Литиево-ионные аккумуляторы стали основным источником энергии для электромобилей и гибридных электромобилей из-за их высокой энергии и высокой плотности мощности, в то время как высокая мощность также приносит больше тепла. Однако литиевые батареи очень чувствительны к температуре, слишком высокой или слишком низкой. Рабочая температура будет влиять на производительность и срок службы батареи. Для управления экстремальным повышением температуры требуется эффективная и компактная система управления температурой (TMS). Активные TMS и пассивные TMS являются двумя популярными технологиями управления потоком тепла.
Для активного теплового управления требуются системы управления энергией с использованием энергии, в том числе: принудительное воздушное охлаждение, водяное охлаждение, охлаждение тепловых труб и т. Д. - это общие методы охлаждения. Пассивное тепловое управление характеризуется не потреблением энергии, в том числе естественным охлаждением и фазовыми переходами. Охлаждение материала и так далее.
Активное тепловое управление
Tran и др. Разработали модуль тепловой трубы для теплового управления литиево-ионными батареями. Они обнаружили, что тепловые трубы с различными методами вентиляции оказались эффективными решениями для управления теплом для батареек HEV. Греко и др. Разработали модель тепловых трубок. Они продемонстрировали, что температура литий-ионных батарей снизилась с 52 ° C до 28 ° C с использованием одномерной модели переходных процессов. Mohammadian et al. Встроенная алюминиевая пена в теплоотвод для охлаждения ионов лития. Батареи обнаружили, что температура поверхности литиево-ионных батарей значительно уменьшилась после использования алюминиевой пены в радиаторе по сравнению с корпусом без пенопласта. Zhao и др. Использовали жидкостный охлаждающий цилиндр для охлаждения ионно-литиевых батарей. Они использовали гидравлические цилиндры. Температура поверхности 42 цилиндрических батарей поддерживается ниже 40 ° C. Благодаря добавлению тепловых насосов, радиаторов, узлов вентиляторов и т. Д. Все вышеперечисленные активные методы охлаждения являются дорогостоящими.
Пассивное тепловое управление
Пассивное тепловое управление (например, материалы с фазовым изменением) в последние годы все больше привлекает внимание из-за его высокой эффективности, компактности и малой массы. Материалы с изменением фазы (PCM) хранят тепло в виде скрытой теплоты, а скрытые источники тепла в основном включают воду, парафин. И некоторые другие неорганические соли и т. Д. Во время скрытого хранения тепла PCM подвергается фазовому переходу от твердого тела к жидкости или жидкости в газ при почти постоянной температуре. PCM используется в системе TMS и обычно имеет следующие требования:
1) имеют подходящую температуру фазового перехода, большую скрытую теплоту изменения фазы, подходящую теплопроводность (обычно большую);
2) явление плавки не должно происходить во время фазового перехода, чтобы не вызывать изменений в химическом составе среды с изменением фазы;
3) Обратимость фазового перехода лучше, степень переохлаждения должна быть как можно меньше, а производительность стабильна;
4) нетоксичные, некоррозионные, экологически чистые;
5) использование безопасности, негорючего, взрывчатого или окислительного износа;
6) Более высокая скорость кристаллизации и скорость роста кристаллов.
7) Требования к физическим характеристикам: низкое давление пара, меньший объемный коэффициент расширения, более высокая плотность;
8) Требования к экономической эффективности: легко купить сырье, более дешевые цены.
В этой статье в основном представлена статья «Термическое управление литиево-ионными батареями с использованием никелевой пены, покрытой графеном, насыщенной материалами с фазовым изменением», опубликованной Гонконгским университетом науки и техники Абидом Хусейном и др., Опубликованной в «Международном журнале термических наук» в 2018 году. В основном в документе представлен графит. Материал эпоксидного пенополистирольного композитного воскового материала. Материал PCM превосходно подходит для применения в системах управления энергией с литиевой батареей. С током разряда при 1.7A, по сравнению с пеной никеля, парафином, GcN, пеной никеля + парафином и GcN + парафином Эффект от управления теплом показал, что по сравнению с вспененным никелем использование пенообразующего никеля с насыщенным графеном, чем использование чистой пены никеля, повышение температуры поверхности батареи уменьшилось на 17%.
