高功率和能量密度石墨烯相变复合材料，用于锂离子电池高效热管理

摘要：锂离子电池的安全隐患（主要是热失控）已成为制约其在能源领域广泛应用的根本瓶颈。相变材料系统是一种可用来抑制电池热失控的热管理策略，然而，高功率和能量密度之间的权衡问题尚未解决，极大地限制了其实际应用。本文，浙江大学高超教授、范利武研究员、Kai Pang、S

1成果简介

锂离子电池的安全隐患（主要是热失控）已成为制约其在能源领域广泛应用的根本瓶颈。相变材料系统是一种可用来抑制电池热失控的热管理策略，然而，高功率和能量密度之间的权衡问题尚未解决，极大地限制了其实际应用。本文，浙江大学高超教授、范利武研究员、Kai Pang、Shengying Cai等研究人员在《Energy Storage Materials》期刊发表名为“High power and energy density graphene phase change composite materials for efficient thermal management of Li-ion batteries”的论文，研究提出了一种利用双曲石墨烯相变材料实现高功率和高能量密度的高效热管理系统，以防止锂离子电池单元的热量快速积累。

这种复合材料由双曲石墨烯框架和石蜡组成，在石墨烯含量为 12.5 wt% 时，其热导率高达 ∼30.75 W/mK，并具有超高的潜热保持率（90%），超过了大多数已报道的相变复合材料。与商用石蜡相比，我们的石蜡-石墨烯复合材料（PGC）在高功率密度下的有效能量密度几乎提高了三倍。在 PGC系统的保护下，串联电池组在3.75C速率下的温度低于 60℃，远低于电池组的 120℃。我们的PGC系统拓展了锂离子电池的可用性和安全性，为实现极端快速充电目标提供了可靠的电池热管理策略。

2图文导读

图1.PGC热管理系统用于LIB电池。

图2.PGC 材料的制造和特性。

图3.PGC的热加热和电加热性能。

图4.PGC 的有效能量密度和功率密度。

图5.LIB 电池高速充电和放电时的热管理。

3小结

利用双曲石墨烯-石蜡复合材料开发了一种用于保护锂电池的高效相变热管理系统，打破了传统 PCM 在高有效能量和功率密度之间的权衡。这主要归功于其优越的热导率（仅 12.5 wt% 的填料负载时就高达 ∼ 30.75 W/mK）和超高的潜热保持率（∼ 90%），超越了大多数已报道的 PCM。我们证明了与可用潜热相关的有效能量密度在不同的应用厚度下保持稳定，在相同的热输入速度（功率密度）下，其能量密度几乎是纯石蜡的三倍。这些出色的特性使我们的 PGC 能够高效抑制 LIB 的热失控，从而实现了 14500 电池组在 3.75 C 速率下的可靠稳定运行，工作温度始终低于 50℃。即使在 10000 次快速充放电过程中，PGC 系统仍能使电池的安全工作温度保持在 42℃，并保持电池容量和库仑效率的稳定。我们预计，这项研究可能会为在各种热失控条件下采用更简单、更节能的电池热管理方法铺平道路，这对于更快地采用安全性更高的基于锂离子电池的储能技术来说是一个重要因素。

文献：