基于相变材料的锂离子电池热管理性能

锂离子电池（lithium-ion battery,LIB）作为目前应用最广泛的储能电池之一,在电动汽车等行业发挥着至关重要的作用。电池的温度是影响LIB性能及安全性的重要因素,因此电池热管理（battery thermal management,BTM）至关重要。目前,利用相变材料（phase change material,PCM）进行相变冷却的热管理方式因其潜热高、不需消耗额外能量的优点已成为一种很有前途的方法。本文针对8节并联18650LIB的电池组性能进行了数值模拟及实验研究,探究了石蜡基复合相变材料（composite phase change material,CPCM）物性参数（包括热导率、熔点、相变潜热和材料厚度）对本文设计的电池组热管理性能的影响。结果表明,纯石蜡用于BTM可将3C放电下的电池最高温度降低28.0%,向石蜡中添加膨胀石墨后可使CPCM的热管理性能进一步提升,CPCM的热导率为2.0W/(m·K)时可将3C放电下的电池最高温度进一步降低5.42℃,继续增大CPCM热导率对热管理性能的提升较小。在综合考虑电池组的最高温度和温度均匀性的情况下,为得到在本文所设计的锂离子电池组最佳热管理性能,CPCM的热导率为2.0W/(m·K)、熔点应在36~38℃之间、相变潜热在212J/g左右、CPCM的厚度为4mm时最优。     

生物质碳化衍生物强化相变材料各向热导率的研究进展

相变材料由于具有较高的潜热值和良好的温度控制性能,已经被广泛应用于建筑节能、余热废热回收、电池热管理、太阳能热能储存等领域。然而,相变材料在固-液相变过程中的泄漏和导热性能差等缺点限制了它们的进一步发展。生物质碳化衍生物具有的多孔微观结构和良好的导热性克服了相变材料相变时的液漏和自身导热能力差等问题,成为相变材料良好的载体选择。由于生物质碳化衍生物多孔碳材料具有各向同性和各向异性的结构,因此,生物质碳化衍生物多孔碳材料强化相变材料的热导率分为各向同性热导率强化和各向异性热导率强化。     

硬脂醇/膨胀石墨复合相变材料的制备及储热性能

相变储热技术是解决热量在时空上分配不平衡问题的有效手段之一,研制高性能的复合相变材料（phase change material, PCM）成为当前研究者关注的重点。硬脂醇（stearyl alcohol, SAL）等有机PCM目前主要存在热导率偏低以及循环稳定性较差等问题而限制了实际应用。以SAL作为PCM,膨胀石墨（expanded graphite, EG）为高导热多孔基质,采用吸附定形工艺制备了16种SAL/EG复合PCMs[EG含量为7%、14%、21%、28%（质量）;样品密度为700kg/m³、800kg/m³、900kg/m³、1000kg/m³]。对复合PCMs样品的微观结构、储热能力、导热性能、循环稳定性及充放热性能进行研究与分析。结果表明：SAL完全填充于EG的多孔网络。当样品密度为900kg/m³,EG质量分数为28%的水平热导率最高,其值为28.58W/(m ? K),相比于纯SAL[0.38W/(m ? K)]提高了74倍,该值大约是相对应垂直热导率[5.99W/(m ? K)]的4.8倍。另外在构建的充放热性能试验台上研究了样品中心位置的储/放热性能,结果显示样品密度为900kg/m³,EG质量分数为28%的样品充放热速率最大,固-液潜热吸热和放热阶段所经历的时间分别为53min和20min。与此同时验证了样品的导热性能和熔化-凝固特性,说明SAL/EG复合PCMs具有稳定可靠的储/放热性能。     

基于多孔支撑体的形状稳定复合相变储能材料的研究进展

固-液相变材料（PCMs）是热能储存（TES）技术发展的关键因素,然而一些固有的问题如泄漏和热导率低等严重制约了相变材料的性能。因此,选择合适的方法构建形状稳定的复合相变材料（FSCPCMs）,并有效地提高其热导率是实现相变材料实用化的重要前提。多孔载体封装相变材料为构建具有高储能密度和优异热传输性能的定形复合相变材料提供了一条有效的途径。本文对不同FSCPCMs的制备、结构热学性能、应用等方面进行了综述,详细总结和讨论了孔径和几何形状、表面改性、作用力、组成等因素对FSCPCMs相变行为的影响。重点介绍了具有高热导率、高负载率和高潜热的新型多孔复合相变材料的设计和应用。最后,基于理论、数值和实验方法,展望了FSCPCMs在约束结构中的相变和多尺度传热方面未来的研究方向及其在能源转换方面的商业化应用。     

