Nano-Micro Letters：双功能液态金属助力电绝缘相变材料，实现锂离子电池双重热管理

作者：郭聪^#，何璐^#，姚艺航，林炜植，张永正，张琴，吴凯*，傅强*

为了减少温室气体排放和对传统化石能源的依赖，锂离子电池在可持续能源应用中扮演着越来越重要的角色。在实际应用过程中，无论高温或者低温都会严重影响锂电池的性能和寿命，并会引起安全问题。因此，根据实时环境能在单一平台实现加热或冷却会使锂电池在更宽的温度范围内均能正常工作，适应气候迥异的地区和多变的环境。具有高导热率和高潜热的相变材料因其可以快速散热和热缓冲成为重要的电池被动热管理材料。但传统的导热相变材料具有导热率低、热导方向与路径和锂电池发热特点不匹配、缺乏在寒冷环境下的加热能力等问题。

图1.双重电池热管理的必要性

         四川大学傅强教授、吴凯副研究员团队定构加工了一种顺应锂电池发热特点的多层次结构的“聚乙二醇/液态金属/氮化硼导热相变材料”，实现了在高温和低温环境下的有效双重电池热管理。通过冰模板策略和特殊模具设计，在宏观尺度上，相变材料的构造与锂电池的几何形状与结构相匹配；在微观尺度上，相变材料内部的多方向的径向导热路径帮助快速且均匀的散热。这种电绝缘相变材料在面外和面内方向上同时实现了7 W/m K以上的高导热系数，如面外方向的导热系数为8.8 W/m K，面内方向的导热系数为7.6 W/m K。同时，通过力化学改性技术引入的多功能的液态金属，不仅凭借其可变形性和本征高导热性降低相变材料内界面热阻，而且作为生热组分为相变材料赋予优异的光热转化能力，使其拥有低温加热功能。此外，这种相变材料还表现出良好的电绝缘性、形状稳定性、不腐蚀性、不燃特性，提高了实际应用的耐用性和安全性。在此基础上，这种相变材料的优异实际双重电池热管理性能通过18650锂电池组得到验证，在能源节约与安全领域有广阔的应用前景。

本文亮点

1. 定构加工的相变材料在宏观上具有与锂电池结构相顺应的构型，在微观上具有匹配锂电池发热特点的多方向导热路径用于快速且均匀的传热。

2. 双功能的液态金属使得多层次结构的相变材料既能够在低温下凭借优异的光热转化能力加热电池，又能在高温下利用高导热性被动冷却电池，实现双重电池热管理。

3. 利用18650电池组分别在低温环境和快速充放电循环中验证了相变材料优异的实际电池热管理性能。

图2. 多层次结构的“聚乙二醇/液态金属/氮化硼导热相变材料”的结构设计和制备

图3. 相变复合材料的导热性能和相变性能

图4. 相变材料的低温电池热管理性能

图5. 相变材料的高温电池热管理性能

   相关成果以“Bifunctional Liquid Metals Allow Electrical Insulating Phase Change Materials to Dual-Mode Thermal Manage the Li-Ion Batteries”发表在材料科学TOP期刊Nano-Micro Letters（Nano-Micro Lett. (2022) 14: 202）上。通讯作者为四川大学的吴凯副研究员和傅强教授。四川大学高分子科学与工程学院的硕士研究生郭聪和博士研究生何璐为本文的共同第一作者。感谢国家自然科学基金青年基金项目（No. 52103091）、江苏省自然科学基金青年基金(No. BK20200501）和高分子材料工程国家重点实验室（No. sklpme2022-3-15）对本工作的经费支持！

原文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-022-00947-w