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新型相变材料,动力锂电池热管理系统中的新势力

  动力电池技术   2019-08-26 次浏览

锂离子电池由于其高能量和高功率密度而成为电动车辆和混合动力电动车辆的主要动力来源,同时高功率也带来了较多的热量。但锂电池对温度非常敏感,过高或者过低的工作温度,都会对电池的性能和寿命带来影响。需要有效和紧凑的热管理系统(TMS)来管理其极端温升。主动TMS和被动TMS是两种流行的热管理技术。

主动热管理,需要能量驱动的热管理系统,包括:强迫风冷,水冷,热管冷却等,是比较常见的冷却方式。而被动热管理,则以不消耗能源为标志,包括自然冷却,相变材料冷却等。

主动热管理

Tran等人 设计了用于锂离子电池热管理的热管模块。他们发现热管加上了不同的通风方式被证明是HEV电池的有效热管理解决方案。格雷科等人。开发了一种将热管模型与热电路结合起来的一维瞬态模型。他们证明,通过使用一维瞬态模型,锂离子电池的温度从52°C下降到28°C。Mohammadian等人将铝泡沫嵌入散热片中以冷却锂离子电池。他们发现,与不使用泡沫铝的情况相比,在散热器内部使用泡沫铝后,锂离子电池的表面温度显著降低。赵等人使用液体冷却缸来冷却锂离子电池。他们利用液压缸将42个圆柱形电池的表面温度保持在40℃以下。由于增加了热泵,散热器,风扇组件等,上述所有主动冷却方法都很昂贵。

被动热管理

被动热管理(例如相变材料)近年来越来越受到人们的重视,因为它高效,紧凑和轻便。相变材料(PCM)以潜热的形式存储热量,潜热较大的介质主要有水,石蜡以及其他一些无机盐等。在潜热储存期间,PCM在几乎恒定的温度下从固态到液态或液态到气态发生相变。PCM应用于TMS系统,一般有下列要求:

1)有合适的相变温度,较大的相变潜热,合适的导热性能(一般宜大);

2)在相变过程中不应发生熔析现象,以免导致相变介质化学成分的变化;

3)相变的可逆性要好,过冷度应尽量小,性能稳定;

4)无毒、无腐蚀、无污染;

5)使用安全,不易燃、易爆或氧化变质;

6)较快的结晶速度和晶体生长速度。

7)物理性能要求:低蒸气压;体积膨胀率要小;密度较大;

8)经济性能要求:原料易购,价格便宜。

本文主要介绍一个来自香港科技大学Abid Hussain等人2018年发表在“International Journal of Thermal Sciences”杂志的论文“Thermal management of lithium ion batteries using graphene coated nickel foam saturated with phase change materials”,文献主要介绍了石墨烯涂覆泡沫镍复合石蜡材质的PCM材料在动力的锂电池热管理系统中应用的优越特性。与在1.7 A放电电流下,对比泡沫镍,固体石蜡,GcN,泡沫镍+石蜡,和GcN+石蜡的热管理效果,发现使用泡沫镍相比,使用饱和的石墨烯涂覆的泡沫镍比单纯使用泡沫镍,电池表面温升减少17%。

1 领域概述

普通的PCM具有非常低的导热系数(0.1-0.3 W /(m·K))。蓄热率受PCM的低热导率影响。文献中已经提到许多技术,用来改善PCM的热导率。Goli等人使用石墨烯复合材料来改善纯PCM的热导率。他们发现石墨烯/石蜡复合材料的导热系数达到45W/(mK),而纯石墨的导热系数为0.2 W/(mK)。他们还观察到,在5A放电电流下,使用石墨烯/石蜡复合材料的锂离子电池的温升16℃,而没有石墨烯/石蜡复合材料的温升为37℃。Kizilel等人使用石墨基体来提高导热率。他们观察到,石蜡石墨的导热系数约为17 W/(mK),混合PCM有助于锂离子电池在正常和高压条件下的温度均匀。Aadmi等人通过向金属管体中加入固体石蜡,将环氧树脂的导热率提高了3-4倍。他们发现,通过增加复合材料中的蜡含量可以获得更高的储能能力和更低的温升。

