1相變材料

相，是材料科學的一個名詞，指物理、化學性質(zhì)完全一致并且與周圍其他物質(zhì)具有明顯邊界的物質(zhì)存在狀態(tài)。宏觀上看，物質(zhì)的相有三種，氣象、液相、固相。

相變，就是物質(zhì)從一種相到另外一種相的變遷，過程中溫度幾乎不變，存在一個寬闊的溫度平臺，同時吸熱和放熱現(xiàn)象明顯。這個過程叫做相變。

相變潛熱，單位質(zhì)量的物質(zhì)，從一個相態(tài)轉(zhuǎn)化到另一個相態(tài)，過程中溫度不發(fā)生變化，整個過程中吸收或者放出的熱量總和，叫做相變潛熱。一種物質(zhì)的相變潛熱，與發(fā)生相變時的溫度、相變前后的體積變化以及系統(tǒng)壓力變化率成正比。

相變材料，雖然自然界和工業(yè)中存在著很多種發(fā)生相變并伴隨有熱量吸放的材料，但工程上，主要指那些相變過程中溫度變化范圍比較窄，潛熱量大的材料。如果材料自身具備良好的導熱性能，則可以在更多的熱管理場合應用。

應用于熱管理場合的相變材料一般需要滿足幾個條件。首先，材料熱密度高，潛熱量大；其次，導熱率高，吸熱放熱過程迅速；再次，穩(wěn)定性好，不容易分解以及與周邊材料發(fā)生副反應，使用周期長，不會對系統(tǒng)造成不良影響；最后，價格低廉。

2相變冷卻的應用范圍

相變材料，吸熱放熱過程，系統(tǒng)溫度平穩(wěn)，可以達到近似恒溫的效果，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應用。大功率電力電子器件的冷卻，太陽能系統(tǒng)的冷卻，建筑材料，工業(yè)余熱利用，家用車用空調(diào)系統(tǒng)以及鋰電池的熱管理系統(tǒng)。

相變材料的兩個指標參數(shù)，相變潛熱和相變溫度，基本圈定了一種材料所能適用的環(huán)境類型。相變潛熱越大，材料保持環(huán)境溫度恒定的能力越強。

3相變材料的種類

相變材料可以分成無機相變材料、有機相變材料和復合相變材料三種。

3.1無機相變材料，主要指無機水合鹽相變材料，其相變潛熱大，熔解溫度高。主要的無機相變材料：CaCl2·6H2O、Na2SO4·10H2O、CaBr2·6H2O、CH3COONa·3H2O等。無機相變材料雖具有導熱系數(shù)大、價格便宜的優(yōu)點，但存在過冷、相分離及腐蝕性強等缺陷。

3.2有機相變材料，多種有機物的混合體，不同晶型和不同高分子支鏈結(jié)構(gòu)的組合，帶來不同的恒溫范圍。這也造就了有機相變材料的一個顯著優(yōu)點，能夠通過不同種類材料的混合達到調(diào)節(jié)相變溫度的目的；其另一個優(yōu)點是，凝固時無過冷現(xiàn)象。石蠟和各種酸酯都屬于有機相變材料。

有機相變儲能材料主要包括固-液相變、固-固相變、復合相變?nèi)箢悺?/p>

固-液相變材料，主要包括脂肪烴類、脂肪酸類、醇類和聚烯醇類等，優(yōu)點是不易發(fā)生相分離及過冷，腐蝕性較小，潛熱大；缺點是液態(tài)下容易泄露。目前應用較多的主要是脂肪烴類與聚多元醇類化合物。

固-固相變材料，是通過材料晶型的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)儲能與能量釋放的，優(yōu)點在于體積變化小、無泄漏、無腐蝕和使用壽命長等。目前已經(jīng)開發(fā)出的具有經(jīng)濟潛力的固-固相變材料主要有：多元醇類、高分子類和層狀鈣鈦礦。

有機復合相變材料，指由相變材料與載體物質(zhì)相結(jié)合形成的可保持固態(tài)形狀的相變材料。相變材料的組成有2種材料：工作介質(zhì)（相變材料）和載體物質(zhì)。相變材料負責相變吸熱放熱，載體物質(zhì)負責保持形態(tài)和力學性能。

復合相變材料的主要類型包括：導熱增強型復合相變材料、共混型復合相變材料、微膠囊型復合相變材料、納米復合型復合相變材料。

3.3有機無機復合相變材料

將有機材料和無機材料復合在一起使用，各取所長。主要有兩種方式，一種是以無機材料為骨架，有機材料作為填充物，附著在骨架上，無機骨架起到支撐形狀和維持力學性能的作用，有機材料起到吸收存儲熱量的作用；另一種是導熱材料制作成纖維狀，相變材料與之復合成為復合相變材料。

4相變材料在動力鋰電池包內(nèi)的應用

4.1鋰電池熱管理系統(tǒng)對相變材料的要求

相變溫度低，需要適應鋰電池的最佳工作溫度區(qū)間15℃-35℃；

材料相變溫度小范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，不同類型電芯的最佳工作溫度區(qū)間并不完全一致；