1 Обзор поля
Обычная ИКМ имеет очень низкую теплопроводность (0,1-0,3 Вт / (м · К)). На скорость хранения тепла влияет низкая теплопроводность ИКМ. В технике было упомянуто много методов для улучшения теплопроводности ИКМ. Goli и др. Использовали графеновые композиты для улучшения теплопроводности чистых PCM.Они обнаружили, что графен / парафиновые композиты имеют теплопроводность 45 Вт / (мК), тогда как чистый графит имеет теплопроводность 0,2 Вт / (мК). Было также отмечено, что при токе разряда 5 А повышение температуры ионно-литиевой батареи с использованием композита графена / парафина составляло 16 ° С без повышения температуры графенового / парафинового композита, составляющего 37 ° С. Кизиле и др. Использовали графитовый субстрат для повышения температуры. Теплопроводность. Они обнаружили, что теплопроводность парафинового графита составляет около 17 Вт / (мК). Смешанный ИКМ помогает ионно-литиевой батарее быть однородной при температуре в условиях нормального и высокого давления. Аадми и др. Добавляют твердый парафин к корпусу металлической трубки. Теплопроводность эпоксидной смолы была увеличена в 3-4 раза. Они обнаружили, что более высокая емкость хранения энергии и более низкий рост температуры могут быть получены за счет увеличения содержания воска в композиционном материале.
Металлические пены также оказались жизнеспособным вариантом для повышения теплопроводности PCM. Высокие пористости, хорошие теплофизические свойства и механическая прочность являются характерными чертами металлических пенопластов. Li et al. Использовали вспененные медные парафиновые композиты для изучения литиево-ионных батарей мощностью 10 Ач. Производительность систем теплового управления группы. Они сравнили результаты с двумя моделями: естественной воздушной конвекцией и чистым парафином. При скорости разряда 1С в качестве материала для регулирования температуры использовался сравнительный образец конвекции воздуха с парафиновым восковым рисунком. Температура поверхности батареи составляла 29% и ниже на 12%. Hussain и др. Использовали вспененный никелевый композит для экспериментального изучения температуры поверхности элемента литиево-ионной аккумуляторной батареи 3,4 Ач. Они обнаружили, что при скорости разряда 2C температура поверхности батареи была ниже, чем температура природного воздуха и чистая Парафиновая модель упала на 31% и 24% соответственно. После того, как Самими и др. Использовали парафиновые композиты из углеродного волокна, температура поверхности клеток снизилась на 15 ° С. По сравнению с чистым парафином теплопроводность композитов увеличилась на 81-273%. Sabbah et al. Графит используется для повышения теплопроводности парафинов. Они использовали электронагреватели в качестве батарей и обнаружили, что благодаря использованию композитов графит-ИКМ, Температура поверхности снижается на 5%. Хатиб и др алюминиевую пену, предназначенную для улучшения теплопроводности парафина. Они установили, что температуру поверхности батареи 13.2Ah 5% ниже, чем нормальные парафины.
В предыдущих исследованиях тепловое управление литий-ионными батареями проводилось в основном с использованием графин-графитовых композитов или металлических пенопластов (медь, никель или алюминий) / графитовых композитов. Теплопроводность графена была очень высокой (~ 2000- 3000 Вт / (мК)). Теплопроводность парафинового воска улучшена пенопластом, погруженным в вспененные покрытия из никеля и графена.
Проблема заключается в том, что вспененный никель может только увеличивать теплопроводность в шесть раз, а при высоких температурах термомеханические свойства (например, прочность на растяжение и прочность на сжатие) графито-полистирольных композитов становятся слабее. Порошковый никель, покрытый графеном, используется в качестве системы управления теплом для литий-ионных батарей.
2 никелевая пена, покрытая графеном, в виде литиевой батареи
Для решения вышеуказанных проблем в этом исследовании тепловое управление литиево-ионными батареями использует новые материалы для терморегулирования (графен, комбинация металлической (никелевой) пены и парафина). Преимущества использования никеля - это много: коррозионная стойкость, высокое соотношение Прочность и прочность Механические свойства никеля могут быть усилены за счет армирования никеля волокнами / частицами. Углеродные атомы могут быть легко растворены в никеле из-за их высокой растворимости в никеле, и поверхность никеля может быть легко преформирована. Поэтому образец может быть точно подготовлен к предпочтительной геометрической картине графена. Пенообразный никель подходит для синтеза графена. Графен обладает превосходной совместимостью с рядом пористых материалов. Композиты на основе графена имеют преимущества перед композитами. Механические свойства и имеют более низкий коэффициент теплового расширения. Чжао и др. Сообщили, что модуль Юнга и механические свойства графеновых композитов (поливиниловый спирт и графеновые нанослои) были улучшены примерно в 10 раз и 150%. Рост графена на вспененном никеле повысит твердость пены GcN (с добавлением графена 0,05 г / л, твердость пены Ni будет в 1,2 раза выше). Производительность циклов пены GcN Отличный (коэффициент удерживания емкости 98% после 10 000 циклов при 3 мА / см).
