姜貴文，黃菊花

(南昌大學 機電工程學院，南昌 330031)

膨脹石墨/石蠟復(fù)合材料的制備及熱管理性能

姜貴文，黃菊花

(南昌大學 機電工程學院，南昌 330031)

石蠟作為相變材料(PCM)，膨脹石墨(EG)為導(dǎo)熱增強劑，制備不同EG含量的膨脹石墨/石蠟(EG/PCM)復(fù)合材料。采用瞬態(tài)熱線法測量樣品的導(dǎo)熱系數(shù)；把EG/PCM應(yīng)用于鋰離子電池熱管理，研究不同EG含量的EG/PCM熱管理性能；采用ANSYS軟件分析EG/PCM的導(dǎo)熱系數(shù)對鋰離子電池熱管理的影響。結(jié)果表明：EG的加入大幅度提高了PCM的導(dǎo)熱系數(shù)，EG含量≥9%時，EG/PCM的導(dǎo)熱系數(shù)呈各向異性；鋰離子電池表面溫度隨EG含量增加而減小，EG(12)/PCM(88)表現(xiàn)出優(yōu)異的熱管理性能；適當?shù)靥岣逧G/PCM的徑向?qū)嵯禂?shù)，有利于提高它的熱管理性能。

PCM；EG；導(dǎo)熱系數(shù)；熱管理；鋰離子電池

相變材料(PCM)相變時能吸收大量的熱量，而其溫度幾乎保持恒定(或小范圍內(nèi)變化),因此在太陽能熱能儲存[1-3]、電子設(shè)備熱管理[4,5]、工業(yè)余熱回收等方面得到了廣泛的應(yīng)用。2000年，Hallaj等[6]首次把PCM石蠟應(yīng)用于鋰離子電池熱管理系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)石蠟相變時能抑制電池溫度過快上升。然而，石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)低(0.2W·m-1·K-1)，融化后易流動，影響了其在動力電池熱管理中的實際使用。Khateeb等[7]通過數(shù)值模擬和實驗表明：純石蠟導(dǎo)熱能力差，容易引起鋰離子電池熱失控；泡沫鋁的加入，其導(dǎo)熱系數(shù)提高了一個數(shù)量級，電池模塊的溫度上升下降了25℃。Li等[8]實驗證實了泡沫銅的加入進一步提升了石蠟的熱管理性能。

EG是另一類用于有機PCM導(dǎo)熱增強的多孔材料，與金屬泡沫相比，具有質(zhì)量輕、價格便宜、耐腐蝕等優(yōu)點。此外，EG對石蠟還具有良好的吸附性，對液態(tài)石蠟可起到定形的作用，解決了易泄漏、封裝難等問題[9,10]。近年來，EG/PCM復(fù)合材料在鋰離子電池熱管理中的應(yīng)用被廣泛地研究[11-15]。Al-Hallaj等[11,12]把EG/PCM復(fù)合材料用于18650電池模塊中，通過數(shù)值模擬和實驗評價了EG/PCM的熱管理性能。Lin等[14]設(shè)計了含有EG/PCM和納米石墨片的方形磷酸鐵鋰電池包，納米石墨片夾在兩塊電池之間，形成三明治結(jié)構(gòu)，EG/PCM塊體加在電池的兩側(cè)。以上這些研究都集中在電池模塊(含PCM)的設(shè)計及在不同的條件下(放電倍率和環(huán)境溫度)評價EG/PCM復(fù)合材料對鋰離子電池熱管理的可行性,很少文獻涉及EG/PCM復(fù)合材料塊體的導(dǎo)熱系數(shù)各向異性的研究及其對鋰離子電池熱管理的影響，EG/PCM復(fù)合材料的成分優(yōu)化設(shè)計也鮮有報道。

本工作制備不同質(zhì)量分數(shù)的EG/PCM復(fù)合材料塊體，采用熱線法測試樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，研究了不同質(zhì)量分數(shù)的樣品及其導(dǎo)熱系數(shù)各向異性對鋰離子電池熱管理的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗原料及EG/PCM復(fù)合材料的制備

