一種采用氮化硼制備的10W/m·K導熱相變材料的制備

相變材料(PCM)可以為汽車電池系統提供一個緩沖平臺，以應對熱沖擊問題，在電池熱管理系統中受到廣泛關注。然而PCM的導熱系數低，無法將吸收的熱量快速釋放到冷水板或空氣中，熱量集聚會導致電池功能異常甚至爆炸。尤其是現階段，隨著電池向高能量密度方向快速發展，部分廠商要求PCM導熱系數達到10W/m·K。如何提高PCM的導熱率呢？

通常將PCM與絕緣的無機導熱劑粉體混合，例如單峰/改性/氮化硼(BN)，球形/準球/角形氧化鋁，耐水解球形/普通氮化鋁，氮化硅，類球形/球形氧化鎂，及其雜化物等，可以提高PCM的導熱性。然而，如果只是簡單通過添加導熱劑粉體，來實現如此高導熱仍是一個巨大挑戰。此外，由無機導熱劑粉體填充的PCM材料，在高于相變點的溫度下表現出的形狀穩定性和機械性能不足。一旦電池系統受到突然的外部沖擊，傳統PCM很難將電池保持在一個良好封裝環境中，從而導致電池的潛在穿孔，電解液泄漏，甚至是電池爆炸。因此，需要高導熱性和高機械強度的PCM，來使電池足夠應對外部沖擊和熱失效問題。

近期，四川大學吳凱和南京理工大學車劍飛團隊針對用于電池熱管理的相變材料的研究取得了最新進展。研究提供了一種兩全其美的方法，即能同時提高傳統PCM導熱系數和力學性能。將傳統的PCM(即石蠟/氮化硼)與螺旋編織的聚乙烯纖維織物相結合，就像傳統的PCM穿著功能性內衣一樣。一方面，聚乙烯纖維在織物中的螺旋連續熱路徑與PCM中的氮化硼網絡協同作用，使其通過面和面內導熱系數分別提高到10.05和7.92 W/m·K。另一方面，強聚乙烯纖維使PCM能夠承受47.13 N的高穿刺強度和18.45 MPa的拉伸強度。盡管材料的使用溫度高于相變溫度，但仍優于大多數報道由無機導熱劑粉體填充制備的傳統PCM材料。將這種典型的PCM包裝在三元鋰離子電池中，可以保證電池可靠的安全管理，防止熱和機械濫用。在循環充放電過程中，電池電極溫度明顯下降>10℃。

這種通過將高導熱性和機械強度的纖維織物設計成基體的方法，也適用于其他導熱纖維的應用，為未來合成具有高導熱和優異機械強度的聚合物復合材料提供新思路。該研究成果以“Dressing Paraffin Wax/Boron Nitride Phase Change Composite with aPolyethylene “Underwear” forthe Reliable Battery Safety Management”為題發表于《Small》。

原文來源：https://doi.org/10.1002/smll.202304886