鋰離子電池由于其高能量和高功率密度而成為電動(dòng)車(chē)輛和混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛的主要?jiǎng)恿?lái)源，同時(shí)高功率也帶來(lái)了較多的熱量。但鋰電池對(duì)溫度非常敏感，過(guò)高或者過(guò)低的工作溫度，都會(huì)對(duì)電池的性能和壽命帶來(lái)影響。需要有效和緊湊的熱管理系統(tǒng)（TMS）來(lái)管理其極端溫升。主動(dòng)TMS和被動(dòng)TMS是兩種流行的熱管理技術(shù)。

主動(dòng)熱管理，需要能量驅(qū)動(dòng)的熱管理系統(tǒng)，包括：強(qiáng)迫風(fēng)冷，水冷，熱管冷卻等，是比較常見(jiàn)的冷卻方式。而被動(dòng)熱管理，則以不消耗能源為標(biāo)志，包括自然冷卻，相變材料冷卻等。

主動(dòng)熱管理

Tran等人設(shè)計(jì)了用于鋰離子電池?zé)峁芾淼臒峁苣K。他們發(fā)現(xiàn)熱管加上了不同的通風(fēng)方式被證明是HEV電池的有效熱管理解決方案。格雷科等人。開(kāi)發(fā)了一種將熱管模型與熱電路結(jié)合起來(lái)的一維瞬態(tài)模型。他們證明，通過(guò)使用一維瞬態(tài)模型，鋰離子電池的溫度從52℃下降到28℃。Mohammadian等人將鋁泡沫嵌入散熱片中以冷卻鋰離子電池。他們發(fā)現(xiàn)，與不使用泡沫鋁的情況相比，在散熱器內(nèi)部使用泡沫鋁后，鋰離子電池的表面溫度顯著降低。趙等人使用液體冷卻缸來(lái)冷卻鋰離子電池。他們利用液壓缸將42個(gè)圓柱形電池的表面溫度保持在40℃以下。由于增加了熱泵，散熱器，風(fēng)扇組件等，上述所有主動(dòng)冷卻方法都很昂貴。

被動(dòng)熱管理

被動(dòng)熱管理（例如相變材料）近年來(lái)越來(lái)越受到人們的重視，因?yàn)樗咝Вo湊和輕便。相變材料（PCM）以潛熱的形式存儲(chǔ)熱量，潛熱較大的介質(zhì)主要有水，石蠟以及其他一些無(wú)機(jī)鹽等。在潛熱儲(chǔ)存期間，PCM在幾乎恒定的溫度下從固態(tài)到液態(tài)或液態(tài)到氣態(tài)發(fā)生相變。PCM應(yīng)用于TMS系統(tǒng)，一般有下列要求：

1）有合適的相變溫度，較大的相變潛熱，合適的導(dǎo)熱性能(一般宜大)；

2）在相變過(guò)程中不應(yīng)發(fā)生熔析現(xiàn)象，以免導(dǎo)致相變介質(zhì)化學(xué)成分的變化；

3）相變的可逆性要好，過(guò)冷度應(yīng)盡量小，性能穩(wěn)定；

4）無(wú)毒、無(wú)腐蝕、無(wú)污染；

5）使用安全，不易燃、易爆或氧化變質(zhì)；

6）較快的結(jié)晶速度和晶體生長(zhǎng)速度。

7）物理性能要求：低蒸氣壓；體積膨脹率要小；密度較大；

8）經(jīng)濟(jì)性能要求：原料易購(gòu)，價(jià)格便宜。

本文主要介紹一個(gè)來(lái)自香港科技大學(xué)AbidHussain等人2018年發(fā)表在“InternationalJournalofThermalSciences”雜志的論文“Thermalmanagementoflithiumionbatteriesusinggraphenecoatednickelfoamsaturatedwithphasechangematerials”，文獻(xiàn)主要介紹了石墨烯涂覆泡沫鎳復(fù)合石蠟材質(zhì)的PCM材料在動(dòng)力的鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)越特性。與在1.7A放電電流下，對(duì)比泡沫鎳，固體石蠟，GcN，泡沫鎳+石蠟，和GcN+石蠟的熱管理效果，發(fā)現(xiàn)使用泡沫鎳相比，使用飽和的石墨烯涂覆的泡沫鎳比單純使用泡沫鎳，電池表面溫升減少17％。

