一種采用氮化硼制備的10W/m·K導(dǎo)熱相變材料的制備

相變材料(PCM)可以為汽車電池系統(tǒng)提供一個緩沖平臺，以應(yīng)對熱沖擊問題，在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中受到廣泛關(guān)注。然而PCM的導(dǎo)熱系數(shù)低，無法將吸收的熱量快速釋放到冷水板或空氣中，熱量集聚會導(dǎo)致電池功能異常甚至爆炸。尤其是現(xiàn)階段，隨著電池向高能量密度方向快速發(fā)展，部分廠商要求PCM導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到10W/m·K。如何提高PCM的導(dǎo)熱率呢？

通常將PCM與絕緣的無機(jī)導(dǎo)熱劑粉體混合，例如單峰/改性/氮化硼(BN)，球形/準(zhǔn)球/角形氧化鋁，耐水解球形/普通氮化鋁，氮化硅，類球形/球形氧化鎂，及其雜化物等，可以提高PCM的導(dǎo)熱性。然而，如果只是簡單通過添加導(dǎo)熱劑粉體，來實(shí)現(xiàn)如此高導(dǎo)熱仍是一個巨大挑戰(zhàn)。此外，由無機(jī)導(dǎo)熱劑粉體填充的PCM材料，在高于相變點(diǎn)的溫度下表現(xiàn)出的形狀穩(wěn)定性和機(jī)械性能不足。一旦電池系統(tǒng)受到突然的外部沖擊，傳統(tǒng)PCM很難將電池保持在一個良好封裝環(huán)境中，從而導(dǎo)致電池的潛在穿孔，電解液泄漏，甚至是電池爆炸。因此，需要高導(dǎo)熱性和高機(jī)械強(qiáng)度的PCM，來使電池足夠應(yīng)對外部沖擊和熱失效問題。

近期，四川大學(xué)吳凱和南京理工大學(xué)車劍飛團(tuán)隊(duì)針對用于電池?zé)峁芾淼南嘧儾牧系难芯咳〉昧俗钚逻M(jìn)展。研究提供了一種兩全其美的方法，即能同時提高傳統(tǒng)PCM導(dǎo)熱系數(shù)和力學(xué)性能。將傳統(tǒng)的PCM(即石蠟/氮化硼)與螺旋編織的聚乙烯纖維織物相結(jié)合，就像傳統(tǒng)的PCM穿著功能性內(nèi)衣一樣。一方面，聚乙烯纖維在織物中的螺旋連續(xù)熱路徑與PCM中的氮化硼網(wǎng)絡(luò)協(xié)同作用，使其通過面和面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)分別提高到10.05和7.92 W/m·K。另一方面，強(qiáng)聚乙烯纖維使PCM能夠承受47.13 N的高穿刺強(qiáng)度和18.45 MPa的拉伸強(qiáng)度。盡管材料的使用溫度高于相變溫度，但仍優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道由無機(jī)導(dǎo)熱劑粉體填充制備的傳統(tǒng)PCM材料。將這種典型的PCM包裝在三元鋰離子電池中，可以保證電池可靠的安全管理，防止熱和機(jī)械濫用。在循環(huán)充放電過程中，電池電極溫度明顯下降>10℃。

這種通過將高導(dǎo)熱性和機(jī)械強(qiáng)度的纖維織物設(shè)計(jì)成基體的方法，也適用于其他導(dǎo)熱纖維的應(yīng)用，為未來合成具有高導(dǎo)熱和優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度的聚合物復(fù)合材料提供新思路。該研究成果以“Dressing Paraffin Wax/Boron Nitride Phase Change Composite with aPolyethylene “Underwear” forthe Reliable Battery Safety Management”為題發(fā)表于《Small》。

原文來源：https://doi.org/10.1002/smll.202304886