层次结构交联的月桂酸/聚乙烯醇复合相变材料：设计、表征及其在动力电池热管理中的应用

《Sustainable Materials and Technologies》：Hierarchically crosslinked lauric acid/polyvinyl alcohol composite phase change materials: Design, characterization and application in power battery thermal management

本研究开发了一种基于生物质的复合相变凝胶（BPCG），通过两步化学交联策略和膨胀石墨的三维导电网络，显著提高了热导率和结构稳定性，解决了传统相变材料高温泄漏和导热性不足的问题。实验表明，BPCG在2C和3C放电条件下能有效均匀电池温度分布，最大温度保持在45°C以下，且具有优异的耐久性和可扩展性。

　　这项研究聚焦于锂离子电池的热管理问题，旨在开发一种新型的复合相变材料（CPCM），以克服传统相变材料（PCM）在热传导性、结构稳定性和密封性能方面的不足。锂离子电池作为现代储能技术的核心组件，广泛应用于电动汽车、电网储能等场景，但其运行性能对温度变化非常敏感。电池在20至45摄氏度之间运行最佳，超出这个范围会导致显著的功率衰减、容量损失以及寿命缩短。因此，构建高效的电池热管理系统（BTMS）已成为确保电池在实际应用中安全、可靠和经济可行的关键。

当前，电池热管理主要依赖于三种方法：空气冷却、液体冷却以及相变材料冷却。空气冷却虽然结构简单，但其降温效率较低，难以应对高功率密度电池的快速发热问题。液体冷却系统则具备较强的降温能力，但其运行需要较大的流量和复杂的管道结构，从而增加了泵的能耗。相比之下，相变材料冷却系统利用相变过程中潜热的吸收能力，实现被动降温，无需额外的能源输入，因此在节能和稳定性方面具有优势。然而，纯相变材料存在严重的局限性，包括结构脆弱、高温泄漏风险以及热传导性差，这些问题可能导致材料性能下降、环境污染以及系统失效。

为了改善这些问题，研究人员尝试将相变材料与高导热性碳材料（如膨胀石墨、碳纳米管和碳纤维）相结合，或者引入支持网络（如气凝胶、金属有机框架和嵌段共聚物）来增强其结构稳定性。生物质材料因其可再生性和成本效益，也成为制备复合相变材料的重要原料。例如，有研究通过冷冻干燥和碳活化技术，将废弃菠萝皮转化为生物质基碳气凝胶，从而提高相变材料的负载能力。然而，这种方法在局部浸渍过程中仍存在空气残留问题，导致热传导性较低，进而影响整体的热管理效率。

在实际应用中，由于电池的运行环境复杂多变，尤其是在高功率输出或恶劣条件下，电池的温度控制尤为关键。研究发现，即使在较低的环境温度下，如30摄氏度，当电池以3C的放电速率运行时，其表面温度仍可能超过60摄氏度，这会带来安全隐患。因此，单纯依靠相变材料无法满足实际需求，必须结合创新的结构设计或辅助冷却策略，以实现高效且可靠的热管理。

基于此，本研究提出了一种基于生物质的复合相变凝胶（BPCG），通过两步化学交联策略将月桂酸（LA）锚定在聚乙烯醇（PVA）链上，并利用膨胀石墨构建三维导热网络。这种材料不仅具有较高的热传导性，还能保持良好的结构稳定性，同时具备一定的热响应柔性，从而确保与电池表面的紧密贴合，实现高效的热传递和温度控制。实验结果表明，在极端条件下（30摄氏度环境温度，3C放电速率），BPCG能够将电池组的峰值温度控制在44.9摄氏度以内，同时将纵向和横向的温度差异分别控制在1摄氏度和5摄氏度以内。此外，BPCG在长时间循环测试中表现出稳定的热管理性能，这表明其具备良好的耐久性和应用潜力。

