1相變材料

相，是材料科學(xué)的一個(gè)名詞，指物理、化學(xué)性質(zhì)完全一致并且與周圍其他物質(zhì)具有明顯邊界的物質(zhì)存在狀態(tài)。宏觀上看，物質(zhì)的相有三種，氣象、液相、固相。

相變，就是物質(zhì)從一種相到另外一種相的變遷，過程中溫度幾乎不變，存在一個(gè)寬闊的溫度平臺，同時(shí)吸熱和放熱現(xiàn)象明顯。這個(gè)過程叫做相變。

相變潛熱，單位質(zhì)量的物質(zhì)，從一個(gè)相態(tài)轉(zhuǎn)化到另一個(gè)相態(tài)，過程中溫度不發(fā)生變化，整個(gè)過程中吸收或者放出的熱量總和，叫做相變潛熱。一種物質(zhì)的相變潛熱，與發(fā)生相變時(shí)的溫度、相變前后的體積變化以及系統(tǒng)壓力變化率成正比。

相變材料，雖然自然界和工業(yè)中存在著很多種發(fā)生相變并伴隨有熱量吸放的材料，但工程上，重要指那些相變過程中溫度變化范圍比較窄，潛熱量大的材料。假如材料自身具備良好的導(dǎo)熱性能，則可以在更多的熱管理場合應(yīng)用。

應(yīng)用于熱管理場合的相變材料一般要滿足幾個(gè)條件。首先，材料熱密度高，潛熱量大；其次，導(dǎo)熱率高，吸熱放熱過程迅速；再次，穩(wěn)定性好，不容易分解以及與周邊材料發(fā)生副反應(yīng)，使用周期長，不會對系統(tǒng)造成不良影響；最后，價(jià)格低廉。

2相變冷卻的應(yīng)用范圍

相變材料，吸熱放熱過程，系統(tǒng)溫度平穩(wěn)，可以達(dá)到近似恒溫的效果，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。大功率電力電子器件的冷卻，太陽能系統(tǒng)的冷卻，建筑材料，工業(yè)余熱利用，家用車用空調(diào)系統(tǒng)以及鋰離子電池的熱管理系統(tǒng)。

相變材料的兩個(gè)指標(biāo)參數(shù)，相變潛熱和相變溫度，基本圈定了一種材料所能適用的環(huán)境類型。相變潛熱越大，材料保持環(huán)境溫度恒定的能力越強(qiáng)。

3相變材料的種類

相變材料可以分成無機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料三種。

3.1無機(jī)相變材料，重要指無機(jī)水合鹽相變材料，其相變潛熱大，熔解溫度高。重要的無機(jī)相變材料：CaCl26H2O、Na2SO410H2O、CaBr26H2O、CH3COONa3H2O等。無機(jī)相變材料雖具有導(dǎo)熱系數(shù)大、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，但存在過冷、相分離及腐蝕性強(qiáng)等缺陷。

3.2有機(jī)相變材料，多種有機(jī)物的混合體，不同晶型和不同高分子支鏈結(jié)構(gòu)的組合，帶來不同的恒溫范圍。這也造就了有機(jī)相變材料的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，能夠通過不同種類材料的混合達(dá)到調(diào)節(jié)相變溫度的目的；其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，凝固時(shí)無過冷現(xiàn)象。石蠟和各種酸酯都屬于有機(jī)相變材料。

有機(jī)相變儲能材料重要包括固-液相變、固-固相變、復(fù)合相變?nèi)箢悺?/p>

固-液相變材料，重要包括脂肪烴類、脂肪酸類、醇類和聚烯醇類等，優(yōu)點(diǎn)是不易發(fā)生相分離及過冷，腐蝕性較小，潛熱大；缺點(diǎn)是液態(tài)下容易泄露。目前應(yīng)用較多的重要是脂肪烴類與聚多元醇類化合物。

