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原文传递高导热复合相变材料的制备及在动力电池热管理中的性能研究

论文题名：	高导热复合相变材料的制备及在动力电池热管理中的性能研究
关键词：	电动汽车;动力电池;热管理系统;相变材料;石墨片;硅藻土;银纳米颗粒;熔融共混
摘要：	在我国大力推进“双碳”战略的时代背景下，新能源汽车也在蓬勃发展。然而，近年来电动汽车中动力电池引起的安全事故屡见不鲜；因此，提出一种科学有效的电池热管理系统来保障动力电池的安全运行至关重要。本论文以提高电池热管理系统（BTMS）的热管理性能为研究目标，提出两种高导热复合相变材料（CPCM），并将其应用在动力电池模组中进行热管理性能研究；同时对CPCM的微观形貌、化学结构、热物性、热稳定性、形状稳定性和热管理性能进行测试表征。首先，以石墨片（GNS）作为导热添加剂，硅藻土（DE）作为支撑材料，分别在其表面附着银纳米颗粒（AgNP），构筑连续大面积的导热网络；并分别将其与相变材料熔融共混，进而提高CPCM的热导率和形状稳定性；在此基础上，设计基于高导热CPCM的动力电池模组研究其控温性能。再者，通过采用不同种类的导热添加剂及不同结构的导热器件，以硅胶（SG）、碳化硅（SiC）和微通道扁平管（MFTs）为设计基础，提出一种高导热硅胶耦合微通道扁平管的BTMS，对比自然对流和强制空冷结构，分析基于MFTs的液冷结构在BTMS中的控温及均温能力。本文的主要研究内容和结论如下：　　（1）利用原位化学还原和自组装技术将银盐溶液还原成银纳米颗粒，并将其附着到具有聚多巴胺（PDA）涂层的石墨片（GNP）的表面上，再将GNP作为导热添加剂、环氧树脂（ER）作为支撑材料和聚乙二醇（PEG）作为相变基材，熔融共混制备得到高导热CPCM。其中，聚合PDA涂层的GNP表面AgNP的负载量达到了4.8%，并且将GNP作为导热添加剂的CPCM热导率由PEG的0.26显著提高到3.1W?m-1?K-1，提升了近1100%。同时，在选择ER作为支撑材料后，高导热CPCM在60℃和80℃的恒温加热台上各加热2h后的质量损失率分别仅为0.48%和1.04%，并全程保持较好的形状稳定性。基于高导热CPCM组装的电池模组在环境温度为25℃和35℃下分别进行的10次3C放电循环试验中，最高温度（TMax）分别为51.6℃和60.6℃，温差（ΔT）分别控制在4.2℃和8.3℃以下。该结果表明CPCM电池模组能有效控制电池在工作中的TMax和ΔT，利用CPCM的潜热及时吸收热量以及材料的高热导率将热量及时向外界传导，表明高导热CPCM电池热管理系统具有良好的控温及均温性能。　　（2）利用盐酸多巴胺对DE表面进行改性，增强DE对AgNP的吸附能力，制备得到附着了AgNP的硅藻土（DEP）。将DEP和膨胀石墨（EG）作为支撑材料，采用熔融共混法和真空熔融浸渍法，在与PEG分散均匀后利用压力差将PEG注入到DEP的多孔腔内，制备出PEG混合DEP和EG的复合相变材料（PDAE）。DEP表面呈多孔圆饼状，微孔之间的区域平整，均匀分布了AgNP，再配合EG的蠕虫状结构，搭建了一个连续的导热网络，不仅将PDAE的热导率显著提升至1.91W?m-1?K-1，与PEG相比提升了630%，而且使PDAE在60℃下依然能保持形状稳定。基于PDAE的电池模组在环境温度为25℃下进行的10次3C放电循环试验中，TMax和ΔT分别控制在53℃和4.4℃以内。此外，PDAE电池模组在放电循环测试过程中基本不出现热量积累的现象，从而有效提升了电池模组内部的温度稳定性并防止因温差过大而导致电池性能下降，表明PDAE高导热CPCM电池热管理系统具有良好的热管理性能。　　（3）采用物理共混法将SG与SiC混合制备出高导热硅胶（CSG），添加25wt%SiC的CSG热导率达到1.1W?m-1?K-1，与普通SG相比提高了2.4倍。此外，设计了基于CSG的不同冷却方式的热管理系统，分别为自然冷却（CSG-NC）、强制对流冷却（CSG-FC）和液体冷却（CSG-LC）系统。其中，采用CSG-LC的电池模组具有最优异的热管理性能，在电池模组两侧布置了5根MFTs，通过MFTs中持续流动的冷却剂将电池模组中热量向外界传导，保持电池的TMax处于安全的温度区间。在入口流量为10mL/s的CSG-LC电池模组中，结果表明其不仅具有优异的热管理性能，又可将能耗损失控制在合理范围内。同时，对CSG-LC采用不同流道的热管理性能进行研究，发现采用两侧向中心流向的CSG-LC电池模组，既能将电池模组的TMax控制在44.5℃以内，还能将电池模组内部的ΔT保持在4.4℃以内。以上研究表明采用入口流量为10mL/s和流道方向为两侧向中心的CSG-LC电池模组，具有将TMax和ΔT控制在安全范围之内，且无热堆积现象出现的优势。
作者：	吴晓炜
专业：	能源动力
导师：	刘效洲;阳楚雄
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广东工业大学
学位年度：	2023