高导热阻燃复合相变材料的创新设计及其在电池热管理中的多功能应用

针对锂离子电池热管理中有机相变材料(PCMs)导热性差、易泄漏和易燃等问题，研究人员开发了一种以石蜡(PA)为基体、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)为柔性骨架、膨胀石墨(EG)和碳化硅(SiC)提升导热性、聚磷酸铵(APP)与硼酸锌(ZnB)协同阻燃的多功能复合相变材料(CPCM)。该材料导热系数最高提升17.87倍，阻燃效率优化9%，结合液冷板可使电池表面温度降低15°C，为电动汽车储能系统提供了安全高效的解决方案。

　　

随着电动汽车和电网储能的快速发展，锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命成为核心储能装置。然而，这些电池对温度极其敏感——高温会加速电池退化甚至引发热失控，而低温则会增加内阻、降低容量。研究表明，电池的安全工作温度需严格控制在-10°C至60°C之间，最佳工况为20-40°C。传统有机相变材料(PCMs)如石蜡(PA)虽具有高潜热和成本优势，但其导热系数低(<0.2 W/(m·K))、易泄漏、易燃等缺陷严重制约了其在电池热管理(BTMS)中的应用。

针对这一技术瓶颈，研究人员创新性地设计了一种多功能复合相变材料(CPCM)。该材料以PA为相变基体，通过引入膨胀石墨(EG)和碳化硅(SiC)构建三维导热网络，采用苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)三嵌段共聚物形成柔性骨架防止泄漏，并创新性地组合聚磷酸铵(APP)、硼酸锌(ZnB)和纳米二氧化硅(nano-SiO₂)实现协同阻燃。研究发现，当EG添加量达15%时，CPCM导热系数提升17.87倍；APP与ZnB以4:1配比时阻燃效果最佳；仅添加2% nano-SiO₂即可减少9%阻燃剂用量。在电池模组测试中，该CPCM使电池表面温度降低7°C，与液冷板联用更可降温15°C。

关键技术方法
研究采用熔融共混法制备CPCM，通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析化学结构，差示扫描量热仪(DSC)测定相变特性，热常数分析仪测量导热系数，锥形量热仪评估阻燃性能，并搭建电池模组测试平台验证实际应用效果。

化学性质与微观结构分析
FT-IR光谱证实各组分间无化学相互作用，EG的层状结构通过扫描电镜(SEM)观察到形成连续导热通路。DSC显示PA的熔点为35°C，潜热保持率达95%以上，证明复合过程未破坏其相变特性。

热物理性能研究
EG的添加显著提升导热性能：5%、10%、15% EG分别使CPCM导热系数提高4.99、11.87和17.87倍。而SiC因粒径微小(0.5-0.7μm)仅贡献0.413 W/(m·K)的增量，但其与EG协同可降低复合材料粘度。SEBS含量与柔性呈正相关，20% SEBS时材料可弯曲180°不破裂。

阻燃性能优化
锥形量热测试表明，APP/ZnB(4:1)组合使CPCM极限氧指数(LOI)达32%，UL-94达到V-0级。nano-SiO₂的加入促进致密炭层形成，热释放速率峰值降低41%。

电池热管理应用
在3C放电倍率下，纯PA组电池温度达52°C，而15% EG-CPCM组仅45°C。结合液冷系统后，温度进一步稳定在37°C，温差控制在3°C以内。

这项发表于《Journal of Energy Storage》的研究，首次实现了导热增强、形状稳定、柔性可塑与高效阻燃的多功能一体化设计。其创新点在于：通过EG/SiC双填料体系平衡导热性与加工性能；利用APP/ZnB/nano-SiO₂三重阻燃机制突破传统PCM的易燃缺陷；SEBS骨架设计解决了相变泄漏难题。该成果为高安全电池热管理系统提供了新材料范式，对推动电动汽车在极端气候下的可靠运行具有重要工程价值。未来研究可进一步探索CPCM在-30°C低温环境下的循环稳定性及其在全尺寸电池包中的集成工艺。