相变微胶囊的制备及其在锂离子电池组热管理系统中的应用

【摘要】随着能源短缺和环境污染问题的日益突出,发展以电动汽车为代表的新能源汽车和可再生能源储能系统是解决能源和环境问题的重要途径。动力电池是电动汽车的关键核心部件,其性能直接影响到汽车的使用和安全。锂离子电池因为具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长、无污染等优点成为混合动力汽车和电动汽车的主要电源。但锂离子电池在使用时会产生大量的热量,导致电池温度升高以及电池组内电池温度的不均匀,降低电池的循环寿命,甚至会引起热失控。因此,对动力电池组进行热量管理有着重要的意义。论文研究基于相变材料微胶囊的动力电池组热量管理系统及性能,主要研究内容如下：首先,采用原位聚合法制备出以石蜡为芯材,密胺树脂(MF)为囊壁的相变材料微胶囊。研究了乳化剂的种类、乳化剂的用量、预聚体滴加速度、芯壁比等因素对微胶囊性能的影响,并采用差示扫描量热仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱仪(FTIR).激光衍射粒度分析仪等手段检测微胶囊的储热性能、形貌结构、粒径分布等。研究发现,采用SMAHNa作为乳化剂,乳化剂用量为10g(与石蜡质量一致),乳化转速为1500rpm,预聚体滴加速度为0.5mL/min,芯壁投料比为4：1时,制备出来的微胶囊形貌最好,粒径分布均匀,微胶囊的包覆率达到61.59%,相变潜热为120.30J/g。然后,为了提高相变微胶囊的导热性能,在第一步最优工艺条件基础上,选用多壁碳纳米管(CNTs)作为掺杂材料,对壁材密胺树脂进行改性,通过原位聚合法制备出壁材掺杂碳纳米管的相变微胶囊。采用DSC、TG、SEM和FTIR等手段对其性能和结构进行表征,通过分散性实验证明了改性后的碳纳米管分散性明显提高,讨论了不同CNTs添加量对微胶囊的表明形貌和热性能的影响。结果表明：加入CNTs后,微胶囊的表面变得相对光滑；随着CNTs添加量的增加,微胶囊的包裹率和导热系数明显增加,当CNTs的添加量为0.15g时,微胶囊的性能最好,此时微胶囊的导热系数为0.356W/(m·K),相变潜热为141.3J/g,包覆率达到72.35%,较空白微胶囊包覆率提高了11.75%,同时微胶囊的稳定性也明显提高。最后,搭建了锂离子电池热管理实验平台和温度测量系统,测试了单体电池和电池组在不同放电倍率、不同环境温度下放电时,单体电池及电池组内部温度分布情况。测试结果表明：在低温和室温环境下,电池组以3C放电时,自然冷却基本能将电池组内的温度控制在62℃；但在高温环境下,电池组以3C放电,采用自然冷却电池组内部最高温度达到72℃,最大温差为5.6℃,而采用相变微胶囊冷却的电池组内部温度为62.3℃,最大温差为1.6℃,较自然冷却,最高温度降低了9.7℃,最大温差减小了4.0℃；同时,采用相变微胶囊冷却还能降低电池组内单体电池表面的温差,使得单体电池表面的温度更加均匀。
【作者】黄际伟；
【导师】李军；
【作者基本信息】广东工业大学，应用化学，2014，硕士
【关键词】锂离子电池；相变材料；相变微胶囊；碳纳米管；热管理；

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