石蠟(RT44HC)，杭州魯爾能源科技有限公司，熔點41～44℃，相變潛熱275J/g；可膨脹石墨粉，山東青島金日來石墨有限公司，200目，膨脹率300～400mL/g。

將可膨脹石墨粉放入60℃的真空烘箱中干燥24h，然后放入800℃的馬弗爐中迅速膨化60s，即得到EG。

將一定質(zhì)量比的石蠟和EG(EG的質(zhì)量分數(shù)分別為2%，4%，6%，9%，12%，16%，20%和30%)裝入燒杯中，置于70℃的水浴中，攪拌吸附3h。將得到的EG/PCM粉末裝入特制的模具中，在4MPa的壓力下壓制成板狀塊體(用于測量導(dǎo)熱系數(shù))和空的圓柱體(用于26650磷酸鐵鋰電池熱管理)，如圖1所示。

圖1 EG/PCM復(fù)合材料樣品 (a)粉末；(b)板狀塊體和空圓柱體Fig.1 EG/PCM composite samples (a)powder；(b)blocks and empty cylinders

1.2 測試與表征

用掃描電子顯微鏡SEM(FEI Quanta 200F)觀察樣品的微觀形貌。采用瞬態(tài)熱線法(TC3000)測試樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，測試原理示意圖如圖2所示，熱線夾在兩塊形狀、成分完全相同的樣品中，形成三明治結(jié)構(gòu)。恒定的電壓加在熱線的兩端，其上升的溫度如式(1)所示：

(1)

式中:ΔT為熱線上升的溫度；q為施加的熱功率；k為待測樣品的導(dǎo)熱系數(shù)；t為時間；B為常數(shù)，由式(1)可知，熱線上升的溫度ΔT與時間t的對數(shù)成線性關(guān)系，算出其斜率，就可得到待測樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，如式(2)所示。

(2)

圖2 采用瞬態(tài)熱線法測試樣品導(dǎo)熱系數(shù)的原理圖 (a)實驗裝置示意圖；(b)測軸向?qū)嵯禂?shù)；(c)測徑向?qū)嵯禂?shù)Fig.2 Schematic diagram of testing thermal conductivity by transient hot wire method(a)sketch map of experiment set up;(b)testing axial thermal conductivity；(c)testing radial thermal conductivity

將26650 LiFeO4電池塞進由EG/PCM復(fù)合材料壓制成的空心圓柱體中。用直流電子負載PEL-3041對電池進行5C(15A)恒流放電，T型熱電偶分別貼在電池的表面和PCM的外表面，8通道溫度采集儀AT4508監(jiān)測溫度的變化。

2 數(shù)值模擬

采用有限元分析軟件ANSYS 15.0模擬EG/PCM復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)各向異性對鋰離子電池熱管理的影響。模擬電池內(nèi)部溫度場，其實質(zhì)是采用有限元方法求解下列能量偏微分方程。

(3)

(4)

式中：cps和cpl為材料在固態(tài)或液態(tài)時的比熱容；Tl和Ts分別為開始熔化和熔化結(jié)束時的溫度；L為相變潛熱；T為工作溫度。電池的發(fā)熱功率一般采用Bernardi等[16]提出的電池熱平衡方程來估算，其方程如下：

(5)

式中：I(V-U)為電池的內(nèi)阻熱；dU/dT是電池發(fā)生可逆的電化學反應(yīng)的熵系數(shù)，取0.4mV/K[13]；I為電流；V和U分別為電池的開路電壓和工作電壓。

求解電池內(nèi)部溫度場之前，首先設(shè)置材料的物性參數(shù)，其次對求解對象進行建模、網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)置。建模時電池簡化為均質(zhì)圓柱體，網(wǎng)格單元為平行六面體，網(wǎng)格數(shù)為101556；圖3為其物理模型和網(wǎng)格分布情況。電池與PCM之間的接觸熱阻忽略不計，其邊界條件為：

