水合盐基无机复合相变材料及其在电池热管理中的应用研究进展

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.24117

发电技术 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (1): 42-57.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.24117

水合盐基无机复合相变材料及其在电池热管理中的应用研究进展

王森¹^,², 马力群¹^,², 侯文杰³, 安周建³, 张东³, Pea Hamir Johan Mombeki³^,⁴

^1.兰州兰石换热设备有限责任公司，甘肃省兰州市 730314
^2.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司，甘肃省兰州市 730314
^3.兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃省兰州市 730050
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收稿日期:2024-07-24 修回日期:2024-09-26 出版日期:2025-02-28 发布日期:2025-02-27
作者简介:王森(1983)，男，硕士，高级工程师，研究方向为储热及传热技术，Sen_Wang_LS@163.com；
安周建(1990)，男，博士，副教授，研究方向为相变储能及热管理技术，anzhoujian@lut.edu.cn；
张东(1985)，男，博士，教授，研究方向为储能及强化传热技术，本文通信作者，zhangdong@lut.edu.cn；
Hamir Johan Mombeki Pea (1991)，男，博士研究生，研究方向为相变储能及热管理技术，hamirmbk@163.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(52206087);甘肃省科技计划项目联合科研基金重点项目(23JRRA1563)

Research Progress on Hydrated Salt-Based Inorganic Composite Phase Change Materials and Their Applications in Battery Thermal Management

Sen WANG¹^,², Liqun MA¹^,², Wenjie HOU³, Zhoujian AN³, Dong ZHANG³, Hamir Johan Mombeki Pea³^,⁴

^1.Lanzhou LS Heat Exchange Equipment Co. , Ltd. , Lanzhou 730314, Gansu Province, China
^2.Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Research Institute Co. , Ltd. , Lanzhou 730314, Gansu Province, China
^3.College of Energy and Power Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, Gansu Province, China
^4.Laboratoire de Mécanique, Energétique et Ingénierie, Université Marien NGouabi, Brazzaville 69, Congo

Received:2024-07-24 Revised:2024-09-26 Published:2025-02-28 Online:2025-02-27
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52206087);Key Project of Joint Foundation of Science and Technology Planning in Gansu Province(23JRRA1563)

摘要/Abstract

摘要：

目的相变储热技术是近年来最受关注的能源存储与管理技术之一，对实现能源综合梯度利用和提高能源利用效率具有重要意义。水合盐基无机复合相变材料在能源存储和热管理领域表现出巨大的应用潜力。通过分析材料物性特征及其在电池热管理领域应用情况，明确其在物性改良以及应用层面面临的技术挑战，并提出相应的改进策略，为推动水合盐基无机复合相变材料的应用提供思路。方法通过分析近年来国内外有关水合盐相变材料的研究成果，讨论了添加剂改性、合理封装等方法对水合盐相变材料的过冷、相分离和液相泄漏等固有缺陷的改善效果，以及对相变温度、潜热、热导率等热物性和热循环稳定性的影响。结果改性技术明显改善了水合盐相变材料的固有缺陷，显著提高了材料的热导率和热循环稳定性。此外，水合盐基无机复合相变材料在锂离子电池热管理中表现出优异的性能，显著降低了电池最高温度和最大温差，从而提升了电池的整体性能和安全性。结论水合盐基无机复合相变材料的大规模应用仍面临材料热稳定性和成本等挑战，未来研究应进一步优化这些材料的组成和结构，开发新型封装材料和添加剂，以全面提高材料的综合性能。特别是在锂离子电池热管理方面，应加强材料热物性特征与电池电化学性能的耦合研究，为设计高效、安全的电池热管理系统提供充足的理论和实验依据。

关键词: 相变储热, 水合盐, 复合相变材料, 锂离子电池, 电池热管理, 热失控防护, 添加剂, 封装材料

Abstract:

Objectives Phase change heat storage technology is one of the most concerned energy storage and management techniques in recent years, which is of great significance to realize the comprehensive gradient utilization of energy and improve the efficiency of energy utilization. Hydrated salt-based inorganic composite phase change material (PCM) exhibits significant potential for energy storage and thermal management. This review analyzes the physical properties of materials and the application in battery thermal management, to clarify the technical challenges faced in improving properties and applications. The corresponding improvement strategies are proposed to promote the application of hydrated salt-based inorganic composite PCM. Methods By analyzing the research results of hydrated salt PCM at home and abroad in recent years, the improvement effects of additives modification and reasonable encapsulation on the inherent defects such as supercooling, phase separation and liquid phase leakage of hydrated salt PCM, as well as the effects on phase change temperature, latent heat, thermal conductivity and thermal cycle stability are discussed. Results The modification technology significantly improves the inherent defects of the hydrated salt PCM, and significantly improves the thermal conductivity and thermal cycle stability of the material. Furthermore, hydrated salt-based inorganic composite PCM demonstrates excellent performance in lithium-ion battery thermal management, significantly lowering the maximum temperature and temperature differential, thereby improving overall battery performance and safety. Conclusions The large-scale application of hydrated salt-based inorganic composite PCM still faces challenges related to thermal stability and cost. Future research should further optimize the composition and structure of these materials, develop new encapsulation materials and additives, and comprehensively improve the overall performance of the materials. Particularly in the area of thermal management for lithium-ion batteries, it is crucial to strengthen the coupling research between the thermal physical characteristics of the materials and the electrochemical performance of the batteries, and provide sufficient theoretical and experimental basis for designing efficient and safe battery thermal management systems.

Key words: phase change heat storage, hydrated salt, composite phase change materials, lithium-ion battery, battery thermal management, thermal runaway protection, additives, encapsulation materials

中图分类号:

TK 02

王森, 马力群, 侯文杰, 安周建, 张东, Pea Hamir Johan Mombeki. 水合盐基无机复合相变材料及其在电池热管理中的应用研究进展[J]. 发电技术, 2025, 46(1): 42-57.

Sen WANG, Liqun MA, Wenjie HOU, Zhoujian AN, Dong ZHANG, Hamir Johan Mombeki Pea. Research Progress on Hydrated Salt-Based Inorganic Composite Phase Change Materials and Their Applications in Battery Thermal Management[J]. Power Generation Technology, 2025, 46(1): 42-57.

图/表 14

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水合盐	相变温度/℃	相变潜热/(kJ⋅kg^-1)	密度/(kg⋅m^-3)
CaCl₂⋅6H₂O	29.0	191.0	1 562
Na₂SO₄⋅10H₂O	32.4	254.0	1 485
Na₂HPO₄⋅12H₂O	34.5	264.0	1 422
Na₂S₂O₃⋅5H₂O	48.5	197.5	1 600
CH₃COONa⋅3H₂O	58.0	246.0	1 450
Ba(OH)₂⋅8H₂O	78.0	265.7	1 937
Mg(NO₃)₂⋅6H₂O	89.0	162.8	1 550
KAl(SO₄)₂⋅12H₂O	91.0	184.0	1 757
MgCl₂⋅6H₂O	117.0	168.6	1 450

水合盐	相变温度/℃	相变潜热/(kJ⋅kg^-1)	密度/(kg⋅m^-3)
CaCl₂⋅6H₂O	29.0	191.0	1 562
Na₂SO₄⋅10H₂O	32.4	254.0	1 485
Na₂HPO₄⋅12H₂O	34.5	264.0	1 422
Na₂S₂O₃⋅5H₂O	48.5	197.5	1 600
CH₃COONa⋅3H₂O	58.0	246.0	1 450
Ba(OH)₂⋅8H₂O	78.0	265.7	1 937
Mg(NO₃)₂⋅6H₂O	89.0	162.8	1 550
KAl(SO₄)₂⋅12H₂O	91.0	184.0	1 757
MgCl₂⋅6H₂O	117.0	168.6	1 450

参数	特点
热性能	合适的相变温度，高比热容、高潜热、高热导率
化学性能	高化学稳定性，无毒，无腐蚀性，非爆炸性，不可燃性
物理性能	高密度、低蒸气压，体积变化小，熔化一致
动力学特性	过冷度低，成核速率快，结晶速率快
经济性	成本低廉，原料易得，具有工业化基础

参数	特点
热性能	合适的相变温度，高比热容、高潜热、高热导率
化学性能	高化学稳定性，无毒，无腐蚀性，非爆炸性，不可燃性
物理性能	高密度、低蒸气压，体积变化小，熔化一致
动力学特性	过冷度低，成核速率快，结晶速率快
经济性	成本低廉，原料易得，具有工业化基础