定向生物质多孔碳复合相变材料的制备及其热性能研究

针对石蜡热导率低以及易泄漏等问题,以生物质木头多孔碳作为导热填料骨架,利用壳聚糖改性木头多孔碳在其竖向孔道中生长碳薄片形成分级多孔网络结构,并与石蜡复合制成定形复合相变材料（PCC）。结果表明,由于分级多孔网络骨架的引入,PCC的定形效果好,无明显泄漏,其相变焓值为126.9 J/g,经100次熔化凝固循环测试,其相变温度和焓值均无明显变化,具有良好的循环稳定性。PCC的导热性能具有较大提高,且呈现明显的各向导热异性,平面外和平面内热导率分别为0.67和0.41 W/(m·K)。此外,通过模拟太阳光进行光热实验,发现PCC具有良好的光热转换性能。本复合相变材料在储热以及热管理领域具有应用前景。     

含石蜡@二氧化硅纳米胶囊和碳纤维的相变热界面材料及其散热性能

含有相变材料的热界面材料（即相变热界面材料）可借助相变材料的吸热来直接缓解高热通量对芯片造成的冲击。将相变胶囊与导热填料复配引入聚合物基料有望获得可靠性好的相变热界面材料。将石蜡@二氧化硅纳米胶囊与碳纤维复配，制备了一系列含不同质量分数碳纤维和纳米相变胶囊的聚二甲基硅氧烷基相变热界面材料样品，测定了它们的相变特性、热导率和硬度，并将它们分别用于模拟芯片散热来评价其应用性能。结果表明，碳纤维含量的增大致使相变热界面材料样品的热导率和硬度上升，而纳米相变胶囊含量的上升带来相变热界面材料的熔化焓上升及硬度下降，从而都对相变热界面材料的散热性能产生影响。石蜡@二氧化硅纳米胶囊和碳纤维的协同作用致使在所有制备的样品中纳米胶囊含量34%（质量）和碳纤维含量9%（质量）的相变热界面材料取得了最佳散热性能。此外，该相变热界面材料还具有优异的热可靠性，因而具备应用前景。     

PEG-EG固-固相变材料的制备和性能研究

针对固-液相变材料易泄漏和热导率较低的问题,提出了聚乙二醇(PEG)固-固相变的复合材料。复合材料由不同比例、热导率较大的膨胀石墨(EG)骨架与PEG化学枝接得到。研究结果表明,EG质量分数为10%时,复合相变材料仍存在泄漏现象,而EG质量分数为20%、30%时不再有泄漏现象,复合材料表现为固-固相变。另外,复合材料的热导率随EG含量的增加而增大,其中EG质量分数为30%时,复合材料的热导率最高,为8.031 W·m^-1·K^-1,是纯相变材料热导率(0.289 W·m^-1·K^-1)的27.79倍。经历50次循环后,所有复合相变材料的相变温度和相变焓均未有明显变化,证明其具有良好的热稳定性。考虑综合性能,EG的质量分数为20%时,复合相变材料性能最佳,定形效果良好,相变焓(138.30 J·g^-1)和结晶度(88.6%)较高,热导率也可以达到6.870 W·m^-1·K^-1。     

