熱管理一直是動力電池的研究熱點。動力電池在運行時產生的熱量如果不能及時散出不斷地堆積必然會導致燃燒、爆炸等事故。除了安全性的考慮之外，溫度對動力電池的性能也有一定的影響。溫度過高會加快電池內部化學反應的反應速率，導致電池的壽命縮短；溫度過低會降低電池的充放電能力。此外，如果電池的溫度不能保證一致性，就會導致單體電池之間的性能不匹配，進一步導致電池模塊過早失效。

綜上所述，動力電池的溫度會影響電池的使用壽命、工作效率和安全性等性能。因此，在高溫條件下對電池進行散熱冷卻、低溫條件下對電池進行加熱保溫，將電池的溫度控制在合理的范圍內具有重要的實際應用價值。

為了突破這一技術瓶頸，需要將動力電池的溫度控制在一定范圍，對動力電池熱管理進行研究。我們分析并總結了動力電池熱管理系統的常用方式，根據目前應用于動力電池熱管理的相變材料存在制備工藝復雜、相變焓低的缺點，研發了制備工藝簡單、相變焓高的新型定形相變材料，并分析了其應用于電池熱管理的可行性。

根據動力電池熱管理的要求以及相變材料的選取原則，我們選定了二氧化硅為芯材，無機多孔材料為載體制備的復合定形相變材料應用于動力電池熱管理系統。通過熱解碳化聚多巴胺微球制備了新型介孔碳微球，將其作為載體通過真空浸漬的方法負載二氧化硅制備定形相變材料。研究表明，二氧化硅/介孔碳微球定形相變材料具有良好的熱穩定性和儲熱能力，與二氧化硅相比，二氧化硅及陶瓷纖維/介孔碳微球定形相變材料的導熱率得到提高。

為了進一步強化定形相變材料的導熱率，將新型介孔碳微球作為吸附劑吸附銅離子，再通過原位還原法將銅離子還原為銅微球得到介孔碳/銅微球雜化顆粒。

以介孔碳/銅微球雜化顆粒為載體、二氧化硅及陶瓷纖維為芯材，制備出新型定形相變材料，該定形相變材料不僅具有良好的熱穩定性和儲熱能力，而且其導熱率顯著提高，導熱率的提高有助于改善傳熱效果，提高儲放熱效率。

此外還設計了一種新型相變復合板用于動力電池熱管理系統，并通過理論計算驗證了兩種新型復合定形相變材料應用于動力電池熱管理系統的可行性。結果表明，兩種新型復合定形相變材料均能夠將動力電池運行時的溫度維持在適宜的溫度范圍。

動力電池熱管理的要求

動力電池在正常充放電的過程中會產生大量的熱量，主要由焦耳熱、反應熱和極化熱三部分組成。在電池的使用過程中，電池會不斷地產生熱量使得電池內部的溫度漸漸升高，在達到電池熱失控的臨界溫度后，電池內部的 SEI膜、隔膜、電解液、正負極、粘結液等物質會進行分解反應也會產生大量的熱量，進一步使得電池內部的溫度升高。之前有研究表明，鋰電池的最佳溫度范圍為 20℃~40℃。

當電池溫度在30℃~40℃時，電池溫度每升高1℃，電池的使用壽命就會減少三個月；當電池溫度在 70℃~100℃時，電池就會開始熱失控。因此，溫度是影響電池的電化學性能和安全性的重要因素。根據動力電池使用過程中的溫度變化特點，可以總結得出適合電動汽車動力電池熱管理的要求如下：

(1)動力電池最佳工作溫度為20℃~40℃，在 70℃~100℃溫度范圍會發生熱失控，所以本實驗選用的相變材料的相變溫度最高應不超過70℃，最低不低于20℃；

(2)動力電池工作時所釋放的熱量通常較大，所以本實驗選用的相變材料的蓄熱能力應較強，能夠儲存和釋放大量的熱量；

(3)高導熱可以提高相變材料在動力電池熱管理系統中的使用效率，也能降低動力電池工作時的升溫速率，有利于延長動力電池的使用壽命。所以在選用相變材料時，在滿足其他條件的同時，導熱系數要盡可能高；

(4)應用于電動汽車動力電池熱管理的相變材料，需要在動力電池工作時保持良好的熱穩定性。即便是在不同的外部條件中，仍需保證良好的熱穩定性，確保動力電池的使用壽命；

(5)電動汽車能夠參與人類生活的方方面面，因此，在選用相變材料時，無毒性、無揮發性也應該納入考慮范圍；

相變材料控溫原理及應用

儲能技術是目前能源管理中的一個重要課題之一，儲能技術的應用可以有效地提高能源的利用效率。儲能技術的主要作用是儲存過剩的能量，并在需要的時候釋放能量，從而解決能源供需在時間和地點上不匹配的問題，提高能源的利用效率和靈活性。能量儲存的方式主要包括機械能、電磁能、化學能和熱能儲存。熱能儲存可以分為顯熱儲存和潛熱(相變熱)儲存兩類。顯熱儲存是利用材料固有的熱容實現的，潛熱儲存，也稱相變儲能，是利用相變材料物態變化時吸收或釋放大量的熱量進行的。與顯熱儲存相比，潛熱儲能的儲能密度大，因此更受研究者的青睞。

相變材料，廣義來說，是指被利用其在物態變化時所吸收或釋放的大量熱能用于能量儲存的材料。狹義來說，是指那些在相變時，儲能密度高，性能穩定，相變溫度合適和性價比優良，能夠被用于相變儲能技術的材料。

