鋰離子電池單元的安全問題，主要由熱失控引起，已成為限制其在能源領(lǐng)域更廣泛應(yīng)用的根本瓶頸。相變材料系統(tǒng)是一種可用的熱管理策略，可以抑制電池的熱失控，然而，高功率和能量密度之間未解決的權(quán)衡極大限制了其實(shí)際應(yīng)用。在這里，作者展示了一種高功率和能量密度的高效熱管理系統(tǒng)，采用雙曲石墨烯相變材料，防止鋰離子電池單元的快速熱積累。這種復(fù)合材料由雙曲石墨烯框架和石蠟組成，在 12.5 wt%石墨烯負(fù)載下，展現(xiàn)出約 30.75 W/mK 的超強(qiáng)熱導(dǎo)率和超高的潛熱保持率（90%），超過了大多數(shù)已報(bào)道的相變復(fù)合材料。作者證明他們的石蠟-石墨烯復(fù)合材料（PGC）在高功率密度下的有效能量密度幾乎提高了三倍，與商業(yè)石蠟相比。使用 PGC 系統(tǒng)保護(hù)的電池組在 3.75 C 速率能力下的溫度低于 60℃，遠(yuǎn)低于裸電池組的約 120℃。 這項(xiàng)研究 PGC 系統(tǒng)擴(kuò)展了鋰離子電池的可用性和安全性，并提供了一種可靠的電池?zé)峁芾聿呗裕詫?shí)現(xiàn)極快充電的目標(biāo)。
Fig 1. LIB 電池的 PGC 熱管理系統(tǒng)。(a) LIB 電池?zé)崾Э氐娜齻€(gè)階段。(b) 帶有 PGC 冷卻系統(tǒng)的電池組的示意圖及其在 30 A 充放電循環(huán)期間的數(shù)字照片和熱成像。(c) 裸電池組的示意圖及其在 30 A 充放電循環(huán)期間的數(shù)字照片和熱成像。
Fig 2. PGC 材料的制造和特性。(a) PGC 制造的代表性示意圖。(b) 一卷 GO 薄膜，(c) 長度約為 200 cm、寬度約為 13 cm 的 HGA。(d) 大型平面 PGC 單體和拱形 PGC 單體。(e) GO 薄膜、(g) HGA 和(i) PGC 的橫截面 SEM 圖像。(f) GO 薄膜、(h) HGA 和(j) PGC 的表面 SEM 圖像。
Fig 3. PGC 的熱和電加熱特性。(a) HGA 含量與 PGC 熱導(dǎo)率之間的關(guān)系。(b) 不同 HGA 含量的 PGC 的 DSC 曲線。(c) PGC 的潛熱和比熱隨 HGA 含量的變化。(d) 潛熱保持與熱導(dǎo)率的比較，參考之前的研究。(e) HGA 含量與 PGC 電導(dǎo)率之間的關(guān)系。(f) PGC 在不同電流密度下的溫度上升曲線及其在 0.75 A/cm
2 下的熱成像。
Fig 4. PGC 的有效能量密度和功率密度。(a) PCM 的有效能量密度和功率密度的原型設(shè)備及其相關(guān)參數(shù)。(b) 在輸入功率為 0.34 W 時(shí)，石蠟和 PGC 的溫度升高曲線。(c) 石蠟和 PGC 的有效能量密度與功率密度的關(guān)系。30 wt%處有效能量密度和功率密度的下降用虛線標(biāo)記。(d) PGC 的斜率(E/P)與 HGA 含量的關(guān)系。(e) 石蠟和含有 12.5 wt% HGA 填料的 PGC 的有效能量密度隨厚度的變化。
Fig 5. 高速充放電鋰離子電池單元的熱管理。(a) 裸電池組和 PGC 系統(tǒng)在 2.75 到 3.75 C 容量率下的溫度上升曲線。(b) 裸電池組和 PGC 系統(tǒng)在 3 C 速率下進(jìn)行 10,000 次充放電循環(huán)期間的溫度變化。(c) 在 10,000 次充放電循環(huán)中，帶有 PGC 系統(tǒng)的電池組的容量和庫侖效率。
這項(xiàng)研究工作由浙江大學(xué)Chao Gao、Kai Pang/Liwu Fan/Shengying Cai團(tuán)隊(duì)于2025年共同發(fā)表在《Energy Storage Materials》期刊上，High power and energy density graphene phase change composite materials for efficient thermal management of Li-ion batteries，原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104003
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