1領(lǐng)域概述

普通的PCM具有非常低的導(dǎo)熱系數(shù)（0.1-0.3W/（m·K））。蓄熱率受PCM的低熱導(dǎo)率影響。文獻(xiàn)中已經(jīng)提到許多技術(shù)，用來(lái)改善PCM的熱導(dǎo)率。Goli等人使用石墨烯復(fù)合材料來(lái)改善純PCM的熱導(dǎo)率。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯/石蠟復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到45W/（mK），而純石墨的導(dǎo)熱系數(shù)為0.2W/（mK）。他們還觀察到，在5A放電電流下，使用石墨烯/石蠟復(fù)合材料的鋰離子電池的溫升16℃，而沒(méi)有石墨烯/石蠟復(fù)合材料的溫升為37℃。Kizilel等人使用石墨基體來(lái)提高導(dǎo)熱率。他們觀察到，石蠟石墨的導(dǎo)熱系數(shù)約為17W/（mK），混合PCM有助于鋰離子電池在正常和高壓條件下的溫度均勻。Aadmi等人通過(guò)向金屬管體中加入固體石蠟，將環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱率提高了3-4倍。他們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增加復(fù)合材料中的蠟含量可以獲得更高的儲(chǔ)能能力和更低的溫升。

金屬泡沫也被證明是增強(qiáng)PCM熱導(dǎo)率的可行選擇。高孔隙率，良好的熱物理性能和機(jī)械強(qiáng)度是金屬泡沫的顯著特征。Li等人利用泡沫銅石蠟復(fù)合材料，研究10Ah鋰離子電池組熱管理系統(tǒng)的性能。他們將結(jié)果與兩種模式進(jìn)行了比較：自然空氣對(duì)流和純石蠟。在放電率1C下，使用泡沫銅復(fù)合材料作為熱管理材料，對(duì)比空氣對(duì)流模式和純石蠟?zāi)Ｊ剑姵乇砻鏈囟确謩e低29％和12％。Hussain等人使用泡沫鎳復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)研究3.4Ah鋰離子電池組的電池表面溫度。他們發(fā)現(xiàn)，在2C放電率下，電池表面溫度分別比自然空氣和純石蠟?zāi)Ｊ椒謩e下降了31％和24％。Samimi等人使用碳纖維石蠟復(fù)合材料后，電池表面溫度下降了15℃。復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比純石蠟，導(dǎo)熱系數(shù)增加了81-273％。Sabbah等人利用石墨來(lái)提高石蠟的熱傳導(dǎo)性。他們把電加熱器當(dāng)成電池，發(fā)現(xiàn)，由于采用了采用石墨-PCM復(fù)合材料，加熱器表面溫度降低了5％。Khateeb等人使用泡沫鋁來(lái)提高石蠟的熱導(dǎo)率。他們發(fā)現(xiàn)13.2Ah電池的表面溫度比使用普通蠟低5％。

在以前的研究中，鋰離子電池的熱管理主要是采用石墨烯-石墨復(fù)合材料或泡沫金屬（銅，鎳或鋁）/石墨復(fù)合材料進(jìn)行的。石墨烯的熱導(dǎo)率非常高（?2000-3000W/（mK））。石蠟的熱導(dǎo)率已經(jīng)通過(guò)浸入泡沫鎳和石墨烯涂層的泡沫鎳提高。

但問(wèn)題在于，泡沫鎳只能提高6倍的熱導(dǎo)率，并且在高溫下，石墨-聚苯乙烯復(fù)合材料的熱機(jī)械性能（如拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度）變?nèi)酢Ｔ诖耍瑘?bào)道了使用石墨烯涂覆的泡沫鎳作為鋰離子電池的熱管理系統(tǒng)。