金属泡沫也被证明是增强PCM热导率的可行选择。高孔隙率,良好的热物理性能和机械强度是金属泡沫的显着特征。Li等人 利用泡沫铜石蜡复合材料,研究10 Ah锂离子电池组热管理系统的性能。他们将结果与两种模式进行了比较:自然空气对流和纯石蜡。在放电率1C下,使用泡沫铜复合材料作为热管理材料,对比空气对流模式和纯石蜡模式,电池表面温度分别低29%和12%。Hussain等人使用泡沫镍复合材料实验研究3.4 Ah锂离子电池组的电池表面温度。他们发现,在2C放电率下,电池表面温度分别比自然空气和纯石蜡模式分别下降了31%和24%。Samimi等人使用碳纤维石蜡复合材料后,电池表面温度下降了15°C 。复合材料的导热系数对比纯石蜡,导热系数增加了81-273%。Sabbah等人利用石墨来提高石蜡的热传导性。他们把电加热器当成电池,发现,由于采用了采用石墨-PCM复合材料,加热器表面温度降低了5%。Khateeb等人使用泡沫铝来提高石蜡的热导率。他们发现13.2Ah电池的表面温度比使用普通蜡低5%。

在以前的研究中,锂离子电池的热管理主要是采用石墨烯 - 石墨复合材料或泡沫金属(铜,镍或铝)/石墨复合材料进行的。石墨烯的热导率非常高(2000 - 3000 W /(mK))。石蜡的热导率已经通过浸入泡沫镍和石墨烯涂层的泡沫镍提高。

但问题在于,泡沫镍只能提高6倍的热导率,并且在高温下,石墨 - 聚苯乙烯复合材料的热机械性能(如拉伸强度和抗压强度)变弱。在此,报道了使用石墨烯涂覆的泡沫镍作为锂离子电池的热管理系统。

2 石墨烯涂覆的泡沫镍作为锂电池热管理系统材料概述

为了解决上述问题,在这项研究中,锂离子电池的热管理采用新的热管理材料(石墨烯,金属(镍)泡沫和石蜡的组合)。使用镍的优点很多:耐腐蚀性,高比强度和韧性。镍的力学性能可以通过用纤维/颗粒增强镍来提高 。碳原子可以很容易地溶解在镍中,因为它们在镍中的溶解度很高 ,并且镍表面也可以很容易地预先形成图案,因此可以精确地制备出优选几何形状的石墨烯图案 。 泡沫镍 适用于石墨烯合成 。石墨烯与一系列多孔材料显示了出色的相容性 。石墨烯基复合材料具有优于复合材料本身的机械性能,并具有较低的热膨胀系数 。赵等人 报道了在复合材料中,石墨烯复合材料(聚乙烯醇和石墨烯纳米片)的杨氏模量和机械性能分别提高了约10倍和150% 。在泡沫镍上生长石墨烯会使GcN泡沫更硬(随着0.05g /L石墨烯的添加,Ni泡沫硬度为原来的1.2倍)。GcN泡沫的循环性能优异(在3mA/cm下10000次循环后容量保持率为98%) 。

在这项研究中,锂离子电池的热管理是通过使用一种新型材料——饱和的石墨烯涂覆泡沫镍(GcN)完成的。涂覆在泡沫镍上的石墨烯的生长使用化学气相沉积获得。加入GcN泡沫的固体石蜡热导率,比纯石蜡提高了23倍。固体石蜡被用作相变材料(PCM),与纯石蜡相比,加入了GcN泡沫的石蜡,其熔化温度升高,凝固温度降低。与纯石蜡相比,加入了GcN泡沫的石蜡的潜热和比热分别下降30%和34%。分别比较了5种材料在锂电池热管理中的应用效果:泡沫镍,固体石蜡,GcN,泡沫镍+石蜡,和GcN+石蜡。与在1.7 A放电电流下使用泡沫镍相比,使用PCM饱和的石墨烯涂覆的泡沫镍使电池表面温升减少17%。

3结论

使用化学制剂制备气相沉积技术制备石墨烯涂覆的泡沫镍。泡沫镍石墨烯层的厚度为1-2纳米。将石蜡作为相变材料浸入石墨烯涂覆的泡沫镍中。石蜡浸渍的石墨烯涂覆泡沫镍的热特性及其在锂离子电池热管理中的应用情形,主要结果概述如下。