固-固相變材料，是通過材料晶型的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)儲能與能量釋放的，優(yōu)點(diǎn)在于體積變化小、無泄漏、無腐蝕和使用壽命長等。目前已經(jīng)開發(fā)出的具有經(jīng)濟(jì)潛力的固-固相變材料重要有：多元醇類、高分子類和層狀鈣鈦礦。

有機(jī)復(fù)合相變材料，指由相變材料與載體物質(zhì)相結(jié)合形成的可保持固態(tài)形狀的相變材料。相變材料的組成有2種材料：工作介質(zhì)（相變材料）和載體物質(zhì)。相變材料負(fù)責(zé)相變吸熱放熱，載體物質(zhì)負(fù)責(zé)保持形態(tài)和力學(xué)性能。

復(fù)合相變材料的重要類型包括：導(dǎo)熱增強(qiáng)型復(fù)合相變材料、共混型復(fù)合相變材料、微膠囊型復(fù)合相變材料、納米復(fù)合型復(fù)合相變材料。

3.3有機(jī)無機(jī)復(fù)合相變材料

將有機(jī)材料和無機(jī)材料復(fù)合在一起使用，各取所長。重要有兩種方式，一種是以無機(jī)材料為骨架，有機(jī)材料作為填充物，附著在骨架上，無機(jī)骨架起到支撐形狀和維持力學(xué)性能的用途，有機(jī)材料起到吸收存儲熱量的用途；另一種是導(dǎo)熱材料制作成纖維狀，相變材料與之復(fù)合成為復(fù)合相變材料。

4相變材料在動(dòng)力鋰離子電池包內(nèi)的應(yīng)用

4.1鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對相變材料的要求

相變溫度低，要適應(yīng)鋰離子電池的最佳工作溫度區(qū)間15℃-35℃；

材料相變溫度小范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，不同類型電芯的最佳工作溫度區(qū)間并不完全一致；

材料定型形態(tài)，相變前后，最好不要出現(xiàn)液態(tài)氣態(tài)相；

材料潛熱大，則系統(tǒng)恒溫能力強(qiáng)；

材料絕緣性好，防止高壓系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣漏電風(fēng)險(xiǎn)。

相變材料質(zhì)量密度低，減小對電池包能量密度的影響。

滿足上述要求的材料體系并不多，其中石蠟-膨脹石墨是當(dāng)前研究較多的一種。

4.2石蠟-膨脹石墨的應(yīng)用

相變材料在鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用，最早可以追溯到2004年，第一次應(yīng)用于電動(dòng)踏板車的溫控系統(tǒng)。此后，石蠟-石墨復(fù)合材料，石蠟-膨脹石墨復(fù)合材料逐漸被應(yīng)用于鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。

根據(jù)研究結(jié)果顯示，石蠟-膨脹石墨復(fù)合相變材料，可以將系統(tǒng)溫差降低至0.2攝氏度（沒有供應(yīng)電池組的詳細(xì)參數(shù)，工況電流大小、電池型號等信息）。同時(shí)，研究還證明，相變材料，關(guān)于抑制熱失控的蔓延有良好效果。

石蠟-膨脹石墨復(fù)合材料，石蠟作為相變材料，負(fù)責(zé)熱量的吸收和儲存，實(shí)現(xiàn)溫控功能。石墨，具備微觀多孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)石蠟相轉(zhuǎn)變成液態(tài)，石墨起到完美的吸附用途，防止材料出現(xiàn)液體狀態(tài)。

上圖為一個(gè)研究案例中，軟包電池之間夾層放置相變材料的實(shí)驗(yàn)，兩側(cè)電芯的溫升明顯高于中間電芯。結(jié)果表明，在相變溫度以下，相變材料散熱能力明顯好于空氣散熱，夾層越厚，潛熱越多，降溫效果越好。

