用于锂电池的界面材料的制备以及实验研究

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随着人口数量的快速增加,能源的需求和消耗速度飞速上升,资源枯竭的问题迫使人们寻找更加节能环保的方法。在交通出行方面,电动车成为节能环保的有效交通出行方式,电动车的核心问题在于锂电池的散热问题。锂电池具着能量密度高,成本低等优点。锂电池在充放电过程中会产生热量,如果电池温度继续上升直到不可控,极易发生自燃情况,因此电池热管理系统显得尤为重要。如何及时把热量从电池中带走是锂电池目前面临的热管理难题。界面材料主要是应用于电子设备领域,但是随着电动车领域的发展,应用于电动车锂电池上热界面材料的发展越来越重要,如不能有效地对电池散热则严重影响电动汽车的未来前景。本文针对锂电池热管理问题,以热界面材料中的导热垫片和储热垫片为主要研究对象,旨在提高界面材料的导热能力和储热范围,并将研究制备的界面材料应用于电池,主要的研究结论如下:1、探索制备工艺,即四大制备工艺、混合搅拌时间、真空抽取压力、垫片硫化时间,垫片硫化温度对导热垫片的硬度和导热系数的影响。实验结果表明混合搅拌35mins后,结缔程度最好,有效面积最大。真空度为0.09Mpa最为合适,随着真空压力的提高,导热垫片的硬度增大,当真空度超过0.09Mpa后,性能变化非常有限,不利于实际操作开展。硫化时间对于固化时间会产生很大的影响,会加快固化的时间,但是不会对导热系数产生很大的影响。随着硫化时间的增加,导热垫片的导热系数和硬度都呈现在逐渐变大,60℃以上的温度下变化不会太明显,时间在50mins比较适宜。探索不同粒径的氧化铝填料制作而成的导热垫片的导热性能以及导热垫片成型情况,还将三种不同粒径氧化铝粉末进行填充不同比例复配,寻找三元氧化铝导热填料的最优复配比例。实验结果表明:对于单一粒径导热垫片来说,当填料质量与硅油质量之比在4到7之间的时候导热垫片的成型情况较好,对导热垫片制备具有一定的指导意义,三种不同粒径制作而成的导热垫片的导热能力都跟随着填料与硅油比值变大而提高,其中粒径为20μm的氧化铝填料在填料与硅油之比为7时制备的导热垫片的导热系数最大。三种不同的粒径的氧化铝粉末复配制备的导热垫片的导热系数测试结果表明当粒径为20μm、10μm,5μm三种球形氧化铝质量比为5:3:2时候,制备的导热垫片的导热系数最高,可达到3 W/m·K。2、针对界面材料的导热问题,为了提高导热能力添加了金属填料和碳材料,通过简易混合搅拌法制备了以氧化铝(Al2O3)为基础的金属材料复合导热垫片和碳纤维(CF)复合导热垫片,选用氧化铝粉末(Al2O3)作为主要的导热填料,金属片状铜粉(片Cu),金属纳米铜粉(Nano Cu)和金属铝粉(Al)作为导热辅助填料,比较同种金属下不同的形状的金属粉末,不同的金属种类粉末混合对于导热垫片的导热性能产生的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)对复合材料制备而成的垫片的形貌进行呈现,发现金属铝粉和球型氧化铝粉末结合性质最好,通过导热测量仪对导热性能进行观察,发现在相同的比例之下,金属铝粉和球型氧化铝粉末混合制成的导热垫片的导热率最高,纳米铜粉与氧化铝粉末制成的导热垫片的性能优于与片状铜粉与氧化铝粉末制成的导热垫片的性能。对于碳纤维复合导热垫片,分别加入了三种不同含量的碳纤维,分别是12.5%、25%、37.5%,比较不同含量对于导热垫片的导热性能和性质的影响,实验表明当碳纤维填料的填充量为37.5%时,导热系数达到最大值1.2 W/m?K,拥有较好的柔韧性。3、针对界面材料的储热问题,制备石蜡(PW)与膨胀石墨(EG)的混合材料,将其用作界面材料的储热填料,选择了三种无机导热填料,依次是之前选用的氧化铝(Al2O3)粉末,以及新选用的氮化铝(Al N)粉末和氮化硼(BN)粉末,以乙烯基硅油为原材料制备成三种不同组分的复合相变垫片,测试了复合相变垫片的热导率,储热性,热稳定性,傅里叶红外特性,X射线衍射测试。实验结果表明:(1)制备了三种不同组分的复合相变垫片,实验结果表明其中PW/EG/BN成分的复合相变材料导热系数可达2.06 W/m?K。(2)将PW/EG/BN此材料在18650圆柱电池上进行了热管理实验,结果表明在3C的放电的情况下,使用该复合相变材料能使得电池从最高温度60.9℃降至44.3℃,电池温差从4.1℃降至2.5℃。在4C的放电的情况下,使用该复合相变材料能使得电池从最高温度72.1℃降至50.7℃,电池温差从6.9℃降至3.7℃。4、针对界面材料的储热问题,制备以相变微胶囊为储热填料,Al2O3粉末为导热填料的复合相变垫片,通过采用偶联剂KH570对相变微胶囊进行湿法处理,实验结果表明:初始实验制备的相变储热垫片的储热潜热为106.3J/g,经过偶联剂的KH570的特殊处理之后,相变储热垫片的储热潜热为147.2J/g,储热潜热提升了40%;初始的相变储热垫片的起初相转温度由40.31℃降低为39.87℃;储热潜热峰值对应温度为45.53℃,结束相变温度为47.45℃,只出现一次单峰。经过偶联剂KH570的特殊处理之后,储热潜热峰值对应温度为47.05℃,结束相变温度为49.12℃。扫描电镜图片展示了经过KH570处理后的填料与硅油基地的相容性得到明显的改善优化。种种的实验现象表明储热垫片的潜热极值得到了有效的提高。
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