(6)

圖3 裹有PCM的電池物理模型及網(wǎng)格分布Fig.3 Physical model and grid shape of a cell surrounding PCM

式中：kb和kPCM分別為電池和PCM的導(dǎo)熱系數(shù)；r為電池的半徑。與空氣接觸處的邊界條件為：

(7)

式中：h為空氣自由對流冷卻系數(shù)，一般取值為5W/(m2·K)，n為法線方向，T0為環(huán)境溫度。

3 結(jié)果與分析

3.1 EG及EG/PCM的微觀形貌

圖4為EG和EG/PCM復(fù)合材料的微觀形貌圖片。從圖4(a)，(b)中可以看出，EG的形貌呈蠕蟲狀，其表面由大量的石墨片交織形成了扁平、蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，這些蜂窩狀的結(jié)構(gòu)使得EG具有良好的吸附性。圖4(c)為EG/PCM復(fù)合材料的微觀形貌，與圖4(b)比較，EG中的蜂窩狀的孔結(jié)構(gòu)消失，被PCM填充，但仍然保留些原來的片狀結(jié)構(gòu)。

圖4 樣品SEM圖片 (a)，(b)EG;(c)EG/PCMFig.4 SEM photographs (a)，(b)EG;(c)EG/PCM

3.2 EG/PCM復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)

圖5為不同質(zhì)量分數(shù)的EG/PCM復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)(EG含量分別為2%，4%，6%，9%，12%，16%和20%)。從圖5中可以看出，EG/PCM的導(dǎo)熱系數(shù)隨著EG的質(zhì)量分數(shù)的增大而增大；EG含量較低時，導(dǎo)熱系數(shù)增加率較??；當EG的質(zhì)量分數(shù)由6%增加到9%，其增加率急劇增加。這是由于逐漸增加的EG由分散相變成連續(xù)相，形成了致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)起到了導(dǎo)熱骨架的作用，提供了導(dǎo)熱路徑，文獻[17]證實了實驗結(jié)果。另外，比較了徑向和軸向這兩個方向的熱傳導(dǎo)率。EG含量小于9%，這2個方向的導(dǎo)熱系數(shù)幾乎相同。當EG的質(zhì)量分數(shù)≥9%時，徑向?qū)嵯禂?shù)顯然大于軸向?qū)嵯禂?shù)，并且隨著EG含量的增加，這種差值顯得更為明顯。其原因可歸納為：(1)石墨具有層狀結(jié)構(gòu)，其平面導(dǎo)熱系數(shù)遠大于軸向?qū)嵯禂?shù)；(2) EG含量為9%及以上，石蠟全部吸附到EG孔狀結(jié)構(gòu)中，EG成為連續(xù)相；(3) EG/PCM塊體經(jīng)單軸加壓成型，這種擠壓導(dǎo)致大量的蠕蟲狀EG(吸附了石蠟)先水平地鋪平，然后一層一層地疊加。Luo等[18]從EG/PCM塊體的微觀形貌特征分析了EG/PCM的導(dǎo)熱系數(shù)各向異性。根據(jù)EG/PCM塊體按層狀疊加，采用簡單的串-并聯(lián)模型[19]對EG/PCM塊體的導(dǎo)熱系數(shù)進行預(yù)測，圖6(a)的熱流與吸附了石蠟的EG取向相平行，此時，復(fù)合PCM的有效導(dǎo)熱系數(shù)最大，如方程(8)所示。

kmax= (1-φ)kEG+φkPCM

(8)

圖5 不同EG含量時EG/PCM復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)Fig.5 Thermal conductivity of EG/PCM composites with different EG contents

圖6(b)的熱流與EG的取向相互垂直時，其有效導(dǎo)熱系數(shù)最小，式(9)給出了其表達式：

(9)