2石墨烯涂覆的泡沫鎳作為鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)材料概述

為了解決上述問(wèn)題，在這項(xiàng)研究中，鋰離子電池的熱管理采用新的熱管理材料（石墨烯，金屬（鎳）泡沫和石蠟的組合）。使用鎳的優(yōu)點(diǎn)很多：耐腐蝕性，高比強(qiáng)度和韌性。鎳的力學(xué)性能可以通過(guò)用纖維/顆粒增強(qiáng)鎳來(lái)提高。碳原子可以很容易地溶解在鎳中，因?yàn)樗鼈冊(cè)阪囍械娜芙舛群芨撸⑶益嚤砻嬉部梢院苋菀椎仡A(yù)先形成圖案，因此可以精確地制備出優(yōu)選幾何形狀的石墨烯圖案。泡沫鎳適用于石墨烯合成。石墨烯與一系列多孔材料顯示了出色的相容性。石墨烯基復(fù)合材料具有優(yōu)于復(fù)合材料本身的機(jī)械性能，并具有較低的熱膨脹系數(shù)。趙等人報(bào)道了在復(fù)合材料中，石墨烯復(fù)合材料（聚乙烯醇和石墨烯納米片）的楊氏模量和機(jī)械性能分別提高了約10倍和150％。在泡沫鎳上生長(zhǎng)石墨烯會(huì)使GcN泡沫更硬（隨著0.05g/L石墨烯的添加，Ni泡沫硬度為原來(lái)的1.2倍）。GcN泡沫的循環(huán)性能優(yōu)異（在3mA/cm下10000次循環(huán)后容量保持率為98％）。

在這項(xiàng)研究中，鋰離子電池的熱管理是通過(guò)使用一種新型材料——飽和的石墨烯涂覆泡沫鎳（GcN）完成的。涂覆在泡沫鎳上的石墨烯的生長(zhǎng)使用化學(xué)氣相沉積獲得。加入GcN泡沫的固體石蠟熱導(dǎo)率，比純石蠟提高了23倍。固體石蠟被用作相變材料（PCM），與純石蠟相比，加入了GcN泡沫的石蠟，其熔化溫度升高，凝固溫度降低。與純石蠟相比，加入了GcN泡沫的石蠟的潛熱和比熱分別下降30％和34％。分別比較了5種材料在鋰電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用效果：泡沫鎳，固體石蠟，GcN，泡沫鎳+石蠟，和GcN+石蠟。與在1.7A放電電流下使用泡沫鎳相比，使用PCM飽和的石墨烯涂覆的泡沫鎳使電池表面溫升減少17％。

3結(jié)論

使用化學(xué)制劑制備氣相沉積技術(shù)制備石墨烯涂覆的泡沫鎳。泡沫鎳石墨烯層的厚度為1-2納米。將石蠟作為相變材料浸入石墨烯涂覆的泡沫鎳中。石蠟浸漬的石墨烯涂覆泡沫鎳的熱特性及其在鋰離子電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用情形，主要結(jié)果概述如下。

1）使用激光脈沖法測(cè)量飽和石墨烯涂覆泡沫鎳石蠟復(fù)合材料和泡沫鎳石蠟復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。石蠟深入支撐材料中。結(jié)果表明，涂覆石墨烯的泡沫鎳將純石蠟的導(dǎo)熱性提高了23倍，而泡沫鎳將純石蠟的導(dǎo)熱性提高了6倍。

2）觀察飽和石墨烯涂覆泡沫鎳石蠟復(fù)合材料和泡沫鎳石蠟復(fù)合材料熔融溫度和凍結(jié)溫度的變化，并與純石蠟進(jìn)行比較。復(fù)合材料（用泡沫石蠟飽和的泡沫鎳/石墨烯涂覆的泡沫鎳）的熔化溫度和冷凍溫度分別增加和降低；這是由于泡沫鎳與石蠟相互作用的結(jié)果。

3）與純石蠟的潛熱相比，飽和石墨烯涂覆泡沫鎳石蠟復(fù)合材料的潛熱降低了30％。這是由于飽和石墨烯涂覆泡沫鎳石蠟復(fù)合材料中石蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小決定的。石蠟質(zhì)量的減少是由于金屬泡沫的小腔體的存在。泡沫鎳石蠟復(fù)合材料的固有熱容量分別比固體和液體狀態(tài)的純石蠟材料小16％和12％，而飽和石墨烯涂覆泡沫鎳石蠟復(fù)合材料的比熱容為分別比固體和液體狀態(tài)下的純石蠟小35％和34％。該原因是與純PCM相比金屬骨架（泡沫鎳和石墨烯涂覆泡沫鎳）的熱容小。

4）最后，這項(xiàng)研究包括開(kāi)發(fā)材料的應(yīng)用（即鋰離子電池的熱管理）。還研究并比較了四種額外的熱管理材料，即泡沫鎳，涂有石墨烯的泡沫鎳，固體石蠟和泡沫鎳石蠟。1.7A放電電流下，使用飽和石墨烯涂覆的泡沫鎳比單純使用泡沫鎳，電池表面溫升減少17％。