在电动汽车行驶的过程中，动力电池会产生大量的热量，热量在电池包内聚集会导致温度上升，如果没有有效的热管理方案，电池温度超过一定范围会导致电池性能下降，严重时甚至会导致起火、爆炸，威胁我们的人身和财产安全。
所以，对动力电池进行热管理是十分重要的。那么动力电池该如何进行热管理呢？应选用什么材料进行热管理呢？本文为您一一解答。
电池热管理系统可分为电池散热系统和电池加热系统，其中，目前较成熟的散热系统根据传热介质可分为四部分，分别为风冷、液冷、相变材料冷却(Phase-change material，PCM)和热管冷却，此外还有多种方式耦合散热。
▲电池冷却系统分类
未来，对高功率、高能量密度和高充电效率电池的需求将持续增长，随之而来的是对更高效、更稳定、更经济、更紧凑的电池热管理系统的需求。从低能耗和结构角度来看，PCM散热系统更具有潜力，而用PCM冷却方案进行热管理就是各个材料你方唱罢我登场的大舞台，面对棘手的电池热管理问题，各路材料好汉时而合纵连横（各材料组合而成复合材料），时而单打独斗，撰写了一部史诗般的材料演义。
所谓PCM，就是随着温度相应变化物理状态的材料，具有体积变化小、稳定性好、潜热大等优点（潜热指热量加入或移除后，导致相变而不是温度变化）。根据相变类型可分为固-固PCM、固-液PCM、固-气PCM等。固-液PCM指的是相变后固体变为了液体，另外两者亦然。图 1是PCM家族图谱。
▲图1 相变材料分类
固-液PCM。固-液PCM通常用于储存热能，包括有机PCM、无机PCM，和其各种混合物。表１和表２分别列举了几种常见的有机和无机PCM的熔点和潜热值。无机PCM虽然大都比有机PCM潜热更高，导热性能更好，但是它们普遍具有过冷现象，且在一定条件下易腐蚀，并不适用于电池等安全要求更高的设备。
▲表1 一些有机相变材料的熔点和潜热， 表2 一些水合盐的熔点和潜热
固-固PCM。固-固PCM包含一些交联共聚物和接枝共聚物。表３分别列举了形状稳定的PCM和固-固PCM的热物性及其优缺点。
▲表3 定型相变材料封装方式及其热物性
一般来说，固-固PCM潜热较小，固-气PCM的体积变化过大，而固-液PCM相变时可能发生泄漏，所以需要对其进行合理的封装。封装方式有微胶囊、制成纳米结构、将PCM包裹进交联的聚合物网络结构和把PCM吸附到多孔材料里等。图２是常见的几种封装PCM的方法所需的材料。
▲图2 有机定型PCM的支撑材料分类
在如此多不同的材料中，如何选择最合适的PCM是摆在设计者面前的一大难题。一般来说，被动式电池管理系统使用的PCM需要满足以下要求：
1）熔点在电池最佳工作温度范围内；
2）拥有高相变焓，高热导率和高比热容、高潜热值；
3）相变前后体积变化小；
4）过冷度低；
5）具有良好的化学稳定性和热稳定性，无可燃性，没有腐蚀性；
6）成本低。
而固-固PCM的潜热值较低，与之相比固-液PCM潜热值高，且相变体积变化不大、相变温度范围广、热能密度高，所以固-液PCM得到了广泛应用，固本文主要讨论固-液PCM。（定型复合PCM相变后虽无融化流动但微观上仍有PCM液化故本文认定属固-液相变）
对于固-液PCM，表4对比了有机PCM和无机PCM的性质，可以看出无机物除了具备相变焓大和热导率高的优势外，存在非常多问题，严重影响材料循环使用的稳定性。例如相分离会导致PCM组成的改变，使PCM的物性产生变化；过冷度高会导致PCM在到达凝固温度时无法凝固，除非进一步降低温度，否则潜热无法得到释放，但是额外的降温需要消耗更多的能量用于制冷，造成能源的浪费。反观有机PCM，既不易腐蚀容器，又具备过冷度低和良好的稳定性，可以满足长期循环使用的要求，是实际应用过程中较为理想的材料。
