基于氮化硼/氧化锌二元纳米颗粒复合相变材料的锂离子电池热管理研究

本文针对相变材料(PCM)导热系数低的问题，研究人员开发了新型二元纳米颗粒复合相变材料(BNICPCM)，通过将BN、ZnO和SiO2纳米颗粒掺入石蜡中，显著提升了材料的热稳定性与导热性。研究结果表明，最优配方BNICPCM-4的导热系数达到0.52 W/mK，较基础PCM提升94%，应用于3200 mAh锂离子电池热管理时，充放电峰值温度分别降低至43.2°C和44.7°C，降温效果显著。该研究为提升电池热管理效率、保障电池安全与寿命提供了创新解决方案。

　　

随着电动汽车和可再生能源存储需求的迅猛增长，锂离子电池(Lithium-ion Batteries, LIBs)作为核心储能元件，其性能与安全性备受关注。然而，锂离子电池在充放电过程中会产生大量热量，若不能及时有效地散发，会导致电池温度急剧升高，甚至引发热失控，严重威胁电池的循环寿命和使用安全。研究表明，锂离子电池的最佳工作温度区间为15°C至50°C，超出此范围会显著影响其性能和寿命。因此，开发高效的电池热管理系统(Battery Thermal Management System, BTMS)至关重要。

在众多BTMS技术中，基于相变材料(Phase Change Material, PCM)的被动热管理技术因其高潜热、等温相变等优点而受到广泛关注。PCM能够在相变过程中吸收或释放大量热量，从而有效平抑电池的温度波动。石蜡(Paraffin Wax, PA)作为一种常见的有机PCM，具有成本低、无毒、化学稳定性好等优点，但其致命的弱点是导热系数极低（通常低于0.3 W/mK），严重限制了其在实际应用中的热管理效率。为了克服这一瓶颈，研究人员尝试将高导热性的纳米颗粒，如金属、金属氧化物或碳材料，掺入PCM中以制备复合相变材料(Composite PCM, CPCM)，以期显著提升其导热能力。尽管单一纳米颗粒的添加取得了一定效果，但仍面临纳米颗粒分散不均、易团聚、相分离等问题，影响性能的进一步提升。近年来，混合纳米颗粒（或称二元纳米颗粒）的协同效应为解决上述问题提供了新思路，但关于氮化硼(Boron Nitride, BN)与氧化锌(Zinc Oxide, ZnO)以及BN与二氧化硅(Silicon Dioxide, SiO₂)组合的二元纳米颗粒增强PCM在电池热管理中的应用研究尚属空白。

为此，由N. Praveenkumar、K. Lingadurai、T. Ramkumar、R. Bharathiraja、Mohamed Iqbal Shajahan、Hassan Fouad、Shuichi Torii和Nasser M. Abd El-Salam组成的研究团队，在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了一项创新性研究，致力于开发一种新型导热二元纳米颗粒复合相变材料(Binary Nanoparticle Infused Composite PCM, BNICPCM)，并系统评估其在锂离子电池热管理中的性能。该研究旨在通过BN、ZnO和SiO₂纳米颗粒的协同作用，克服单一纳米颗粒的局限性，为高效、可靠的电池热管理提供新材料解决方案。

为开展此项研究，研究人员主要运用了几项关键技术方法：首先，采用两步法制备BNICPCM，通过磁力搅拌和超声处理确保纳米颗粒在石蜡基体中的均匀分散；其次，利用场发射扫描电子显微镜(Field Emission Scanning Electron Microscopy, FE-SEM)和X射线衍射(X-ray Diffraction, XRD)对材料的微观形貌和晶体结构进行表征；第三，通过差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC)和热重分析(Thermogravimetric Analysis, TGA)分别评估材料的相变特性（如熔融/凝固潜热、相变温度）和热稳定性；第四，采用瞬态平面热源法(Modified Transient Plane Source, MTPS)测量材料的导热系数；最后，构建了基于18650型锂离子电池（容量3200 mAh）的实验测试系统，在1C、1.5C和2C不同倍率下，对比研究了BNICPCM冷却与自然空气冷却对电池电化学性能（电压、电流、容量）和表面温度的影响。

3.0. 结果与讨论

3.1. 表面形貌

通过FE-SEM观察发现，纯石蜡呈现光滑的膜层结构，而添加了BN-ZnO和BN-SiO₂二元纳米颗粒的BNICPCM样品（如BNICPCM 3和BNICPCM 4）表面变得粗糙不平，形成了导热通路，这有助于热量的传递。充分的超声处理有效减轻了纳米颗粒的团聚现象。