實際上，吸附了石蠟的EG經(jīng)單軸擠壓成型后的取向不可能一致，即熱流不可能與EG的取向完全平行或垂直。其實際存在的狀態(tài)可視為這兩個理想狀態(tài)疊加，假設(shè)橫向平行排列的EG含量為ψ，則縱向排列的則為1-ψ。EG/PCM塊體的徑向?qū)嵯禂?shù)的計算式如式(10)所示。

kradial=ψkmax+(1-ψ)kmin

(10)

圖6 有效熱傳導(dǎo)模型 (a)并聯(lián)模型；(b)串聯(lián)模型Fig.6 Effective thermal conductivity model (a)parallel model;(b)series model

測試樣品的軸向?qū)嵯禂?shù)的計算公式：

kaxial=(1-ψ)kmax+ψkmin

(11)

根據(jù)測試結(jié)果，結(jié)合式(10)或(11)，可計算出不同EG含量對應(yīng)的ψ值，如表1所示。從表1中可知，EG含量為9%時，兩種方法計算出的ψ值相差較大；隨著EG含量的增加，ψ值逐漸趨向一定值；這可能是由于EG含量低時，其取向分布呈隨機性，未表現(xiàn)出明顯的統(tǒng)計規(guī)律。對表1中的ψ值取平均值(不包括EG含量為9%的ψ值)，代入式(10)和(11)，即可得到EG/PCM塊體的徑向和軸向?qū)嵯禂?shù)。圖5表明建立的模型預(yù)測值與實驗測試結(jié)果吻合得較好。

表1 不同EG含量的EG/PCM復(fù)合材料的ψ值Table 1 The ψ values of EG/PCM composites with different EG contents

3.3 EG/PCM復(fù)合材料對鋰離子電池的熱管理

采用不同EG含量的EG/PCM復(fù)合材料對26650 LiFeO4電池進行熱管理，其溫度變化曲線如圖7所示；圖中實線和點劃線分別代表電池表面、PCM表面溫度。

圖7 5C放電，電池表面及PCM外表面的溫度變化曲線Fig.7 Temperature curves of battery surface and PCM outer surface at 5C discharging

從圖7中可知，PCM發(fā)生相變之前，電池的溫度迅速上升；不同的EG含量，其升溫速率幾乎相等。t=400s左右，溫度曲線出現(xiàn)一拐點，升溫速率開始下降，標志著PCM開始融化，電池釋放的熱量作為PCM潛熱儲存。然而純PCM散熱，電池表面溫度經(jīng)短暫的緩慢上升期之后，其溫度又迅速上升，最終達到47.6℃。這是由于純PCM的導(dǎo)熱系數(shù)低(0.2W·m-1·K-1)，不能迅速傳遞來自電池的熱量，積累的熱量加速了與電池接觸的PCM融化，這一薄層PCM融化完畢，進入液相區(qū)，故電池溫度又快速上升。與純PCM相比，采用EG(6)/PCM(94)復(fù)合材料散熱，電池表面溫度的升溫速率減小，最終溫度達到45.5℃。隨著EG含量的逐漸增加，電池的升溫速率進一步減??；EG含量為12%和20%時，PCM相變期間，電池表面溫度出現(xiàn)了較為理想的溫度平臺，最高溫度分別為42.6℃和42.9℃，仍然處在PCM的相變溫度范圍之內(nèi)。當EG含量增大到30%時，在放電末期，電池的溫度又快速上升，最高溫度達到46.4℃，超過了PCM的最高熔點；這是由于PCM已經(jīng)完全融化，進入液相區(qū)，PCM低的顯熱吸收造成電池溫度過快上升,因此，不能過高地增加EG含量來提高PCM的導(dǎo)熱能力，因為高的EG含量使得EG/PCM復(fù)合材料的相變潛熱大幅度減小，減少了對電池有效熱管理的時間。EG的加入，提高了PCM的導(dǎo)熱能力，還可從PCM的內(nèi)外表面的溫差得到驗證。純PCM發(fā)生相變時，其外表面的溫度幾乎保持39℃不變，其內(nèi)外表面溫度之差高達8.6℃；EG的加入，使得PCM的內(nèi)外表面溫度之差減?。划擡G含量≥12%, PCM內(nèi)外表面最大溫差約為1～2℃。圖7顯示EG(12)/PCM(88)復(fù)合材料內(nèi)外表面的溫度變化步調(diào)幾乎一致，其最大溫差只為1.2℃，表明EG(12)/PCM(88)復(fù)合材料能迅速傳遞來自電池的熱量。液相PCM能否快速凝固直接影響到它的下一次循環(huán)使用，對于動力電池熱管理，要求PCM具有高的冷卻速率。從圖7中可以看出，純PCM和EG(6)/PCM(94)復(fù)合材料的冷卻速率緩慢，溫度下降到40℃(凝固溫度的下限)所用的時間分別為2450s和2415s。隨著EG含量的逐漸增加，PCM的冷卻速率增加，EG(12)/PCM(88)、EG(20)/PCM(80)、EG (30)/PCM(70)復(fù)合材料完全凝固分別用了665,660,580s，比純PCM所用的時間縮短了1785,1790,1870s。以上分析說明，EG(12)/PCM(88)復(fù)合材料具有較好的熱管理性能，可作為動力鋰電池被動熱管理中所選用的復(fù)合PCM之一。

