發(fā)布時(shí)間：2017-12-13 17:27

  本文關(guān)鍵詞：高導(dǎo)熱復(fù)合相變材料的制備與動(dòng)力電池?zé)峁芾響?yīng)用研究

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【摘要】：隨著工業(yè)技術(shù)和交通行業(yè)的不斷發(fā)展,環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重,尤其是近幾年我國(guó)大面積、長(zhǎng)時(shí)間霧霾的出現(xiàn),嚴(yán)重地侵蝕著人們的身心健康。電動(dòng)汽車具有低能耗和零排放雙重優(yōu)勢(shì),大力發(fā)展電動(dòng)汽車能緩解對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴和減輕內(nèi)燃機(jī)汽車尾氣帶來(lái)的環(huán)境污染。電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)在于動(dòng)力電池,而動(dòng)力電池的性能又受溫度影響明顯,溫度過(guò)高或過(guò)低都影響其性能的發(fā)揮,甚至引起熱失控、電池內(nèi)部短路等安全問(wèn)題。為了提升動(dòng)力電池的使用性能和熱安全性,延長(zhǎng)其循環(huán)壽命,本文制備了高導(dǎo)熱的復(fù)合定形相變材料膨脹石墨(expanded graphite,EG)/石蠟(paraffin wax,PW),并把它用于動(dòng)力鋰電池?zé)峁芾�。主要研究�(jī)?nèi)容與結(jié)論如下:1、以50目、80目、100目和200目的石墨粉為原料制備了EG,再用熔融共混法制備了一系列不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EG/PW復(fù)合相變材料。研究了EG與PW之間的結(jié)合特性、EG/PW復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)、相變行為。結(jié)果表明:(1)80目石墨粉制備的EG吸附PW的質(zhì)量比高達(dá)92.7%,EG與PW之間未發(fā)生化學(xué)反應(yīng),只是簡(jiǎn)單的物理結(jié)合。(2)EG/PW復(fù)合相變材料板的導(dǎo)熱系數(shù)隨EG含量的增大而增大,當(dāng)EG含量≥9 wt.%時(shí),其軸向?qū)嵯禂?shù)(與擠壓方向平行)小于徑向?qū)嵯禂?shù)(與擠壓方向垂直);EG含量為20 wt.%時(shí),軸向?qū)嵯禂?shù)和徑向?qū)嵯禂?shù)分別為7.22 W/m K和10.10 W/m K。(3)與純PW相比,EG/PW復(fù)合材料的過(guò)冷度降低,相變潛熱略低于理論計(jì)算值。2、分別制備了納米Cu粉和石墨烯摻雜的EG/PW復(fù)合相變材料,研究了不同含量的納米Cu粉和石墨烯對(duì)EG/PW復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱增強(qiáng)作用,采用分形方法和熱電類比技術(shù)構(gòu)建了納米摻雜的EG/PW復(fù)合材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)模型。結(jié)果表明:(1)EG/PW復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨納米Cu含量的增加而幾乎保持不變,但隨石墨烯的含量增加而增加。(2)基于分形方法和熱-電類比技術(shù)構(gòu)建的復(fù)合材料有效導(dǎo)熱系數(shù)模型能較好地預(yù)測(cè)Cu納米粒子摻雜的EG/PW復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù),但與石墨烯摻雜的EG/PW復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值出現(xiàn)了一定程度的偏差。3、分析了鋰離子電池的產(chǎn)熱機(jī)理和相變材料相變傳熱模型,計(jì)算了26650磷酸鐵鋰電池的等效導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和密度等物性參數(shù)。采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和不同用量的EG/PW復(fù)合材料的熱量傳遞規(guī)律和控溫效果;實(shí)驗(yàn)測(cè)試了EG/PW塊體受熱熔化后的泄漏率。結(jié)果表明:(1)EG/PW復(fù)合相變材料有效抑制了電池溫度的過(guò)快上升,EG/PW相變時(shí),電池表面升溫速率隨EG含量的增加而減小,EG含量≥12 wt.%時(shí),升溫速率趨近于0。(2)EG/PW塊體受熱熔化后的液相泄漏率隨EG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小;EG含量為30 wt.%時(shí),PW的泄漏率僅為0.38 wt.%。(3)EG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16~20%的EG/PW復(fù)合相變材料可選作26650磷酸鐵鋰電池的熱管理材料。4、針對(duì)圓柱形電池,首次提出了基于復(fù)合相變材料熱管理的具有管殼式結(jié)構(gòu)的電池模塊,通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了管殼式電池模塊的控溫效果,揭示了其內(nèi)部熱量傳遞和分布規(guī)律,并評(píng)價(jià)了復(fù)合相變材料在后續(xù)冷卻過(guò)程中的散熱效率。結(jié)果表明:(1)采用EG/PW復(fù)合相變材料熱管理,管殼式電池模塊中的電池表面最高溫度被控制在相變材料的相變溫度范圍之內(nèi),各電池單體表面最大溫差約為1℃。(2)環(huán)境溫度T0=28℃和37℃時(shí),采用自然空氣對(duì)流冷卻,復(fù)合相變材料完全凝固所花的時(shí)間分別約為60 min和197 min;采用強(qiáng)制風(fēng)冷,所需的時(shí)間分別約為18 min和80 min。(3)數(shù)值結(jié)果表明管殼式電池模塊中的空氣流體以“Z字形”繞著管束反復(fù)繞流,呈錯(cuò)流傳熱,提高了散熱效果,使得高溫區(qū)域大幅度減小,但折流板后方仍存在一些高溫?zé)釁^(qū)。(4)與美國(guó)All Cell公司電池模塊相比較,數(shù)值模擬結(jié)果表明管殼式電池模塊具有更高的散熱效率。5、制備了鋁蜂窩增強(qiáng)的EG/PW復(fù)合相變材料板;研究了方形動(dòng)力電池的產(chǎn)熱特性和鋁蜂窩增強(qiáng)的EG/PW復(fù)合相變材料的控溫效果;采用數(shù)值模擬方法研究相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)和相變溫度對(duì)電池控溫效果的影響;分析了電池在后續(xù)冷卻過(guò)程中采用液冷的散熱效率,指出了相變材料和液冷耦合散熱的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表明:(1)加入鋁蜂窩,提高了EG/PW復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度。(2)方形磷酸鐵鋰電池產(chǎn)熱不均勻,正負(fù)極附近的溫度最高,鋁蜂窩增強(qiáng)的EG/PW復(fù)合材料能把電池表面最大溫差控制在3℃以內(nèi)。(3)電池表面溫度和最大溫差隨復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)的增大而減小,但減小幅度逐漸下降,復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置3 W/m K左右較為合適。(4)在電池模塊后續(xù)冷卻過(guò)程中,采用液冷散熱,能使相變材料在較短的時(shí)間發(fā)生凝固。
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB34;TM912;U469.72

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本文編號(hào)：1285979