摘要
随着新能源汽车领域的蓬勃发展，动力电池的热安全问题不容忽视。锂电池热失控引发的火灾、爆炸、次生灾害等事故频发，极大打击了消费者的信心。电池热管理系统（BatteryThermalManagementSystem,BTMS）侧重于降低锂离子电池内部的热产生和热积累，是解决电动汽车动力系统安全性问题的有效方案。其中，利用相变微胶囊（MicroencapsulatedPhaseChangeMaterial，MPCM）冷却是一种极具潜力的电池热管理策略。相变微胶囊是具有核壳结构的微、纳米球体，由相变材料芯材和成膜材料形成的壳材组成，可有效防止相变材料在相态变化过程中泄漏。基于目前采用SiO2作为壳体的相变微胶囊具有较高的机械强度和抗泄漏能力，但存在制备过程繁琐、制备条件难以控制等缺陷，本文首次提出采用与其具有相似结构的有机-无机杂化聚硅氧烷MQ硅树脂（MQ）作为壳材制备相变微胶囊（PA@MQ）。MQ具有与SiO2相似的化学结构，且采用MQ作为壳材的制备过程简单，可以克服上述缺陷。本文围绕PA@MQ的制备、将PA@MQ用于电池热管理系统并分析其热管理性能等方面展开工作。本文的主要研究内容和结论如下： 1.首次采用MQ硅树脂作为壳材制备相变微胶囊，并分析该微胶囊的抗泄漏性、热物性等参数。基于MQ的三维交联网络和有机-无机特性，MQ与芯材PA之间存在很好的界面相容性，所制备的PA@MQ相变微胶囊具有优异的抗泄漏能力。在持续加热16h后，测得PA1@MQ1、PA2@MQ1、PA3@MQ1最终的泄漏率分别为4.46%，6.61%，13.56%。综合考虑热物性分析结果、微观形貌分析及抗泄漏能力分析结果，选定最佳微胶囊芯壳质量比为2:1。此外，MQ硅树脂因支链基团的不同，被赋予不同的物理化学性质，未来可依据PCM分子结构，选择合适的MQ种类进行包覆，通过氢键、化学交联等模式达到更好的结合效果。 2.设计具有高效封装能力的相变复合材料，对磷酸铁锂单体电池进行热管理，并分析其热管理效果。将PA@MQ与硅胶（SR）复合制得室温下可流动和固化的相变微胶囊硅胶复合材料（SR-PA@MQ）。利用MQ常作为硅胶补强添加剂的特性，可大幅提高SR-PA@MQ的机械强度。综合材料热力学及工程热力学相关知识，对不同微胶囊质量分数SR-PA@MQ的相变性能、微观结构及力学性能展开讨论，最终选定50wt.%为微胶囊最佳质量比。50wt.%SR-PA2@MQ1在加热/冷却过程的温度变化曲线出现明显温度滞后平台，将其贴合于单体电池两侧进行热管理，在1C倍率下完成五个充放电循环后，电池最高温度均低于53℃，电池不同位置之间的温差始终低于5℃，证明其具有优异的热管理性能。 3.设计具有优异流变行为的高潜热流体，对三元电池模组进行热管理，并分析其热管理效果。将PA@MQ作为相变组分，分别采用水、乙醇、低粘度硅油这三种不同的基液制备相变微胶囊悬浮液（MicroencapsulatedPhaseChangeMaterialSlurry,MPCMS）。结合稳定性分析、沉降情况分析及悬浮液颗粒粒径分析结果，选定硅油基微胶囊悬浮液（MPCMS-Si）具有最佳的沉降稳定性。针对MPCMS导热性能差的缺陷，添加高导热石墨烯（GE），制备石墨烯硅油基微胶囊悬浮液（GE-MPCMS-Si）。最后，结合铜管铝板复合液冷板，搭建液冷电池热管理系统，研究不同冷却液及不同冷却液流量的热管理效果。与空白组相比，该液冷系统可大幅度降低三元电池模组在充放电循环过程中的最高温度。在1C倍率下完成五个充放电循环后，空白组，硅油组，MPCMS-Si组和GEMPCMS-Si组的最高温度分别为66.72℃，62.74℃，58.49℃，52.23℃。
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