金属有机骨架基复合相变储热材料研究进展

固-液相变材料的品种多且潜热大,是潜热储热技术的重要工作介质。因其存在的液相泄漏问题,现阶段常将此类相变材料与多孔载体复合以提升相变材料的应用性能及使用寿命。金属有机骨架（MOFs）是一种新型多孔材料,具有高比表面积、高孔隙率以及孔径和表面性质可调控等优势,将其用作相变材料的载体具有潜在的发展前景。本文对MOF基复合相变材料的研究进行了全面综述,详细介绍了以MOFs为载体、以MOFs衍生多孔碳为载体和以MOFs原位生长于高导热基体所得复合材料为载体而制得的多种复合相变材料。MOFs的微孔结构所产生的强毛细管力对固-液相变材料有很强的固定作用;制备较大孔径的MOFs或者对MOFs进行修饰以调节MOF与相变材料间的相互作用,都有利于提高相变材料的负载率,从而提升复合相变材料的潜热;对MOFs进行高温碳化处理得到MOFs衍生多孔碳能有效解决MOFs孔径过小的问题,并能通过对其进行氮掺杂或磷掺杂来增强载体与相变材料间的氢键作用,从而获得具有高负载率和相变潜热的复合相变材料;为了增强MOF基复合相变材料的导热性能,先将MOFs原位合成在高导热基体上以利用高导热基体提供连续的传热网络,可以有效提升复合相变材料的导热系数。将原位生长在高导热基体上的MOFs进行高温碳化处理可以得到MOFs衍生多孔碳与高导热基体的复合材料,将其作为载体可以进一步增强复合相变材料的导热性能。文中最后指出,今后对于MOF基复合相变储热材料所用MOFs和相变材料的种类、MOFs与相变材料间相互作用对储热性能的影响、MOFs与相变材料复合后的稳定性等方面还需进一步探索,将MOFs的催化、检测等功能与相变材料的储热控温功能相结合制备多功能材料也是未来的发展方向之一。     

硬脂醇改性的氧化石墨烯/正十八烷复合相变材料的热物性研究

向正十八烷中加入高导热填充物形成复合相变材料（PCM）,可以很好地提升其导热性能,同时,为了保证符合相变材料的高热导率、分散性和再循环可靠性,利用硬脂醇修饰氧化石墨烯（GO）,形成改性石墨烯（MG）与正十八烷的复合相变材料。分别制备了改性石墨烯质量分数为0、1%、2%、3%、4%（质量）的改性石墨烯/正十八烷复合相变材料,并经过扫描电镜测试、红外光谱分析、差示扫描量热实验及导热分析等测试对其形貌结构及热物性进行表征和研究。实验表明制备的改性石墨烯/正十八烷复合相变材料具有很好的分散性;当纳米石墨烯片的质量分数达到4%时,复合相变材料的热导率相对于纯正十八烷高出了131.9%。     

超重条件下泡沫石墨-石蜡相变传热实验研究

基于高热导率多孔材料骨架强化传热的相变蓄冷器具有热容量大、换热效率高、控温稳定、环境适应性强等优点,在航空航天领域具有广泛的应用前景。多孔介质内固-液相变换热过程中,由于相变换热产生的相变工质密度差在加速度的驱动下造成的液相浮升力变化,将引发更为复杂的固-液相变流动与换热不稳定性特征。设计搭建了离心环境条件下的多孔介质内固-液相变换热实验研究装置,实验获得了不同加速度大小和方向下多孔介质内固-液相变换热特性。结果表明,高导热泡沫石墨-石蜡相变蓄冷能够实现界面较低升温速率温控,同时加速度方向对于相变蓄冷装置整体换热效率及换热均温性存在显著影响。当加速度方向与热流方向反向或垂直时,加速度驱动液相储能工质局部自然对流将促进整体换热效率,而加速度方向与热流方向同向时换热效率降低,并且上述差异将随着加速度的提升而进一步扩大。     

二维纳米片基复合相变储热材料研究进展

相变材料（PCMs）作为潜热储存和释放的介质,能够解决热能供需矛盾,从而缓解能源危机。纯相变材料具有能量密度高、温度范围广、能量输出稳定性强等优点,但其热导率低和在相变过程发生渗漏的缺点阻碍了其广泛的应用和发展。通过将PCMs与二维纳米片复合,PCMs热导率低和渗漏问题被有效解决。通过在导热机理方面进行详细阐述的基础上,综述了近几年来有关碳基二维纳米片、六方氮化硼（h-BN）纳米片、二硫化钼等复合储热材料的研究进展,为高性能二维纳米片基复合PCMs的设计提供一定的研究思路。     

