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        石蠟基柔性相變材料的制備及其電池熱管理應用

        2020-12-24 11:05:52吳衛(wèi)鋒張國慶李紹君楊曉青
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2020年21期
        關鍵詞:方形石蠟模組

        吳衛(wèi)鋒 張國慶 李紹君 楊曉青

        (廣東工業(yè)大學,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用[1]。當前,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致溫度升高及分布不均勻,進而導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熱管理技術(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熱管理的潛熱、導熱及相變溫區(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,天津市致遠化學試劑有限公司);丙烯酸丁酯(BA,天津市大茂化學試劑廠);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。導熱系數(shù)測試:通過激光導熱儀測量樣品的導熱系數(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應用于電池熱管理測試:以自然風冷為參照組,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適用于電池熱管理。

        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應用于電池熱管理測試

        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,使導熱系數(shù)大幅度提高。該FPCM用于電池熱管理時,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

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