石蠟基柔性相變材料的制備及其電池?zé)峁芾響?yīng)用

吳衛(wèi)鋒 張國慶 李紹君 楊曉青

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006）

0 引言

隨著石油資源的不斷減少，由于尾氣出現(xiàn)的污染越來越嚴重，越來越多的國家開始重視新能源汽車，尤其是電動汽車的推廣和應(yīng)用[1]。當(dāng)前，電動汽車向著高能量密度、高安全性的方向發(fā)展[2]。在實際工況中，動力電池模組長時間運行和/或快充快放過程中會導(dǎo)致溫度升高及分布不均勻，進而導(dǎo)致模組壽命衰減甚至熱失控[3]。因此，定制高效的熱管理系統(tǒng)是從外部解決電池模組熱安全問題的唯一途徑。相變材料冷卻作為一種新型電池?zé)峁芾砑夹g(shù)，具有冷卻效率高、體積小和成本低等優(yōu)點，近年來已經(jīng)越來越多地被研究[4-5]。

但是，傳統(tǒng)剛性相變材料存在剛性強、加工難、不易用于剛性外殼電池的缺點[6]。該實驗以MMA和BA分別作為硬單體和軟單體[7-8]，通過調(diào)節(jié)二者的比例制備FPCM，不僅具有適用于電池?zé)峁芾淼臐摕?、?dǎo)熱及相變溫區(qū)等熱物性，在常溫下也具有良好的柔性，與方形電池的剛性外殼可以良好地貼合，最小化接觸熱阻，從而提高控溫性能[9]。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗原料

實驗原料：石蠟（PA，上海焦耳蠟業(yè)有限公司）；膨脹石墨（EG，原料為青島發(fā)達石墨有限公司提供的鱗片石墨）；甲基丙烯酸甲酯（MMA，天津市致遠化學(xué)試劑有限公司）；丙烯酸丁酯（BA，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；過氧化二苯甲酰（BPO，上海麥克林生化科技有限公司）；方形電池（3.2 V，6 000 mAh，天津力神電池股份有限公司）。

1.2 FPCM的制備

FPCM的制備：將PA置于恒溫水浴鍋中，升溫至70 ℃。待PA完全融化后，逐量加入EG攪拌，使PA吸附于EG中；加入MMA、BA和BPO，溫度調(diào)至90 ℃繼續(xù)攪拌4 h。將混合物倒入模具中，自然冷卻后可以得到由各原料質(zhì)量配比為44∶5∶30∶20∶1制備的FPCM。

1.3 性能測試與表征

差示掃描量熱（DSC）測試：通過差示掃描量熱儀進行測試，以氮氣為保護氣體，測試溫度范圍為20 ℃～80 ℃，升溫速率為10 ℃/min。導(dǎo)熱系數(shù)測試：通過激光導(dǎo)熱儀測量樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。柔性表征：將FPCM制成80mm×10mm×5mm的尺寸，分別置于25 ℃和50 ℃的恒溫箱內(nèi)恒溫0.5 h，進行不同程度的彎曲測試。FPCM應(yīng)用于電池?zé)峁芾頊y試：以自然風(fēng)冷為參照組，F(xiàn)PCM冷卻為實驗組。將電池置于40 ℃的恒溫箱內(nèi)，以1C恒流充電，擱置10 min，分別以4C、5C恒流放電，共進行5個循環(huán)，比較電池表面的溫度變化。FPCM與方形電池組裝的圖片如圖1所示。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 PA/EG/P（MMA-co-BA）柔性相變材料的熱性能

根據(jù)圖2的DSC曲線可知：石蠟的相變溫度為49.5 ℃，相變焓為235.50 J/g；PA/EG/P（MMA-co-BA）的相變溫度為48.1 ℃，相變焓為93.57 J/g；P（MMA-co-MMA）在測試溫度范圍內(nèi)無潛熱焓產(chǎn)生。此外，純PA和FPCM導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.26 W/（m·K）和1.12 W/（m·K）。以上結(jié)果表明制備的FPCM適用于電池?zé)峁芾怼?/p>

2.2 PA/EG/P（MMA-co-BA）柔性相變材料柔性表征

由圖3 （a）、（b）、（c）可知：在25 ℃時，當(dāng)將樣條彎曲至120°時無裂痕，而彎曲至150°時，開始出現(xiàn)裂痕；圖3的（d）、（e）、（f）表明：在50 ℃時，F(xiàn)PCM中的PA從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，而P（MMA-co-BA）仍保持固態(tài)，F(xiàn)PCM在宏觀上保持固態(tài)，彎曲至150°時無裂痕。

2.3 FPCM應(yīng)用于電池?zé)峁芾頊y試

由圖4的（a）可知：在4C放電過程中，自然空氣冷卻方式的電池最高溫度為46.6 ℃；以PA/EG/P（MMA-co-BA）冷卻方式的電池高溫度為45.9 ℃。由圖4的（b）可知：在5C放電過程中，自然空冷的電池最高溫度為47.2 ℃，以PA/EG/P（MMA-co-BA）冷卻的電池最高溫度為46.0 ℃。

圖1 FPCM與方形電池組裝圖片

圖2 純石蠟、PA/EG/P（MAA-co-BA）和P（MMA-co-BA） DSC曲線

3 結(jié)論

該實驗制備的PA/EG/P（MMA-co-BA） FPCM相變溫度為48.1 ℃，潛熱為93.57 J/g。通過加入EG，使導(dǎo)熱系數(shù)大幅度提高。該FPCM用于電池?zé)峁芾頃r，電池在4C、5C放電過程中最高溫度分別為45.9 ℃和46.0 ℃，顯著低于空冷模組。另外，F(xiàn)PCM具有良好的柔性，能與方形電池的剛性外殼進行良好的貼合，最小化接觸熱阻，從而提高控溫性能。

表2 相變材料熱性能

圖3 PA/EG/P（MMA-co-BA） FPCM在25℃和50℃下的彎曲測試

圖4 不同冷卻方式的方形單體電池充放電曲線