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原文传递高稳定性相变高分子的低温制备,灌封工艺及控温性能研究

论文题名：	高稳定性相变高分子的低温制备,灌封工艺及控温性能研究
关键词：	电动汽车;电池热管理系统;相变高分子;低温制备;灌封工艺;控温性能
摘要：	面对逐渐恶化的环境和短缺的能源等压力，新能源汽车渐渐进入人们的视线中，部分国家开始给予了鼓励使用政策以及发布禁售燃油车的计划，电动汽车被视为解决上述问题的有效方法。于是，动力电池技术得到迅速发展，纯电动汽车将成为主流。然而，近些年来，作为电动汽车（EVs）的核心部件，动力电池冒烟、自燃等安全事故频发，这主要是因为电池模组在快充快放或长时间运行过程中，电池产生的热量不能及时散出，模组过高的温度或温差将会引发电池内部一系列的副反应，降低电池的使用寿命和性能，甚至出现电池热失控而引发热安全事故。因此，为了能够严格控制电池模组的温升和温差，最大化电池的使用寿命并保证电动汽车的安全性，设计一个合理的电池热管理系统是有必要的。　　相变材料（PCM）冷却技术凭借其被动式的冷却性能和安装简便的优点，被研究人员视为电池热管理系统的下一代冷却技术。然而，PCM一直存在着热稳定性差，相变时容易泄漏等问题。为此，大多数人均采用物理混合的方法，即添加各种定型或者吸附组分来限制相变组分在液态时的流动。但在材料长时间使用后或在极端恶劣工况下，PCM仍会在材料内部缓慢迁移，泄漏的问题依然不能解决。于是，为了能够从根源上解决问题，促进PCM冷却技术的实际应用，课题组开发了一种固-固相变高分子（SSPCP），具有原料廉价、丰富，制备过程简单，热稳定性好、抗泄漏等优点。然而，在材料制备过程中，所使用的引发剂需要较高的引发温度方能实现快速聚合，而过高的反应温度导致浆料不能与电池直接接触，不能直接对电池模组进行灌封，需要制备成预定规格的模块后，进行二次加工，再组装成电池模组。除了较为繁冗的步骤之外，这种方法无疑会增大电池与PCM模块之间的接触热阻。　　针对这些问题，本论文在原有自由基聚合的基础上，通过引入氧化还原引发体系，成功实现了该材料在40℃近室温条件下的制备。除了保持与原方法制备的材料一样的优异的热稳定性和抗泄漏特性，该方法可以直接将前驱体浆液灌封于电池模组中，实现模组一步成型。本论文主要研究内容和研究结论如下：　　（1）引入氧化还原引发体系，降低原反应所需的化学能，即两种引发剂进行氧化还原反应，生成大量的自由基，进而实现材料在40℃近室温条件下聚合反应。通过研究过氧类引发剂与两类还原类引发剂的配比（过氧化苯甲酰BPO:N,N-二甲基对甲苯胺DPMT），确定了氧化还原引发体系的最佳比例（2.3%：0.3%）和引发温度（40℃）。所制备出来的SSPCP具有优异的抗泄漏和热稳定性，即使进行长时间高温加热都没有发生泄漏及形变，这得益于三维交联的主链结构与通过化学键“绑定”在主链上的侧链。此外，脂肪烃基侧链赋予了SSPCP较高的潜热，如复合了6%膨胀石墨（EG）的SSPCP材料潜热值和导热系数分别达到99.6J g-1和2.33W m-1K-1，其相变温度为47.8℃。这些性能都说明该材料适用于电池热管理。　　（2）过高的模组灌封温度会显著降低电池的容量并增加内阻，从而降低电池的使用寿命。为此，通过引入氧化还原引发体系，成功地实现了电池模组在近室温下的一步灌封工艺。模组控温测试结果表明，SSPCP模组展现出了较强的控温能力。例如，在1C—1.5C的充-放电条件下，SSPCP模块的最高温度（Tmax）和最大温差（ΔTmax）分别为50.7和2.2℃，分别比空冷（NAC）模组低了6.5和1℃。在15次1C—1C充放电循环中，SSPCP模块在所有的循环中都展现出较低的T max和ΔTmax，分别为45.2和1.52℃，分别比固-液相变材料（SLPCM）模组的低2.2和0.1℃。另外，循环后的SSPCP模组表面光滑干净，且其表面刮下来的样品循环前后的潜热几乎没有变化，证实了其优异的抗泄漏性能。　　（3）为了进一步提高SSPCP的潜热，通过在EG与石蜡（PA）混合浆料中原位构筑SSPCP骨架的方式，制备了一种新型的SSPCP/PA/EG复合材料。实验结果表明，PA的添加量最大可达到50%，其的潜热值随PA添加量增加而增大，最高能达到153.1J g-1。通过评估不同PA含量的SSPCP/PA复合材料的抗泄漏和热稳定性能，最终选择了PA含量为30wt%的样品用于电池热管理，而SSPCP/PA/EG复合材料的潜热值和导热系数分别为124.6J g-1和2.36W m-1K-1，且具有良好的热稳定性和抗泄漏性能。在电池热管理应用中，SSPCP/PA模组表现出优异的控温和均温能力。例如，在1C—1C、1C—1.5C、1C—2C和1C—3C充-放电倍率下，SSPCP/PA模组的Tmax分别达到41.7、45.8、49.2和54.8℃，分别比SLPCM2模组低2.2、3.1、2.7和3.6℃。此外，SSPCP/PA模组的均温性能同样好于SLPCM2模组。另一方面，在充放电循环测试中，SSPCP/PA模组的Tmax和ΔTmax在15个充放电循环中分别稳定在52℃和4.2℃，且无泄露现象发生。与此形成鲜明对比的是，在经历了15个快速充放电过程之后，SLPCM2电池模组出现了明显的PA析出和冷却性能下降的现象。
作者：	林晓东
专业：	材料工程
导师：	张国庆
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广东工业大学
学位年度：	2022