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南理工車劍飛/川大吳凱團隊 Small：一種兼具良好熱傳導和安全可靠性的新型復合相變材料用于電池安全管理

2023-12-11 來源：高分子科技

相變材料（PCM）憑借在相變過程中潛熱的吸收和釋放可以為電池系統提供熱緩沖平臺來應對熱失效問題。然而，PCM的應用一直受到熱傳導性能的局限，通過向相變材料中添加導熱填料的方式依然存在傳熱和安全可靠性不足的問題。南京理工大學車劍飛教授/四川大學吳凱副研究員團隊合作將傳統相變材料與高導熱纖維編織物結合，開發了一種兼具良好熱傳導和安全可靠性的新型復合相變材料用于電池安全管理。相關工作以“Dressing paraffin wax/boron nitride phase change composite with a polyethylene “underwear” for the reliable battery safety management”為題發表在《Small》上。

圖1. 超高分子量聚乙烯纖維織物增強PCM的材料設計與制備

超高分子量聚乙烯纖維在織物中的螺旋連續傳熱路徑與PCM中的氮化硼連續網絡存在協同作用，使其面外和面內導熱系數分別提高到了10.05和7.92 W/m K。將復合改性后的PCM與電池系統相結合后，可為電池提供可靠的熱管理，有效防止電池中的熱量積聚，在循環充放電過程中，使電極溫度比常規電池低10℃以上。

圖二. 相變材料的熱傳導性能

另一方面，高強度的纖維使PCM能夠承受47.13 N的高穿刺力和18.45 MPa的拉伸強度，將有效防止外界沖擊力對電池造成機械損傷。織物的存在使PCM具備良好的抗刺穿、抗拉伸能力和相變焓穩定性，這保證了鋰電池在使用過程中的安全性。并且，即使是在相變溫度以上時，改性后的PCM依然可以為電池提供持續可靠的保護和熱管理。

圖三. 相變材料的力學與相變性能

將此PCM作為外層包覆在鋰電池的表面，可以明顯降低電池在高功率（5C）運行時的工作溫度。相信，這種織物增強型PCM不僅在電池安全管理領域，在其他相關領域（如熱界面材料和電子封裝）也具有廣闊的應用前景。

圖四. 相變材料對鋰離子電池系統的熱管理和機械保護

南京理工大學化學化工學院博士研究生張永正為文章第一作者，南京理工大學化學化工學院車劍飛教授與四川大學高分子科學與工程學院吳凱副研究員為通訊作者。作者特別感謝國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金的大力支持。

全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202304886

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（責任編輯：xu）

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