變材料可以在物態變化的過程中吸收或釋放熱量。當環境溫度高于材料的相變溫度時，相變材料融化或者汽化，吸收熱量；當環境溫度低于材料的相變溫度時，相變材料凝固，釋放熱量，由此，便可達到調節溫度和儲存能量的作用。將相變材料應用于需要控溫的領域，可以達到調節溫度、余熱回收、儲存熱量等目的。

相變材料的應用主要有宏裝法和定形法兩種。宏裝法是指將相變材料直接用于控溫領域，不做另外的加工。這種方法雖然簡單，但是相變材料在應用過程中容易泄露，使得材料的利用率降低。為了解決這一問題，有研究者提出制備定形相變材料，即定形法。這種方法是指將相變材料作為芯材固定在多孔材料中，定形法可以解決相變材料的泄漏問題，也可以提高相變材料的導熱率。

基于相變材料的電池熱管理系統設計

我們提出一種可實現電池及時散熱的復合板，由傳熱板、相變材料和德耐隆Telite®改性耐火隔熱復合材料三部分組成，下圖為復合板的結構圖。復合板靠近電池的一面為傳熱板，傳熱板應選用導熱率高的金屬或合金，如銀、銅、鋁等，設置傳熱板的目的為及時將動力電池在運行中產生的熱量傳遞給相變材料。隔熱板的存在使得電池之間的溫度不會相互影響，阻止熱量的橫向傳播，減小了產生熱失控的可能性。隔熱板應選用導熱系數低的材料，如德耐隆Telite®改性耐火隔熱復合材料。相變材料填充在傳熱板與隔熱板之間，利用相變儲能原理，實現電池運行時的溫度保持在適宜的溫度范圍。

復合板的結構示意圖

保溫隔熱阻燃材料布置

電池包內使用的保溫隔熱材料除了導熱系數低之外，還需具備阻燃、絕緣、柔軟杠高溫和質量輕等特點。

德耐隆改性耐火保溫隔熱氈復合材料作為電池包的保溫層，其形狀可根據實際需求進行裁剪加工，由于電池包內模組表面形狀不規整，周邊布置有高壓銅排和低壓線束，因此將保溫隔熱層仿形粘貼在下箱體和上殼體內壁。

新能源汽車的電池包在低溫工況下的加入保溫隔熱層設計，采用德耐隆改性耐火保溫隔熱氈復合材料作為電池包內的保溫材料，通過溫度試驗測試，在-25℃的低溫工況下，裝有保溫層的電池包在降溫速度上明顯比沒有使用保溫材料的要相對減小，對于這個保溫隔熱設計方法在電池包內具有較強的適用性， 能夠提高動力電池在低溫環境地區的使用性能。

德耐隆Telite®產品由二氧化硅及陶瓷纖維氈復合制備而成，產品內部具有納米級空隙可以減慢熱傳導，同時通過阻擋三種熱傳導方式（對流，傳導和輻射）來完成耐熱保溫。由于其導熱系數低（不高于0.02W/m.k），穿選材料的熱量不斷弱化，材料低吸熱性能保持低熱量幅射輸出水平，從而確保降低熱量損耗（或侵入）。

外部升溫導致鋰離子電池內部溫度不穩定，進一步提升內部短路并損壞附近任何組件的風險。這僅發生在無內部支撐的鋰離子電池身上。而內部有銅質支撐物的鋰離子電池，加熱超過250度，導致電池核心崩潰，進而讓銅質支撐物融化，內部溫度超過1000攝氏度，熱量迅速向外擴散，從而造成熱失控。

所以適當使用隔熱阻燃材料的應用有助于提高電池內部的熱穩定性。

主要研究內容及創新點

電動汽車日漸代替燃油汽車成為城市交通的主力軍，電動汽車動力電池的熱管理是目前的研究熱點。因此，制備了適用于電動汽車動力電池熱管理的定形相變材料并研究其性能，分析了制備的定形相變材料在電動汽車動力電池熱管理方面的可行性。

不同相變材料其儲熱屬性也不盡相同。復合定形相變材料形狀穩定、不易泄漏、熱穩定好等特點，可將其應用于電動汽車動力電池熱管理系統。因此，需要根據動力電池的溫度要求篩選合適的相變材料作為芯材，以及合適的載體材料。我們以有機相變材料為芯材無機多孔材料為載體制備定形相變材料。

在制備出能夠適用于電動汽車動力電池熱管理的新型碳基定形相變材料。有機相變材料在實際應用中常會發生泄漏問題，因此開發了新型介孔碳材料制備定形相變材料；提出了提高碳基定形相變材料導熱率的新思路，即為向碳基材料中引入金屬微球；制備出了兩種新型碳基定形相變材料，對其應用于動力電池的具體效果進行了分析。具體創新點如下：

(1)為了解決有機相變材料易泄露的這一缺陷，設想開發了一種新型的介孔碳材料作為有機相變材料的載體制備復合定形相變材料。該復合定形相變材料的制備過程簡單、環保。

(2)為了提高復合定形相變材料的導熱系數，以熱解聚多巴胺得到的介孔碳微球為吸附劑吸附銅離子，并將銅離子原位還原為銅微球制備介孔碳/銅微球雜化顆粒，進而以其為載體，制備復合定形相變材料。

(3)為了避免動力電池工作時溫度過高導致的使用壽命縮減問題，我們結合前人的研究，制備出了新型復合定形相變材料，并對復合相變材料的物理化學性質、熱性質進行了一系列的表征。

最后，分析了該新型復合定形相變材料應用于電池熱管理的可行性。

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