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[转载]面向动力电池系统热安全的阻燃型多功能复合相变材料的防护机理研究 | The Innovation Materials

已有 671 次阅读 2024-3-10 22:18 |系统分类:科普集锦|文章来源:转载

为了提升动力电池系统的热安全,相变材料不仅需满足热管理的需求,还需具有热失控防护功能。在有机相变材料中添加无机硅/磷微纳阻燃剂,以提高阻燃效果提高有机相变材料的热稳定性及阻燃性,进而提升动力系统的热安全。

Qiqiu Huang TheInnovation创新2024-03-09 00:02

导 读

动力电池组是纯电动汽车驱动能量的唯一来源,与整车安全性密切相关。传统热管理缺乏对电池热失控的防控。相变材料利用自身潜热的优势在热管理领域具有巨大潜力;然而常规有机相变材料在电池热失控后“火上浇油”,严重影响驾乘人员安全。本研究制备了基于无机二氧化硅包覆阻燃聚合体与有机骨架相结合的多功能复合相变材料,显著提升了电池系统的热安全性。

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图1 图文摘要

构建无机硅基微纳聚合体阻燃层

为了提升有机相变材料的阻燃性能和结构稳定性,本研究将纳米SiO2@C稳定附着在ammonium polyphosphate (APP)表层,制备出微纳团聚体,其中SiO2@C的碳层可以协助其在有机材料中均匀分散,并在高温下协同促进APP形成具有良好阻燃性能的隔氧隔火层(图2)。

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图2 各成分SEM表征图

低泄漏的阻燃柔性复合相变材料制备

SiO2@C/APP阻燃微纳团聚颗粒的引入,可将材料发生热泄露的温度提升至150℃。同时显著提升材料在持续高温中的稳定性,相关的热测试实验结果表明,制备的阻燃柔性复合相变材料在加热10小时后的质量保持率可保持在99.5%(图3)。

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图3 PS/APP/SiO2@C3的热稳定性能

PS/APP/SiO2@C3的燃烧与阻燃特性

相较于APP只能实现氧和热的部分隔离,APP/SiO2@C能够承受高压燃烧气体的冲击而难以破坏,有效地提高碳层的致密度和连续性。在燃烧测试中,热量释放平台可延长至700秒,且在燃烧15秒后,PS/APP/SiO2@C3仍可在去除火源后立即停止燃烧,样品保留率保持在99%以内(图4)。

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图4 PS/APP/SiO2@C3的燃烧和阻燃测试

PS/APP/SiO2@C在电池系统中的热管理应用研究

为了验证PS/APP/SiO2@C3的实际应用能力,我们将其组装在电池模组中并进行了循环测试和加热测试,结果表明(图5)使用PS/APP/SiO2@C3组装的电池模组可以在5 C放电倍率下将最大温度控制在61℃, 同时得益于材料优良的传热性能,热失控产生的热量可迅速均匀地分散到周围,降低高温对于电池的影响。

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图5 PS/APP/SiO2@C3的实用性测试

总结与展望

本研究设计并制备了无机微纳阻燃团聚体与有机柔性骨架相结合的复合相变材料,其在燃烧后形成致密阻隔层可实现氧气和热量的隔绝,进而提高复合相变材料的阻燃性能及热稳定性。再将其应用在电动汽车的动力电池系统中,实现了电池热管理效率的显著提升,并延缓了电池组热失控触发时间。这项研究构建了复合相变材料在动力电池组中从热管理至触发热失控之间全温域的防护策略,为提高电动汽车的热安全提供了一个切实可行的解决方案,对保障电动汽车驾乘人员的安全性具有非常重要的实用价值。

责任编辑

张群姿     山东大学

李    旺     中国科学院空天信息创新研究院

本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Materials第2卷第1期以Report发表的“Multifunction composite phase change material with inorganic flame retardant and organic form stability for improving battery thermal safety” (投稿: 2023-09-04;接收: 2024-02-02;在线刊出: 2024-02-06)。

DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2024.100048

引用格式:Huang Q., Li C., Li X., et al., (2024). Multifunction composite phase change material with inorganic flame retardant and organic form stability for improving battery thermal safety. The Innovation materials 2(1), 100048.

原文链接:https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-mater.2024.100048

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作者简介

黎灿兵,上海交通大学电子信息与电气工程学院电气工程系副主任,教授。从事电力气象和大规模储能应用研究。承担国家科技项目9项,包括国家自然科学基金优秀青年科学基金项目和重点项目、国家重点研发计划项目与课题。发现城市微气象与空调负荷交互影响规律,获中国气象服务协会发明一等奖(第一完成人);提出电力用户侧可一定程度独立运行的多能源局域网灵活组网与调控技术,获中国电工技术学会科技进步一等奖(第一完成人),提出大规模风电场分群抗扰动控制技术,获机械工业科技进步一等奖(第一完成人)。发表SCI论文80余篇,EI论文100余篇,授权发明专利30余项。

李新喜广东工业大学材料与能源学院,副教授。多年来从事动力电池系统的热安全研究。近些年主持广东省自然科学基金面上项目2项;省重点实验室开放基金2项,产学研项目6项;荣获2020年广东省科技进步一等奖(4/14);2022年广东省科技进步二等奖(5/10);2023年中国产学研合作创新与促进一等奖(1/10);发表SCI论文70余篇,Top期刊论文18篇,高被引论文6篇。

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