Development and Challenges of Thermal Interface Materials: A Review

With the development of electronic equipment components in the direction of integration, miniaturization, and intelligence, their increasingly high heat dissipation requirements pose a high challenge to the thermal conductivity (TC) of thermal interface materials (TIMs). Polymer-based composite materials with high TC have gradually been favored because of their good processing performance, low cost, and low density. It is important to summarize the relationship between the problems of low heat conduction and their solutions in relation to polymer-based composite materials. For this purpose, this review comprehensively discusses the basic mechanisms of heat transfer inside polymer-based TIMs, the current challenges, and future prospects for improving TC. Strategies involving surface modification and network construction can reduce interfacial thermal resistance and enhance heat conduction.     

脂肪酸类相变材料传热及液相渗漏的研究进展

能源的大量消耗使得储热技术研究越来越重要,相变材料作为一种有效的潜热储热材料在潜热储热系统中占据重要地位。脂肪酸相变材料因其来源广泛,具有共熔和共结晶特点、相变焓高和清洁可再生等优点受到广泛关注,但脂肪酸相变材料也存在热导率低和固-液相转变时液相渗漏等缺点。本文对国内外脂肪酸相变材料的传热和渗漏进行了综述与讨论,就热导率低的缺点提出了强化传热的方式,通过建立传热模型研究其导热行为并预测传热系数;就渗漏问题提出4种有效解决液相渗漏的方法,分析了各种方法的优缺点。对节能环保要求越来越高的今天,解决脂肪酸相变材料的传热和渗漏已成为热点问题。最后对脂肪酸相变材料的发展前景进行展望。     

Particle Technology in the Formulation and Fabrication of Thermal Energy Storage Materials

This article reviews the state of the art of the formulation and fabrication of sensible, latent, and thermochemical thermal energy storage (TES) materials with special focus on the role of particle technology in enhancing the performance of these materials. Molten salt-based sensible TES materials have been intensively studied, particularly the use of doped nanoparticles for enhancing specific heat capacity and thermal conductivity. For latent TES, the inclusion of property enhancers is among the most effective approaches to address the low thermal conductivity and supercooling issues of phase change materials (PCMs), whereas the encapsulation of PCMs and structurally stabilized composite PCMs are the favorable methods to address leakage and chemical incompatibility challenges. Thermochemical TES materials are often incorporated with an inert or an active host matrix for structural stabilization.     

CNTs阵列增强石蜡/硅橡胶复合相变垫片的散热性能研究

电子技术的高速发展对散热技术提出了更高的要求,热界面材料作为散热技术的关键材料之一,面临着提高热导率以及减小传热热阻的挑战。将垂直碳纳米管阵列(VACNTs)和固-液相变材料石蜡(PA)与硅橡胶(SR)复合,研制了一种新型VACNTs/PA/SR复合相变垫片。研究表明,通过磁场校准方法可以使表面改性的镀镍多壁CNTs在SR中实现垂直定向排列,所得VACNTs/SR垫片较CNTs随机排列的垫片具有更高的热导率,并确定VACNTs/SR垫片中CNTs的适宜含量为6%(质量),对应垫片的热导率可达0.71 W/(m·K)。对于固定CNTs含量为6%(质量)但PA含量不同的一系列VACNTs/PA/SR相变垫片,PA的添加量不大于12.5%(质量)时,相变垫片克服了液态PA的泄漏问题;相变垫片在PA发生固-液相变后表现出硬度显著下降,热阻减少可达55.14%,并具备优异的热可靠性。将最佳VACNTs/SR垫片样品及最佳VACNTs/PA/SR相变垫片样品进行散热性能对比发现,与使用VACNTs/SR垫片的情况相比,使用VACNTs/PA/SR相变垫片时的模拟芯片不仅在温度上升阶段的升温速率更小,而且当芯片温度达到平衡后对应的平衡温度也更低,降低了3.5℃,显示出更好的散热性能。VACNTs/PA/SR相变垫片优良的特性和散热性能使其在电子设备散热领域具有良好的应用前景。     