在材料合成过程中，PVA提供了良好的聚合物骨架，其羟基基团能够参与交联反应。通过第一步交联，酸催化下的酯化反应将LA共价连接到PVA链上。随后，通过引入戊二醛（GA）并在酸性条件下快速发生缩聚反应，形成第二步交联，从而将游离的LA包裹在交联网络中。这种方法不仅提高了材料的结构稳定性，还增强了其热传导性。同时，膨胀石墨的引入为材料提供了三维导热网络，进一步提升了其导热能力。这种结构设计使得BPCG在保持高潜热容量的同时，也具备良好的热响应性能。

与传统方法相比，BPCG的两步交联策略有效解决了高温泄漏和工艺复杂性的问题，同时降低了系统的制造成本。此外，BPCG的合成过程较为简单，不需要复杂的处理步骤，如冷冻干燥、煅烧和真空吸附，这使得其在工业应用中更具可行性。与此同时，BPCG的热响应柔性也为其在不同形状和尺寸的电池表面提供了良好的适应性，确保了材料与电池之间的紧密接触，从而提高热传递效率。

从应用角度来看，BPCG不仅能够用于锂离子电池的热管理，还可能在其他需要高效热控制的领域发挥重要作用。例如，在高功率密度的储能系统中，BPCG可以作为有效的热调节材料，防止局部过热导致的性能下降。此外，在电池组的热管理中，BPCG的高导热性和结构稳定性可以有效减少电池之间的温度差异，从而延长电池的使用寿命。这种材料的制备方法也为其在大规模生产中提供了可能，同时兼顾了环保和经济性。

在研究过程中，团队通过系统的实验验证了BPCG的性能。实验结果显示，在2C放电条件下，BPCG能够显著改善电池的热分布，将水平和纵向的温度差异分别降低1.75摄氏度和0.7摄氏度。而在更高负载（3C放电）条件下，结合延迟400秒的液体冷却系统，BPCG能够将电池组的峰值温度控制在44.9摄氏度以内，并将温度差异进一步降低至4.6摄氏度和0.8摄氏度。这些结果表明，BPCG在实际应用中能够实现高效的热管理，同时保持较低的能耗。

此外，研究还发现，BPCG在高温下的性能表现尤为突出。即使在电池表面温度超过60摄氏度的情况下，BPCG仍然能够保持稳定的热传导能力，避免因温度过高而导致的性能下降或安全隐患。这表明，BPCG不仅在正常运行条件下具备良好的热管理能力，还能在极端情况下提供可靠的保护。这种材料的高热响应柔性也使其能够适应不同形状和尺寸的电池，确保与电池表面的紧密接触，从而提高整体的热传递效率。

从材料科学的角度来看，BPCG的开发代表了一种新的复合相变材料设计思路。通过将PVA、LA和EG相结合，并采用两步交联策略，研究人员成功地提升了材料的结构稳定性和热传导性，同时保持了良好的热响应柔性。这种设计不仅克服了传统相变材料的不足，还为未来电池热管理材料的开发提供了新的方向。此外，BPCG的制备方法也较为简便，不需要复杂的处理步骤，这使得其在工业应用中更具可行性。

在实际应用中，BPCG可以用于电池组的热管理，尤其是在高功率密度的储能系统中。其高导热性和结构稳定性能够有效减少电池之间的温度差异，从而延长电池的使用寿命。同时，BPCG的热响应柔性也使其能够适应不同形状和尺寸的电池，确保与电池表面的紧密接触，提高热传递效率。这种材料的开发不仅有助于提升电池的安全性和可靠性，还可能在未来的新能源系统中发挥重要作用。

综上所述，这项研究通过创新的材料设计和合成策略，成功开发出一种高性能的复合相变凝胶（BPCG），为锂离子电池的热管理提供了新的解决方案。BPCG不仅在正常运行条件下表现出良好的热管理能力，还能在极端情况下提供可靠的保护。其高导热性、结构稳定性和热响应柔性使其在实际应用中具有显著的优势，同时具备良好的制造可行性和经济性。这种材料的开发为未来电池热管理技术的进步提供了重要的参考价值。