總結(jié)下來，鋰離子電池的熱量有四個(gè)去處：空氣散熱，相變材料恒溫吸收潛熱，相變材料升溫吸熱，電芯自身升溫吸熱。

當(dāng)前兩種方式無法吸收全部的電池產(chǎn)熱時(shí)，相變材料和電芯一起，溫度升高。

4.3復(fù)合溫控策略

相變材料可以快速的吸收電芯出現(xiàn)的熱量，在一定范圍內(nèi)起到溫度調(diào)節(jié)的用途，不要將熱量傳遞到系統(tǒng)以外。但當(dāng)電池發(fā)熱功率過大，發(fā)熱總量過大時(shí)，相變材料無法吸收全部熱量。當(dāng)材料相變過程全部結(jié)束，電池產(chǎn)熱還在源源不斷的傳遞過來，則材料只能在相變溫度以上繼續(xù)升溫。此時(shí)，必須配合其他類型冷卻方式。

相變-風(fēng)冷復(fù)合

風(fēng)冷疊加相變材料

復(fù)合風(fēng)冷和相變材料冷卻系統(tǒng)案例。以上圖中方式布置風(fēng)冷通道和相變材料模塊，比較單純風(fēng)冷和風(fēng)冷加相變材料綜合冷卻的冷卻效果有何不同。冷卻效果比較如下圖。

單純使用相變材料，效果好于不使用相變材料的自然冷卻；單純風(fēng)冷的效果略微好于單純使用相變材料；風(fēng)冷和相變材料綜合使用，效果明顯好于前兩者。討論過程中，風(fēng)量的大小是一個(gè)影響因素，可以認(rèn)為研究人員可以找到一個(gè)與單純使用相變材料效果相近的風(fēng)量，與相變材料進(jìn)行疊加后，觀察疊加效果。

1-自然對流，風(fēng)冷熱管理，放電；

2-自然對流，綜合熱管理，放電；

3-風(fēng)量18m^3/h，風(fēng)冷熱管理，放電；

4-風(fēng)量18m^3/h，綜合熱管理，放電；

5-風(fēng)量18m^3/h，風(fēng)冷熱管理，充電；

6-風(fēng)量18m^3/h，綜合熱管理，充電

相變-液冷復(fù)合

有研究測試了相變材料與液冷復(fù)合的方法。在電芯平行方向上設(shè)置相變材料，電芯之間的空間填充相變材料；在與電芯垂直的方向上設(shè)置水冷板。測試效果表明，單純使用水冷和復(fù)合使用水冷和相變冷卻兩種形式。兩個(gè)方法冷卻效果近似，但添加了相變材料的方法，冷卻液流量節(jié)省一半。

底部水冷，中間相變材料

另一研究案例，在電芯之間填充高導(dǎo)熱石墨片，電池組兩側(cè)放置相變材料。在相變材料上穿孔，通過兩根冷卻水管。案例討論了不同的相變溫度對系統(tǒng)冷卻效果的影響，發(fā)現(xiàn)相變溫度不同，并不會影響系統(tǒng)最終的穩(wěn)定溫度；在相變溫度附近開啟液冷系統(tǒng)輔助冷卻，冷能被相變材料吸收，系統(tǒng)溫度穩(wěn)定維持在相變溫度。

四周相變材料，A、B方向有水冷管道

相變材料冷卻系統(tǒng)，關(guān)于鋰離子電池冷卻來說，還是一種新的冷卻方式，研究案例不多，并且重要以仿真為主。相變材料，由于相變潛熱是物質(zhì)的天然屬性，想要有質(zhì)的提高，要的周期比較長。就目前的材料看，大功率鋰離子電池系統(tǒng)單獨(dú)使用相變冷卻，不太可能達(dá)到冷卻要求。但小功率系統(tǒng)，出于減小系統(tǒng)溫差，延長電池壽命的目的，在原來自然冷卻的基礎(chǔ)上，應(yīng)用相變材料冷卻系統(tǒng)，效果會比較理想。