CNTs阵列增强石蜡/硅橡胶复合相变垫片的散热性能研究

电子技术的高速发展对散热技术提出了更高的要求,热界面材料作为散热技术的关键材料之一,面临着提高热导率以及减小传热热阻的挑战。将垂直碳纳米管阵列(VACNTs)和固-液相变材料石蜡(PA)与硅橡胶(SR)复合,研制了一种新型VACNTs/PA/SR复合相变垫片。研究表明,通过磁场校准方法可以使表面改性的镀镍多壁CNTs在SR中实现垂直定向排列,所得VACNTs/SR垫片较CNTs随机排列的垫片具有更高的热导率,并确定VACNTs/SR垫片中CNTs的适宜含量为6%(质量),对应垫片的热导率可达0.71 W/(m·K)。对于固定CNTs含量为6%(质量)但PA含量不同的一系列VACNTs/PA/SR相变垫片,PA的添加量不大于12.5%(质量)时,相变垫片克服了液态PA的泄漏问题;相变垫片在PA发生固-液相变后表现出硬度显著下降,热阻减少可达55.14%,并具备优异的热可靠性。将最佳VACNTs/SR垫片样品及最佳VACNTs/PA/SR相变垫片样品进行散热性能对比发现,与使用VACNTs/SR垫片的情况相比,使用VACNTs/PA/SR相变垫片时的模拟芯片不仅在温度上升阶段的升温速率更小,而且当芯片温度达到平衡后对应的平衡温度也更低,降低了3.5℃,显示出更好的散热性能。VACNTs/PA/SR相变垫片优良的特性和散热性能使其在电子设备散热领域具有良好的应用前景。     

Steppingstone-inspired construction of high vertical thermal conductivity material with low carbon fiber content

Thermal interface materials (TIMs) with good thermal conductivity are paramount in mitigating the heat concentration challenges encountered during the operation of highly integrated components in sophisticated electronic devices. To optimize the comprehensive performance of TIMs, a balance must be struck: minimizing the filler concentration to attenuate materials hardness while maximizing filler content to bolster the thermal conduction pathway. Drawing inspiration from the orientation of tree branches passing through steppingstones in river, a method was proposed in this study. This method exploits the shear effect of carbon fiber (CF), owing to viscosity variances during diameter extrusion, and the differential flow velocity between CF and alumina to induce a significant degree of orientation. Combined with subsequent flipping and bonding, a TIM with vertically oriented CF was prepared. The TIM was obtained with a mere 12.1 wt% CF incorporation, the composite exhibits a through-plane thermal conductivity of 21.29 W/(m·K), representing an enhancement of two orders of magnitude relative to pristine silicone rubber, while retaining its flexibility and deformability. The orientation degree and high efficiency orientation effect of CF have been characterized via scanning electron microscopy (SEM), thermal conductivity test and light-emitting diode (LED) temperature rise test.     

有机-无机复合相变材料的研究进展

有机相变材料具有过冷度小、无相分离、蓄热强等优势,在相变储热领域一直受到广泛的关注。然而,较低的热导率、液相泄漏和较差的热稳定性成为限制其应用的瓶颈缺陷。近几年,有机-无机复合相变材料的研究成为新的热点,极大地促进了有机相变材料的应用和发展。本文综述了常见的提高有机相变材料导热性能的高导热性纳米材料,以及制备有机-无机定形复合相变材料常选用的多孔支撑材料,并从制备方法、作用方式和热物性等方面介绍了有机-无机复合相变材料,复合相变材料相比于单一纯相变材料具有诸多优越的性能。预测有关结构优化、封装工艺并与高效储能系统结合的研究会成为有机-无机复合相变材料未来的发展趋势。     

多孔介质在高温相变蓄热中的强化换热

采用实验方法,验证了金属泡沫、膨胀石墨在高温蓄热系统中强化换热的作用。实验结果表明,在250～290℃之间,金属泡沫多孔材料能够提高纯硝酸钠的换热率2.1倍。由于多孔材料严重抑制了自然对流,在液相加热阶段,硝酸钠与多孔材料混合物的换热率不高于纯硝酸钠的一半。通过比较底部加热和顶部加热两种加热方式下蓄热系统的换热性能,进一步揭示了多孔材料对自然对流的影响。