材料定型形態(tài)，相變前后，最好不要出現(xiàn)液態(tài)氣態(tài)相；

材料潛熱大，則系統(tǒng)恒溫能力強；

材料絕緣性好，避免高壓系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣漏電風險。

相變材料質(zhì)量密度低，減小對電池包能量密度的影響。

滿足上述要求的材料體系并不多，其中石蠟-膨脹石墨是當前研究較多的一種。

4.2石蠟-膨脹石墨的應用

相變材料在鋰電池熱管理系統(tǒng)中的應用，最早可以追溯到2004年，第一次應用于電動踏板車的溫控系統(tǒng)。此后，石蠟-石墨復合材料，石蠟-膨脹石墨復合材料逐漸被應用于鋰電池熱管理系統(tǒng)。

根據(jù)研究結(jié)果顯示，石蠟-膨脹石墨復合相變材料，可以將系統(tǒng)溫差降低至0.2攝氏度（沒有提供電池組的詳細參數(shù)，工況電流大小、電池型號等信息）。同時，研究還證明，相變材料，對于抑制熱失控的蔓延有良好效果。

石蠟-膨脹石墨復合材料，石蠟作為相變材料，負責熱量的吸收和儲存，實現(xiàn)溫控功能。石墨，具備微觀多孔結(jié)構(gòu)。當石蠟相轉(zhuǎn)變成液態(tài)，石墨起到完美的吸附作用，避免材料出現(xiàn)液體狀態(tài)。

上圖為一個研究案例中，軟包電池之間夾層放置相變材料的實驗，兩側(cè)電芯的溫升明顯高于中間電芯。結(jié)果表明，在相變溫度以下，相變材料散熱能力明顯好于空氣散熱，夾層越厚，潛熱越多，降溫效果越好。

總結(jié)下來，鋰電池的熱量有四個去處：空氣散熱，相變材料恒溫吸收潛熱，相變材料升溫吸熱，電芯自身升溫吸熱。

當前兩種方式無法吸收全部的電池產(chǎn)熱時，相變材料和電芯一起，溫度升高。

4.3復合溫控策略

相變材料可以快速的吸收電芯產(chǎn)生的熱量，在一定范圍內(nèi)起到溫度調(diào)節(jié)的作用，不需要將熱量傳遞到系統(tǒng)以外。但當電池發(fā)熱功率過大，發(fā)熱總量過大時，相變材料無法吸收全部熱量。當材料相變過程全部結(jié)束，電池產(chǎn)熱還在源源不斷的傳遞過來，則材料只能在相變溫度以上繼續(xù)升溫。此時，必須配合其他類型冷卻方式。

相變-風冷復合

風冷疊加相變材料

復合風冷和相變材料冷卻系統(tǒng)案例。以上圖中方式布置風冷通道和相變材料模塊，對比單純風冷和風冷加相變材料綜合冷卻的冷卻效果有何不同。冷卻效果對比如下圖。

單純使用相變材料，效果好于不使用相變材料的自然冷卻；單純風冷的效果略微好于單純使用相變材料；風冷和相變材料綜合使用，效果明顯好于前兩者。討論過程中，風量的大小是一個影響因素，可以認為研究人員可以找到一個與單純使用相變材料效果相近的風量，與相變材料進行疊加后，觀察疊加效果。

1-自然對流，風冷熱管理，放電；

2-自然對流，綜合熱管理，放電；

3-風量18m^3/h，風冷熱管理，放電；

4-風量18m^3/h，綜合熱管理，放電；

5-風量18m^3/h，風冷熱管理，充電；

6-風量18m^3/h，綜合熱管理，充電

相變-液冷復合

有研究測試了相變材料與液冷復合的方案。在電芯平行方向上設(shè)置相變材料，電芯之間的空間填充相變材料；在與電芯垂直的方向上設(shè)置水冷板。測試效果表明，單純使用水冷和復合使用水冷和相變冷卻兩種形式。兩個方案冷卻效果近似，但添加了相變材料的方案，冷卻液流量節(jié)省一半。

底部水冷，中間相變材料

另一研究案例，在電芯之間填充高導熱石墨片，電池組兩側(cè)放置相變材料。在相變材料上穿孔，通過兩根冷卻水管。案例討論了不同的相變溫度對系統(tǒng)冷卻效果的影響，發(fā)現(xiàn)相變溫度不同，并不會影響系統(tǒng)最終的穩(wěn)定溫度；在相變溫度附近開啟液冷系統(tǒng)輔助冷卻，冷能被相變材料吸收，系統(tǒng)溫度穩(wěn)定維持在相變溫度。

四周相變材料，A、B方向有水冷管道

相變材料冷卻系統(tǒng)，對于鋰電池冷卻來說，還是一種新的冷卻方式，研究案例不多，并且主要以仿真為主。相變材料，由于相變潛熱是物質(zhì)的天然屬性，想要有質(zhì)的提高，需要的周期比較長。就目前的材料看，大功率鋰電池系統(tǒng)單獨使用相變冷卻，不太可能達到冷卻要求。但小功率系統(tǒng)，出于減小系統(tǒng)溫差，延長電池壽命的目的，在原來自然冷卻的基礎(chǔ)上，應用相變材料冷卻系統(tǒng)，效果會比較理想。