上海交大ITEWA团队提出基于仿生散热的超快循环电池的高效被动式热管理策略

　　

近日，上海交大机械与动力工程学院制冷与低温工程研究所能源-水-空气创新团队（ITEWA）在Energy Storage Materials上发表了题为“A Biomimetic Melting-evaporation Cooling Bilayer for Efficient Thermal Management of Ultrafast-cycling Batteries”的研究论文。针对超快循环锂离子电池瞬时发热功率高、发热量大的特点，受哺乳动物剧烈运动时脂肪肌肉层快速热响应和皮肤层汗液蒸发持续散热的高效热管理机制启发，研究提出了一种基于熔化-蒸发双层膜的被动式热管理策略，所开发的双层膜结合了固液相变材料的高导热性和吸湿性材料的高焓变特性，可大幅度降低超快循环离子电池的表面温度，进而延长电池循环寿命。本文第一作者为上海交大机械与动力工程学院硕士研究生张骁和仵斯副教授，仵斯副教授和李廷贤研究员为通讯作者。

交通领域的电气化进程加速与规模储能的迅猛发展对电池的安全性与循环寿命提出了更高的要求。热管理技术是维持电池安全、高效工作的关键技术之一。随着电池容量与倍率性能不断提升以及应用场景的拓展，电池热管理技术正面临着新的挑战，尤其在电网调频、电动垂直起降飞机等新场景下，瞬态的高充放电功率不可避免地引起电池温度的快速上升。目前，利用固液相变、液气相变和固气吸附过程伴随的吸放热效应进行被动式电池热管理受到广泛关注，相变材料或者吸湿性材料作为热缓冲器可有效平抑散热功率、降低峰值热负荷，具有能耗低、结构简单等优点。然而，要想实现高效的被动式热管理，所用控温介质需满足两个条件：高导热性，以获得对瞬时高功率产热的快速热响应；高焓变，以延长有效控温时间。以石蜡类材料为代表的固液相变材料虽然可以通过引入高导热添加剂大幅提升其导热性能，但受限于材料相变焓通常低于200kJ/kg；以吸湿性材料MOF为代表的吸附工质对尽管具有较高的吸附焓变，但水蒸气传输通道的存在，导致其有效热导率通常低于1W/(m·K)，且难以大幅度提升。

该工作提出了一种基于仿生散热的熔化-蒸发冷却双层膜结构，由高导热石蜡基复合相变膜和高焓变的氯化钙/碳骨架复合吸湿膜组成。由于固液相变和水蒸气吸附/脱附过程由温度驱动且双向可逆，这种被动式热管理方式具有自适应特性，无需额外的能量消耗。在25℃/50% RH环境条件下实验比较了不同热管理膜包裹对超快循环锂离子电池（放电倍率5°C和10°C）的控温效果，发现双层膜包裹的电池表面温度最低，且温度分布的均匀性较好。当放电倍率达到15°C时，双层膜展示出更快的热响应和持久控温，最大温降达35.6°C，最大等效平均冷却功率为2490.7 Wm^-2，比相关报道高一个数量级。这种显著的冷却效率将电池的循环寿命延长了近一倍。此外，双层膜表现出良好的阻燃性能，可有效减缓热失控蔓延。该工作为发展低成本、高性能的被动式热管理材料与技术提供了新思路。

本研究工作获得国家自然科学基金青年基金项目、杰青项目、重大项目的资助。

王如竹教授和李廷贤研究员领衔的ITEWA（Innovative Team for Energy, Water&Air）团队长期致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来团队在Science、Nature Reviews Materials、Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Water、Nature Communications、Joule、Energy& Environmental Science、Advanced Materials等国际期刊上发表了系列跨学科交叉论文。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103602

作者：

制冷与低温工程研究所

供稿单位：

机械与动力工程学院