相变材料与膨胀石墨协同增强锂离子电池热管理的实验研究

本研究针对锂离子电池充放电过程中的热安全问题，通过实验评估四种商用相变材料(PCM)与不同比例膨胀石墨(EG)复合形成的稳定复合相变材料(CPCM)的冷却性能。结果表明，添加12% EG的RT 35 HC PCM可使电池最高温度较自然冷却降低55%，并在四电池模组中验证了其有效性，为电动汽车电池热管理系统(BTMS)的节能优化提供了新思路。

　　

随着电动汽车的快速发展，锂离子电池(LiBs)因其高能量密度和快速充电能力成为主流选择，但充放电过程中产生的热量可能导致热失控等安全隐患。传统主动冷却系统能耗高且结构复杂，而相变材料(PCM)凭借其相变潜热特性成为被动热管理的理想选择。然而，PCM存在导热系数低、易泄漏等问题，亟需通过材料改性提升性能。

埃及日本科技大学的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，系统评估了四种商用PCM（PARA-Block、RT-54 HC、RT-44 HC和RT-35 HC）与不同比例膨胀石墨(EG)复合形成的稳定复合相变材料(CPCM)对锂离子电池的热管理效果。通过循环测试发现，12% EG添加量的RT 35 HC CPCM可将电池最高温度从自然冷却的76.4°C降至51.9°C，降幅达55%。研究进一步在四电池并联模组中验证了该材料的适用性，为开发零能耗的被动式电池热管理系统(BTMS)提供了实验依据。

关键技术方法包括：采用马弗炉在900-1000°C下制备膨胀石墨(EG)；通过扫描电镜(SEM)表征材料微观结构；搭建电池循环测试平台，对比分析不同PCM及EG复合材料的冷却性能；将最优CPCM方案扩展应用于四电池模组验证。

【Material properties】
实验选用三种石蜡基PCM（RT-54 HC、RT-44 HC、RT-35 HC）和PARA-Block，其相变温度覆盖35-54°C范围。EG经高温膨胀后形成多孔蠕虫状结构，比表面积显著增加。

【Microstructure】
SEM显示EG具有不规则蜂窝状孔隙结构（图4a），为PCM提供了吸附通道。12% EG复合的RT 35 HC CPCM呈现均匀分布（图4b），有效防止泄漏并提升导热性。

【Conclusion】
研究表明：1）纯PCM中RT-35 HC表现最佳，可将电池最高温度控制在50.9°C；2）EG添加显著提升导热性能，12% EG复合方案使温度降幅达55%；3）四电池模组测试证实CPCM的规模化应用潜力。该成果为开发无外接电源的被动式BTMS提供了重要参考，通过材料优化同时解决了电池散热与能耗矛盾，对延长电池寿命、提升电动汽车安全性具有实践意义。

讨论部分指出，未来研究可结合数值模拟进一步优化EG比例与PCM厚度，并探索PCM与其他冷却技术的混合方案。作者特别强调，该CPCM方案在维持电池工作温度20-45°C理想范围的同时，实现了温度差异<5°C的均匀性要求，且完全避免传统冷却系统的能源消耗，符合可持续发展理念。