3.2. XRD分析

XRD图谱显示，BNICPCM样品在25.8°和34.1°等处出现了BN和ZnO的特征结晶峰，表明纳米颗粒成功掺入且保持了各自的晶体结构。复合材料图谱中没有新化合物生成的迹象，说明纳米颗粒与石蜡之间主要是物理结合，化学相容性良好。

3.3. 相变分析（DSC）

DSC测试表明，与纯石蜡相比，BNICPCM样品的熔融潜热有轻微下降（BNICPCM 4下降约8.11%），这是由于导热纳米颗粒取代了部分储热石蜡。但纳米颗粒的加入提高了热响应性，降低了熔融起始温度，提高了凝固起始温度，并减轻了过冷现象，有利于相变过程的稳定进行。

3.3. 热稳定性分析

经过200次热循环测试后，TGA结果显示，所有BNICPCM样品的热稳定性均显著优于纯石蜡。其中，BNICPCM 4表现最佳，其起始降解温度和完全降解温度在循环后仍分别高达219°C和426°C，远高于纯石蜡（循环后分别为148°C和305°C）。这表明BN和ZnO纳米颗粒的加入有效增强了复合材料在循环热应力下的结构稳定性和耐久性。

3.5. 导热系数分析

导热系数测试是本研究的核心成果之一。纯石蜡的导热系数为0.270 W/mK。而BNICPCM样品则表现出显著提升，其中BNICPCM 4的导热系数最高，达到0.526 W/mK，比纯石蜡提升了94.1%。这种提升归因于BN和ZnO纳米颗粒的高导热性及其在基体中形成的协同导热网络。

3.6. 电池的电学特性

在电池性能测试中，BNICPCM 4作为冷却介质展现出显著优势。在不同充放电倍率下，与自然空气冷却相比，采用BNICPCM 4冷却的电池电压曲线更平稳，放电末期电压更高，电流波形更规整，表明其内部电阻更低，电化学性能更稳定。特别是在2C高倍率放电时，BNICPCM 4冷却下的电池有效容量为2948 mAh，高于空气冷却的2913 mAh，证明了其在高负载下维持电池容量的能力。

3.7. 温度特性

温度控制是BTMS的关键指标。实验结果表明，随着充放电倍率（C-rate）升高，电池表面温度随之上升。在2C倍率下，空气冷却的电池在充电和放电过程中的峰值温度分别达到53.1°C和55.4°C，已超出安全范围。而使用BNICPCM 4冷却后，峰值温度显著降低至43.2°C（充电）和44.7°C（放电），降温幅度分别达到18.64%和19.31%，成功将电池温度维持在最优工作区间内。

3.8. 与既往研究的比较

与文献中报道的其他纳米增强PCM相比，本研究采用的BN/ZnO二元纳米颗粒复合PCM（BNICPCM 4）在相对较低的纳米颗粒总添加量（1.5 wt%）下，实现了显著的导热系数提升（94%）和优异的电池降温效果（2C倍率下最大温差达10.2°C），显示出其独特的优势和创新性。

4. 结论

本研究成功开发并系统评估了一系列新型二元纳米颗粒复合相变材料（BNICPCM）。研究结果表明，将BN与ZnO纳米颗粒组合掺入石蜡基体中，能够有效解决纯PCM导热性差的问题，并显著提升其热稳定性。最优配方BNICPCM-4（含1.0 wt% BN和0.5 wt% ZnO）表现出卓越的综合性能：导热系数提升至0.52 W/mK，热稳定性大幅增强，且经过多次热循环后性能衰减极小。将其应用于18650锂离子电池的热管理，在2C高倍率充放电条件下，能有效将电池表面峰值温度降低约10°C，并将电池容量维持在更高水平，显著优于传统的自然对流冷却方式。

该研究的重要意义在于，它不仅证实了BN/ZnO二元纳米颗粒在增强PCM热物理性能方面的协同效应和巨大潜力，而且为锂离子电池，特别是电动汽车和储能系统中电池组的热管理提供了一种高效、可靠且具有实际应用前景的被动冷却解决方案。这种基于BNICPCM的热管理策略有望显著提升电池在苛刻工况下的运行安全性、效率和使用寿命，对推动可持续能源技术的发展具有积极影响。未来的研究可进一步探索不同纳米颗粒组合、浓度优化以及在实际电池模组中的集成应用。