应用于锂离子电池无源热管理与安全防护的水合盐复合相变材料

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.24059

发电技术 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 1164-1175.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.24059

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应用于锂离子电池无源热管理与安全防护的水合盐复合相变材料

张静姝, 刘倩, 姚晓乐, 徐超, 巨星

电站能量传递转化与系统教育部重点实验室(华北电力大学)，北京市昌平区 102206

收稿日期:2024-04-07 修回日期:2024-05-09 出版日期:2025-12-31 发布日期:2025-12-25
通讯作者: 巨星
作者简介:张静姝(2000)，女，硕士研究生，主要研究方向为电池热管理与安全防护，zhangjingshu0622@163.com；
刘倩(1997)，女，博士研究生，主要研究方向为电池热管理，liuqian_0802@163.com；
姚晓乐(1997)，女，博士研究生，主要研究方向为电池热管理，xiaole.yao@ncepu.edu.cn；
徐超(1980)，男，博士，教授，主要研究方向为为储热、电解水制氢，mechxu@ncepu.edu.cn；
巨星(1982)，男，博士，教授，主要研究方向为电池热管理与安全防护、电力电子高热流密度散热，本文通信作者，scottju@ncepu.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金项目(51821004)

Hydrated Salt Composite Phase Change Materials for Passive Thermal Management and Safety Protection of Lithium-Ion Batteries

Jingshu ZHANG, Qian LIU, Xiaole YAO, Chao XU, Xing JU

Key Laboratory of Power Station Energy Transfer Conversion and System of Ministry of Education (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China

Received:2024-04-07 Revised:2024-05-09 Published:2025-12-31 Online:2025-12-25
Contact: Xing JU
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(51821004)

摘要/Abstract

摘要：

目的在高功率与高能量密度电池的发展需求下，热安全成为制约锂离子电池(lithium-ion batteries，LIB)大规模应用的关键，高效热安全防护技术成为发展的必然。为此，制备了一种高潜热、高热导率、具有双段控温功能的水合盐复合相变材料(composite phase change material，CPCM)，用于LIB热管理和热安全防护。方法通过扫描电子显微镜测试、差示扫描量热分析和热常数分析的表征测试，确定CPCM热物性及储热过程，进而结合热性能测试，研究其控温效果并筛选出最佳配比的CPCM。结果掺入膨胀石墨质量分数为10%的CPCM具有183.7 J/g的潜热和3.926 W/(m⋅K)的热导率，其相变潜热可在LIB高倍率放电条件下吸收热量并快速传至外界，相变平台持续20~40 min；其热化学储热可在LIB热失控状态下将电池表面达到130 ℃的时间由50 s延长至180 s，延缓热失控特征温度的触发与蔓延。结论该CPCM可同时在20~40 ℃的热管理区间及100 ℃以上的热失控区间吸热，起到高效的双段控温作用。研究结果可为电池热管理系统发展提供新思路。

关键词: 储能, 复合相变材料(CPCM), 水合盐, 锂离子电池(LIB), 热管理, 热失控

Abstract:

Objectives With the development of high power and high energy density batteries, thermal safety has become the key to limit the large-scale application of lithium-ion batteries (LIB), and efficient thermal safety protection technology has become an inevitable development.　Therefore, a hydrated salt composite phase change material (CPCM) with high latent heat, high thermal conductivity and two-stage temperature control function is prepared for LIB thermal management and thermal safety protection. Methods The thermal physical properties and heat storage process of CPCM are determined by scanning electron microscope test, differential scanning calorimetry analysis and thermal constant analysis. Then, the temperature control effect is studied by combining the thermal performance test, and the best ratio of CPCM is selected. Results The CPCM with an expanded graphite incorporation mass fraction of 10% has a latent heat of 183.7 J/g and a thermal conductivity of 3.926 W/(m⋅K). The latent heat of phase change can absorb heat and quickly transfer to the outside under the condition of high rate discharge of LIB, and the phase change platform lasts for 20-40 min. The CPCM thermochemical heat storage can extend the time for the cell surface to reach 130 ℃ from 50 s to 180 s under the thermal runaway state of LIB, delaying the triggering and spreading of thermal runaway characteristic temperature. Conclusions The CPCM can simultaneously absorb heat in the thermal management range of 20-40 ℃ and the thermal runaway range above 100 ℃, and play an efficient two-stage temperature control role. The research results can provide new ideas for the development of battery thermal management system.

