì)進(jìn)行熱量傳遞，能夠在真空中也能有效地發(fā)揮作用，拓寬了相變材料在不同環(huán)境下的應(yīng)用范圍。通過膨脹石墨和石墨烯的協(xié)同作用，該復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了高效的被動熱管理，其熱控制性能可與主動冷卻相媲美。在電池?zé)峁芾淼膶?shí)際應(yīng)用中，該復(fù)合材料展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在被動電池?zé)峁芾韺?shí)驗(yàn)中，使用該復(fù)