为应对传统能源带来的环境问题，各类新能源技术备受关注。其中，锂电池因能量密度高、循环寿命长等优势，广泛应用于新能源汽车领域。电池热管理系统对提升锂电池性能至关重要。基于相变材料的电池热管理是一种被动冷却方式，能在相变过程中吸收热量，维持电池温度稳定。该方法结构简单、无需额外耗能、适用于不同形状的电池且温度均匀性好，具有广阔的应用前景。

一、相变材料的分类

相变材料（PCM）是在特定温度下发生相变（如熔化或凝固）时，能吸收或释放大量热量而自身温度几乎不变的物质。它具有极高的储能密度。在电池热管理系统中，对相变材料提出了导热率高、泄漏率低、潜热能力强的要求。

根据材料相变特性，PCM可以区分为固-气相变、固-液相变、液-气相变和固-固相变四类。其中固-液相变类型的PCM由于其相变过程体积几乎没有变化、相变潜热高和相变温度适应范围广而被广泛应用于储能和热管理等领域。

PCM的分类

有机PCM、无机PCM的优缺点对比

二、相变复合材料的热导率提升

应用于电池热管理的理想PCM应该具有以下优点：

（1）热力学性质：高潜热、高比热、高热导率和适合工作温度的相变温度；

（2）物理性质：相变过程体积变化小、低蒸汽压力、高密度、无过冷且具有

足够的结晶速率；

（3）化学性质：化学稳定性强、无毒性和无腐蚀性；

（4）经济性质：储量大和购买成本低。

石蜡（PA）因其适宜的温度范围、高潜热和低成本等优点，已成为电池热管理中相变材料选择的主要对象。然而，PA存在易泄漏，刚性高和热导率低的问题。提升相变材料的热传导效率已成为近年来研究的重点，主要策略是添加导热性良好的导热填料。

1、金属基增强的相变复合材料

金属基导热填料包括镍（Ni）、铝（Al）、氧化锌（ZnO）、二氧化钛（Ti02）等金属／金属氧化物纳米颗粒，以及泡沫镍、泡沫铜、泡沫二氧化钛等泡沫金属。金属氧化物颗粒的导热能力不如金属颗粒，但成本更低。对于同一金属，多孔泡沫的导热增强效果优于纳米颗粒。

（a）多孔铜及其相变复合材料和多孔铝及其相变复合材料的微观结构图；

（b）镍泡沫孔隙度对1C放电率下电池温度的影响；

（c）镍泡沫孔隙密度对1C放电率下电池温度的影响

多孔金属材料具有高化学稳定性、高热导率、高比表面积、丰富的孔结构和可调的孔径大小。此外，多孔结构具有强大的毛细力和界面张力，适用于相变材料的封装。多孔铜材料、多孔铝材料广泛应用于锂离子电池热管理系统。 

除此之外，将金属切割成纤维状，压制成三维网络，与相变材料复合也能显著提高热导率并防止相变材料的泄漏。

纯石蜡的电池模组以及金属纤维组成的导热骨架及相变复合材料

2、碳基增强的相变复合材料

碳基材料具有热导率高和化学稳定性优异等特点，根据结构形态，可以分类为一维的碳材料（如碳纳米管、碳纤维）、二维的碳材料（如石墨烯、膨胀石墨）和三维的碳材料（如泡沬碳、碳气凝胶）。

其中膨胀石墨是一种二维蠕虫状层状碳材料，具有多孔网络结构和较大的比表面积，被广泛运用于提高电池热管理系统中PCM的热导率。

（a）压缩蠕虫状膨胀石墨的流程图；

（b）实验和理论计算平面热导率随石墨负载量的变化

3、陶瓷增强的相变复合材料

氮化硼是一种层状二维材料，具有良好的本征导热率（面内导热系数为30Wm^-1k^-1，面外导热系数为600Wm^-1k^-1），耐高温且化学性质稳定，相较于碳材料成本低。由于与石墨具有类似的结构，氮化硼在粘合剂和支撑材料的帮助下也可以构筑三维结构。

（a）h－BN／石蜡制备过程的示意图；

（b）PCMs及不同含量h－BN的PCMs的热导率；

（c）在30°C、70°C热台上，石蜡、无序结构PCM和3DPCM3照片

为了进一步提高氮化硼三维网络的热导率，除了单一填料的添加之外，结合多种填料进行混合添加的方法也被广泛用于增强相变材料的热传导特性。如氮化硼／氧化石墨、氮化硼／液态金属。

小结

通过在相变材料中加入金属、碳材料或陶瓷等导热填料，可以大幅提升其导热效率，维持电池的温度稳定，让电池在高温或快充条件下仍能保持安全高效工作。随着材料科学与热管理技术的不断进步，未来更加高效、安全的相变材料冷却方案，将成为推动电动汽车、储能系统发展的重要支撑技术之一。

参考文献：

[1] 韦诗涵.高导热相变复合材料的制备及电池热管理应用研究[D].浙江大学,2024.

[2] 陈华富.基于复合相变材料的锂离子电池低温热管理系统性能及结构优化研究[D].兰州理工大学,2023.

[3] 赵浩东.结合液冷与复合相变材料冷却结构的电池热管理系统优化设计[D].重庆交通大学,2024.

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