3.4 導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性對電池熱管理的影響

圓柱形鋰離子電池的軸向?qū)嵯禂?shù)遠大于其徑向?qū)嵯禂?shù)，而電池熱量的散失主要取決于電池的徑向?qū)嵯禂?shù)；單軸擠壓成型的EG/PCM塊體的導(dǎo)熱系數(shù)也具有各向異性，下面通過數(shù)值模擬的方法分析導(dǎo)熱系數(shù)各向異性對電池熱管理的影響。電池按5C倍率放電計算，圖8為EG/PCM不同導(dǎo)熱系數(shù)下電池表面溫度隨時間的變化情況。從圖中可以看出，PCM相變時，電池的升溫速率主要取決于復(fù)合PCM的徑向?qū)嵯禂?shù)，隨著徑向?qū)嵯禂?shù)增大，電池的升溫速率減小；當復(fù)合PCM的徑向?qū)嵯禂?shù)增加到一定值時，電池的升溫速率幾乎恒定。電池的升溫速率隨徑向?qū)嵯禂?shù)的變化規(guī)律可用等效熱阻模型進行解釋。電池和PCM的徑向等效總熱阻等于它們的徑向熱阻之和，當復(fù)合PCM的徑向?qū)嵯禂?shù)小時(徑向熱阻大)，增大PCM的徑向?qū)嵯禂?shù)，其等效總熱阻變小，導(dǎo)熱能力增強。復(fù)合PCM的徑向?qū)嵯禂?shù)值較大時(徑向熱阻小)，等效總熱阻主要取決于電池的徑向熱阻，因此，增加復(fù)合材料的徑向?qū)嵯禂?shù)，等效總熱阻幾乎不變，故導(dǎo)熱能力未得到增強。因此，設(shè)計復(fù)合PCM用于鋰離子電池熱管理中，不能盲目地通過增大EG的含量來提高PCM的導(dǎo)熱系數(shù)；此外，EG/PCM復(fù)合材料擠壓成型時，應(yīng)使其徑向?qū)嵯禂?shù)大于軸向?qū)嵯禂?shù)。

圖8 不同EG/PCM的導(dǎo)熱系數(shù)下電池表面溫度變化曲線Fig.8 Battery temperature variations under different thermal conductivity of EG/PCM