В этом исследовании тепловое управление литий-ионными батареями было выполнено с использованием нового материала, насыщенного пенополиуретана с покрытием из графена (GcN). Рост графена, покрытого пеной никеля, проводили с использованием химического осаждения из паровой фазы. Полученная теплопроводность парафинового парафина, добавленного к пенопласту GcN, в 23 раза выше, чем у чистого парафинового воска. Парафиновый воск используется в качестве материала с фазовым изменением (PCM). По сравнению с чистым парафином добавляется парафин из пены GcN и повышается его температура плавления. Температура затвердевания уменьшается. По сравнению с чистым парафином скрытая теплота и удельная теплота парафина, добавленного с помощью пены GcN, снижаются на 30% и 34% соответственно. Применяются эффекты применения 5 видов материалов при термическом управлении литиевой батареей: пенный никель, твердый Парафин, GcN, пенный никель + парафин и GcN + парафин. Гранулированный никель, покрытый графитом, насыщенный PCM, уменьшил поверхностную температуру ячейки на 17% по сравнению с использованием вспененного никеля при токе разряда 1.7A.
3 вывода
Порошковый никель, покрытый графеном, готовят с использованием метода осаждения из паровой фазы химического состава. Толщина слоя вспененного никелевого графена составляет 1-2 нм. Парафиновый воск погружают в покрытый графеном вспененный никель в качестве материала с фазовым изменением. Пропитанный парафином графен Термические свойства покрытой никелевой пены и ее применение в термическом управлении литий-ионными батареями приведены ниже.
1) Метод лазерного импульса использовался для измерения теплопроводности покрытого насыщенным графеном вспененного никелевого парафинового композита и вспененного никелевого парафинового композита. Парафин проникал глубоко в материал носителя. Полученные результаты показывают, что пенополиуретан, покрытый графеном, будет иметь теплопроводность чистого парафинового воска. Увеличилось в 23 раза, в то время как вспененный никель увеличил теплопроводность чистого парафина 6 раз.
2) Наблюдайте за изменениями температуры плавления и температуры замерзания насыщенных графеновых пенопластовых никелированных парафиновых композитов и вспененных никелированных парафиновых композитов и сравните их с чистыми парафиновыми восками. Композиционные материалы (пенополистирол / графен, покрытый вспененным воском Температура плавления и температура замораживания вспененного никеля) соответственно возрастают и уменьшаются, что обусловлено взаимодействием вспененного никеля с парафином.
3) Латентная теплота насыщенных графеновых пенообразующих никелированных парафиновых композитов снижена на 30% по сравнению с скрытой теплотой чистого парафинового воска, что связано с уменьшением массовой доли парафинового парафина в насыщенных графеновыми пенопластовыми парафиновыми композитами. Снижение массы парафинового воска обусловлено наличием небольшой полости в металлической пене.Снабильная теплоемкость вспененного никелевого парафинового композита составляет соответственно 16% и 12% ниже, чем у чистого парафинового материала в твердом и жидком состо нии, тогда как насыщенный пенообразный никелированный парафин с покрытием из графена Удельная теплоемкость композитов была на 35% и 34% меньше, чем у чистых парафинов в твердом и жидком состоянии соответственно. Причина в том, что теплоемкость металлического каркаса (пенный никель и покрытая графеном никелевая пена) меньше, чем у чистого PCM.
4) Наконец, исследование включало разработку материалов для приложений (т. Е. Управление литий-ионным аккумулятором). Были изучены и сопоставлены четыре дополнительных материала для регулирования температуры: никелевая пена, никелированная пена, покрытая графеном, и парафиновый воск. Пенообразованный никель-парафин. При токе разряда 1,7 А использование насыщенного гранулированного пенообразованного никеля имеет 17% -ное снижение роста поверхности по сравнению с чистой пеной никеля.