▲表4 有机PCM与无极PCM特性对比
实际上，我们也可以通过一些方法克服有机PCM热导率低和具有可燃性的问题。此外还可以通过一些方法提高有机PCM的柔韧性，使其在特定场景中能得到应用。且听我娓娓道来~
提高PCM热导率。主流提高PCM导热性有如下方法：
1）与膨胀石墨（expanded graphite）复合制成复合PCM，形成具有高热导率的定型符合PCM；
2）添加具有高热导率的金属或碳结构的纳米粒子，从微观结构改善材料导热率；
3）利用泡沫金属或金属翅片结构，从宏观结构提高PCM导热率；
4）制备具有高导热率的PCM微胶囊
表5对比了不同方法对热导率提升的效果，相比添加金属或碳材料纳米粒子等方法，利用膨胀石墨制备复合PCM有多个好处。
首先，膨胀石墨将PCM的热导率提升2个数量级，提升效果显著高于其他手段。
其次，膨胀石墨具有优异的多孔性能，与有机物具有良好的相容性，可以将PCM吸附于微孔内，并保证PCM熔化后也不析出，保持宏观上结构不发生变化。
膨胀石墨基复合PCM可以根据需求压制成型，从而应用到任意形状电池热管理系统之中。
目前，使用膨胀石墨与PCM复合是提高有机PCM热导率最有效的方法。
▲表5 复合PCM的热物性对比
提高PCM阻燃性。提高变相材料的阻燃性的方法之一是添加阻燃剂，阻燃剂的种类繁多，按所含的阻燃元素阻燃剂可分为磷系、氮系、卤系、磷-卤系、磷-氮系、硅系、锑系、硫系和铝镁系等。
磷系阻燃剂分为有机磷系阻燃剂和无机磷系阻燃剂。前者主要包括含磷二元醇、磷酸酯类等，后者主要为磷酸盐、红磷和聚磷酸盐（APP）等。举个例子，红磷、APP 受热分解均可加速材料脱水结焦形成碳层，后者的非挥发性含磷物质残余和分解过程中产生的不燃性氮气、氨气也稀释了空气含氧量实现阻燃。
氮系阻燃剂通过生成氨等不燃气体来稀释可燃气体或覆盖在材料表面从而中断燃烧。单独使用氮系阻燃剂时阻燃效率并不高。 因此一般将氮系阻燃剂作为膨胀阻燃体系中的发泡剂，与其他系统阻燃剂协同作用。
卤系阻燃剂是含氟、氯、溴、碘四种卤素元素并以卤素元素起阻燃作用的一类阻燃剂,但这类阻燃剂，燃烧过程中会产生有高毒性和潜在致癌性的物质，因此已经被很多国家所禁用。
Al(OH)3 阻燃则通过受热分解成能汽化吸热的水和具有成膜能力的 Al2O3 阻碍传热传质过程。
提高有机PCM的柔韧性。向PCM材料中通过浸渍或物理共混添加共聚物可以有效提高PCM柔韧性和改善其熔融易渗漏的不足。研究较多的传统共聚物材料有低密度聚乙烯（LDPE） 、高密度聚乙烯（HDPE）、环氧树脂（ER）等，一般多为有机物材料。
在电池热管理需求日益增长的今天，PCM无疑是一个颇具前景的赛道，而应用于PCM的各种粉体材料生产公司也可借此东风直上云霄。但目前PCM技术仍难言成熟，对于最佳材料选择和材料的参入比例仍未有定论，体现在难以合理平衡材料的导热性、柔韧性、导电性等物性关系。
参考资料
[1]小吉.新能源汽车安全管理的关键：动力电池散热技术.粉体圈
[2]凌子夜.基于膨胀石墨基复合相变材料的动力电池热管理系统性能研究.华南理工大学
[3]郑灵钰等.定型阻燃相变储热材料的研究进展.上海海事大学商船学院
[4]肖鑫.有机相变材料强化及耦合优化电池热管理系统的研究进展.复合材料学报
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