4 結(jié)論

(1)EG的加入大幅度地提高了PCM的導(dǎo)熱系數(shù)，EG含量≥9% 時，復(fù)合材料EG/PCM塊體的導(dǎo)熱系數(shù)呈各向異性。EG的質(zhì)量分數(shù)由9% 增加到20%，EG/PCM塊體的徑向?qū)嵯禂?shù)由3.50W/(m·K)增加到10.10W/(m·K)，軸向?qū)嵯禂?shù)由2.80W/(m·K)增加到7.22W/(m·K)。

(2)PCM應(yīng)用于26650 LiFeO4電池熱管理中，有效抑制了電池溫度的過快上升，EG的加入能進一步降低電池的升溫速率。EG含量為12% 時，電池表面升溫曲線出現(xiàn)了一較為理想的溫度平臺(升溫速率幾乎為0)，其最高溫度控制在PCM的相變溫度范圍之內(nèi)。因此，EG(12)/PCM(88)復(fù)合PCM具有良好的熱管理性能，適合于用作鋰離子電池熱管理材料。

(3)鋰離子電池的升溫速率主要取決于復(fù)合PCM的徑向?qū)嵯禂?shù)，徑向?qū)嵯禂?shù)低時，升溫速率隨徑向?qū)嵯禂?shù)的增大而減小；當徑向?qū)嵯禂?shù)增大到一定值時，電池的升溫速率幾乎保持恒定不變。

[1] HOSSAIN R, MAHMUD S, DUTTA A, et al. Energy storage system based on nanoparticle-enhanced phase change material inside porous medium [J]. International Journal of Thermal Sciences, 2015, 91 : 49-58.

[2] ZHANG H, BAEYENS J, CCERES G, et al. Thermal energy storage: recent developments and practical aspects [J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2016, 53 : 1-40.

[3] 劉菁偉，楊文彬，謝長瓊，等. HDPE/EG/石蠟導(dǎo)熱定形相變材料的制備及性能 [J]. 材料工程, 2015, 43(4): 42-46.

LIU J W, YANG W B, XIE C Q, et al. Preparation and properties of HDPE/EG/paraffin thermal conducting shape-stabilized phase change material [J]. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(4): 42-46.

[4] 高學農(nóng), 劉欣, 孫滔, 等. 基于復(fù)合相變材料的電子芯片熱管理性能研究 [J]. 高校化學工程學報, 2013, 27(2) : 187-192.

GAO X N, LIU X, SUN T,et al. Research on the thermal management performance of electronic chip with composite phase change material[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2013, 27(2): 187-192.

[5] ALSHAER W G, NADA S A, RADY M A, et al. Numerical investigations of using carbon foam/PCM/nano carbon tubes composites in thermal management of electronic equipment [J]. Energy Conversion and Management, 2015, 89 : 873-884.

[6] HALLAJ S A, SELMAN J R. A novel thermal management system for electric vehicle batteries using phase-change material [J]. Journal of the Electrochemical Society, 2000, 147(9): 3231-3236.

[7] KHATEEB S A, FARID M M, SELMAN J R, et al. Design and simulation of a lithium-ion battery with a phase change material thermal management system for an electric scooter [J]. Journal of Power Sources, 2004, 128(2): 292-307.

[8] LI W Q, QU Z G, HE Y L, et al. Experimental study of a passive thermal management system for high-powered lithium ion batteries using porous metal foam saturated with phase change materials [J]. Journal of Power Sources, 2014, 255 (6) : 9-15.

[9] 華建社, 張嬌, 張焱, 等. 膨脹石墨/石蠟復(fù)合相變蓄熱材料的熱性能及定形性研究 [J]. 材料導(dǎo)報, 2016, 30(12) : 61-64.

HUA J S, ZHANG J,ZHANG Y, et al. Study on properties and shape-stabilizing expanded graphite/paraffin composite phase change material [J]. Mater REV:Res,2016, 30(12) : 61-64.

[10] 胡小冬, 高學農(nóng), 李得倫, 等. 石蠟/膨脹石墨定形相變材料的性能 [J]. 化工學報, 2013, 64(10) : 3831-3837.