1)使用激光脉冲法测量饱和石墨烯涂覆泡沫镍石蜡复合材料和泡沫镍石蜡复合材料的热导率。石蜡深入支撑材料中。结果表明,涂覆石墨烯的泡沫镍将纯石蜡的导热性提高了23倍,而泡沫镍将纯石蜡的导热性提高了6倍。

2)观察饱和石墨烯涂覆泡沫镍石蜡复合材料和泡沫镍石蜡复合材料熔融温度和冻结温度的变化,并与纯石蜡进行比较。复合材料(用泡沫石蜡饱和的泡沫镍/石墨烯涂覆的泡沫镍)的熔化温度和冷冻温度分别增加和降低;这是由于泡沫镍与石蜡相互作用的结果。

3)与纯石蜡 的潜 热 相比, 饱和石墨烯涂覆泡沫镍石蜡复合材料的潜热降低了 30 % 。 这是由于 饱和石墨烯 涂覆泡沫 镍石蜡复合材料 中石蜡的质量分数的减小决定的 。 石蜡质量的减少是由于金属泡沫的 小腔体 的存在 。 泡沫 镍石蜡复合材料 的固有 热容量 分别比固体和液体状态的纯 石蜡 材料小 16 %和 12 %,而 饱和石墨烯 涂覆泡沫 镍石蜡复合材料 的比热容为分别比固体和液体状态下的纯 石蜡 小 3 5 %和 34 %。该 原因是与纯PCM相比金属骨架(泡沫镍和石墨烯涂覆泡沫镍)的热容小。

4) 最后,这项研究包括开发材料的应用(即锂离子电池的热管理)。 还研究并比较了四种额外的热管理材料,即泡沫镍,涂有石墨烯的泡沫镍,固体石蜡和泡沫镍石蜡。1.7 A放电电流下,使用饱和石墨烯涂覆的泡沫镍比单纯使用泡沫镍,电池表面温升减少17%。

4 原文剪影

文章结构如下图所示,下面是精简文章图片和相关文字,序号保持原文序号。

图1. 涂有石墨烯的泡沫镍。(a)泡沫镍的扫描电子显微镜图像(b)石墨烯涂覆的泡沫镍的扫描电子显微镜图像(c)石墨烯涂覆的泡沫镍的拉曼光谱(d)复合材料基片上14个随机点获得的拉曼光谱(e)镍和石墨烯涂覆的泡沫镍的TGA分析。

图2. 实验装置,用于测量饱和石墨烯涂覆泡沫镍石蜡复合材料和泡沫镍石蜡复合材料的热膨胀系数。


图3 (a)泡沫金属包裹的电池单元示意图(b)电池均衡示意图(c)电池单体上热电偶的位置(d)锂离子电池无源热管理实验装置示意图。

图4 (a)中的泡沫镍(12.7 PPI)光学图像(b)泡沫镍石蜡(c)石墨烯涂覆的泡沫镍(d)饱和石墨烯涂覆泡沫镍石蜡(e)石蜡和复合材料的TGA分析光学图像(f)将蜡封入金属泡沫中。

图5. 纯石蜡、泡沫镍石蜡、饱和石墨烯涂覆的泡沫镍石蜡复合材料,25℃时的导热系数和潜热。

图6. DSC曲线显示纯石蜡和泡沫金属(镍/石墨烯涂覆的镍)(a)冷冻过程(b)熔融过程。

图7. 所有耗散材料在1.7 A的放电电流和电池组周围温度为(a)25°C(b)30℃ 和(c)33℃时的温度随时间的变化;


图8. 所有耗散材料在2.2 A放电电流和电池组周围温度(a)25°C(b)30℃ 和(c)33℃下的随时间的温度变化;

图9. 在33℃环境条件下和2.2A放电电流下,电池单体1和3在(a)泡沫镍;(b)饱和石墨烯涂覆泡沫镍石蜡作为冷却介质时电芯之间的温差异。

本文主要参考《Thermal management of lithium ion batteries using graphene coated nickel foam saturated with phase change materials》,

作者:

作者所在单位:

a Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China

b Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China

c HKUST Jockey Club Institute for Advanced Study, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China

d Fok Ying Tung Graduate School, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China

本文由“动力电池技术”翻译整理,只做学习交流之用;其余图片来自互联网公开资料。

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