成核剂类型	水合盐相变材料	成核剂	过冷度/℃		成核剂质量分数/%	来源
成核剂类型	水合盐相变材料	成核剂	未添加成核剂	添加成核剂后	成核剂质量分数/%	来源
无机水合盐类成核剂	改性CaCl₂⋅6H₂O	SrCl₂⋅6H₂O	—	0.95	2	文献[23]
	75% Na₂SO₄⋅10H₂O-5% KCl-20% NH₄Cl	Na₂B₄O₇⋅10H₂O	10.8	0.7	3	文献[24]
	CH₃COONa⋅3H₂O	Na₄P₂O₇⋅10H₂O	约40	4	1.5	文献[25]
	CH₃COONa⋅3H₂O	Na₂HPO₄⋅12H₂O (CMC)	不结晶	4	5 (3)	文献[37]
	100% CH₃COONa⋅3H₂O-10% CH₃CONH₂	Na₂HPO₄⋅12H₂O	>30	0.34	4	文献[26]
	CH₃COONa⋅3H₂O	Na₂HPO₄⋅12H₂O	23	2	2	文献[27]
	CaCl₂⋅6H₂O	SrCl₂⋅6H₂O (Ba(OH)₂)	不结晶	1.07	1.5 (1.5)	文献[28]
	Na₂S₂O₃⋅5H₂O	Na₄P₂O₇⋅10H₂O	不结晶	4.3	0.08	文献[30]
	Ba(OH)₂⋅8H₂O	Ba(OH)₂⋅H₂O	约6	约1	4	文献[38]
	Na₂SO₄⋅10H₂O	Na₂P₄O₇⋅10H₂O	—	1.5	5	文献[39]
纳米成核剂	Na₂HPO₄⋅12H₂O	纳米石墨粉	13	4.9	4	文献[34]
	CaCl₂⋅6H₂O	γ-Al₂O₃	—	0.23	1	文献[35]
	Na₂SO₄⋅10H₂O-Na₂HPO₄⋅12H₂O	α-Al₂O₃(Na₂B₄O₇⋅10H₂O)	7.8	1.6	4.5 (1)	文献[36]
	CH₃COONa⋅3H₂O	生物纳米甲壳素颗粒	不结晶	0.89	1	文献[40]
	100% CH₃COONa⋅3H₂O-10% CH₃CONH₂	颗粒尺寸为3 μm的Na₂HPO₄⋅12H₂O(颗粒尺寸为30 nm的混合AlN)	不结晶	0.27	4(5)	文献[41]

水合盐基无机复合相变材料及其在电池热管理中的应用研究进展

Research Progress on Hydrated Salt-Based Inorganic Composite Phase Change Materials and Their Applications in Battery Thermal Management

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摘要/Abstract

引用本文

图/表 14

参考文献 95

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编辑推荐

Metrics

类型	水合盐相变材料	导热增强剂	导热增强剂质量分数/%	热导率提升幅度/%	来源
高导热纳米颗粒	Na₂S₂O₃⋅5H₂O	石墨纳米片	7	155.33	文献[43]
	Na₂S₂O₃⋅5H₂O	碳纳米管	7	249.61	文献[43]
	Na₂HPO₄⋅12H₂O	纳米氧化铁(α-Fe₂O₃)	0.2	90.8	文献[47]
	KAl(SO₄)₂⋅12H₂O-Na₂SO₄⋅10H₂O	纳米碳颗粒	1	66.7	文献[48]
高导热多孔介质	K₂HPO₄⋅3H₂O-NaH₂PO₄⋅2H₂O-Na₂S₂O₃⋅5H₂O-H₂O	改性膨胀石墨	19.29	1 230	文献[53]
	CH₃COONa⋅3H₂O	泡沫铜	22.8	176	文献[50]
	Na₂HPO₄⋅12H₂O	膨胀石墨	6	340	文献[54]
	CH₃COONa⋅3H₂O	膨胀石墨	7	92.47	文献[13]
	Na₂S₂O₃⋅5H₂O-CH₃COONa⋅3H₂O	膨胀石墨	8	290.4	文献[55]
	CH₃COONa⋅3H₂O	膨胀石墨	3	114.6	文献[56]
	CH₃COONa⋅3H₂O	50目膨胀石墨	5	187.9	文献[57]
		80目膨胀石墨		172.4
		100目膨胀石墨		156.9
	改性CaCl₂⋅6H₂O	50目膨胀石墨	15	623.1	文献[58]
		80目膨胀石墨		518.1
		100目膨胀石墨		476.2

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