HU X D, GAO X N, LI D L, et al. Performance of paraffin/expanded graphite composite phase change material [J]. CIESE Journal, 2013, 64(10): 3831-3837.

[11] MILLS A, AL-HALLAJ S. Simulation of passive thermal management system for lithium-ion battery packs [J]. Journal of Power Sources, 2005, 141 (2) : 307-315.

[12] KIZILEL R, LATEEF A, SABBAH R, et al. Passive control of temperature excursion and uniformity in high-energy Li-ion battery packs at high current and ambient temperature [J]. Journal of Power Sources, 2008, 183(1): 370-375.

[13] 劉臣臻, 張國慶, 王子緣, 等. 膨脹石墨/石蠟復(fù)合材料的制備及其在動力電池熱管理系統(tǒng)中的散熱特性 [J]. 新能源進展, 2014, 2(3): 233-238.

LIU C Z, ZHANG G Q, WANG Z Y, et al. Preparation of expanded graphite/paraffin composite materials and their heat dissipation characteristics in power eattery thermal management system [J].Advances in New and Renewable Energy, 2014, 2(3): 233-238.

[14] LIN C, XU S, CHANG G, et al. Experiment and simulation of a LiFePO4battery pack with a passive thermal management system using composite phase change material and graphite sheets [J]. Journal of Power Sources, 2015, 275 : 742-749.

[15] LING Z, WANG F, FANG X, et al. A hybrid thermal management system for lithium ion batteries combining phase change materials with forced-air cooling[J]. Applied Energy, 2015, 148 : 403-409.

[16] BERNARDI D, PAWLIKOWSKI E, NEWMAN J. A generalenergy balance for battery systems[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1985, 132(1): 5-12.

[17] XIA L, ZHANG P, WANG R Z. Preparation and thermal characterization of expanded graphite/paraffin composite phase change material [J]. Carbon, 2010, 48(9): 2538-2548.

[18] LUO J F, YIN H W, LI W Y, et al. Numerical and experimental study on the heat transfer properties of the composite paraffin/expanded graphite phase change material [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, 84: 237-244.

[19] WANG Z, ZHANG Z, JIA L, et al. Paraffin and paraffin/aluminum foam composite phase change material heat storage experimental study based on thermal management of Li-ion battery [J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 78 : 428-436.

(本文責編：高 磊)

Preparation and Thermal Management of Expanded Graphite/Paraffin Composite for Li-ion Battery

JIANG Gui-wen,HUANG Ju-hua

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

A series of expanded graphite (EG)/paraffin composites with various EG contents were prepared for Li-ion battery thermal management, in which paraffin was chosen as PCM and EG as the promoter of thermal conductivity. The thermal conductivity of the samples was measured by a thermal conductivity analyzer based on the transient hot wire method.The effect of EG content in composite on Li-ion battery thermal management was investigated. The thermal management performance of EG/PCM composites with different thermal conductivity was also discussed by software ANSYS. The results show that:EG incorporation dramatically enhances the thermal conductivity of PCM;the thermal conductivity of EG/PCM shows anisotropy, with EG content equaling to or exceeding 9%; The temperature of Li-ion battery surface decreases with an increase in EG content of composite, EG(12)/PCM(88) exhibits excellent thermal management for Li-ion battery.To adequately increase the thermal conductivity of EG/PCM in radial direction is beneficial to improve Li-ion battery thermal management.

phase change material;expanded graphite;thermal conductivity;thermal management；Li-ion battery

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000919

TK02

A

1001-4381(2017)07-0041-07

江西省高等學校教育廳高等學校落地計劃項目(XILD11022)

2016-07-30;

2016-12-28

姜貴文(1978-)，男，博士，研究方向：復(fù)合相變材料及電池熱管理研究，聯(lián)系地址：江西省南昌市南昌大學前湖校區(qū)機電工程學院(330031)，E-mail：jgw_cailiao@163.com