Key words: energy storage, composite phase change material (CPCM), hydrated salt, lithium-ion batteries (LIB), thermal management, thermal runaway

中图分类号:

TK 02

张静姝, 刘倩, 姚晓乐, 徐超, 巨星. 应用于锂离子电池无源热管理与安全防护的水合盐复合相变材料[J]. 发电技术, 2025, 46(6): 1164-1175.

Jingshu ZHANG, Qian LIU, Xiaole YAO, Chao XU, Xing JU. Hydrated Salt Composite Phase Change Materials for Passive Thermal Management and Safety Protection of Lithium-Ion Batteries[J]. Power Generation Technology, 2025, 46(6): 1164-1175.

图/表 12

表1 实验药品清单

Tab. 1 List of experimental chemicals

药品名称	简称	相变温度/℃	相变潜热/(kJ/kg)	外观	作用
十水硫酸钠	SSD	32.4	250.8^[36-37]	白色晶体	相变材料
十二水磷酸氢二钠	DHPD	35.0	256.6^[38]	白色结晶粉末	相变材料
羧甲基纤维素钠	CMC	—	—	白色纤维状粉末	增稠剂
膨胀石墨	EG	—	—	蠕虫状	多孔介质

图1 CPCM的制备过程

Fig. 1 Preparation process of CPCM

图2 实验装置图

Fig. 2 Diagram of experimental setup

表2 直流电源输出功率、电压、电流

Tab. 2 Output power, voltage, and current of DC power supply

输出功率/W	电压/V	电流/A
3	23.5	0.15
100	131	0.8

图3 EG、CPCM-5%EG、CPCM-10%EG及CPCM-15%EG的SEM测试结果

Fig. 3 SEM test results of EG, CPCM-5%EG, CPCM-10%EG and CPCM-15%EG

图4 不同EG含量的CPCM的DSC测试结果

Fig. 4 DSC test results of CPCM with different EG contents

表3 不同EG含量的CPCM的熔化温度和相变焓

Tab. 3 Melting temperature and phase transformation enthalpy of CPCM with different EG contents

参数	CPCM-5%EG	CPCM-10%EG	CPCM-15%EG
熔点/℃	27.66	29.05	32.62
相变焓/(J/g)	184.5	183.7	172.2

图5 不同EG含量的CPCM的热导率测试结果

Fig. 5 Thermal conductivity test results of CPCM with different EG contents

图6 3 W发热功率下不同材料熔化过程的温度变化

Fig. 6 Temperature changes in the melting process of different materials under 3 W heating power

图7 3 W发热功率下不同材料的内外侧温度变化

Fig. 7 The inner and outer temperature changes of different materials under 3 W heating power

图8 100 W发热功率下不同材料的内外侧温度变化

Fig. 8 The inner and outer temperature changes of different materials under 100 W heating power

表4 不同材料的相变平台与脱水平台持续时间 (s)

Tab. 4 Duration of phase change platform and dehydration platform for different materials

类型	石蜡	CPCM-5%EG	CPCM-10%EG	CPCM-15%EG
相变平台	160	150	125	100
脱水平台	—	350	260	250

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应用于锂离子电池无源热管理与安全防护的水合盐复合相变材料

Hydrated Salt Composite Phase Change Materials for Passive Thermal Management and Safety Protection of Lithium-Ion Batteries

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