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近日，制冷與低溫工程研究所能源-水-空氣創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（ITEWA）在期刊Energy Storage Materials上發(fā)表了題目為“A Biomimetic Melting-evaporation Cooling Bilayer for Efficient Thermal Management of Ultrafast-cycling Batteries”的研究論文。針對(duì)超快循環(huán)鋰離子電池瞬時(shí)發(fā)熱功率高、發(fā)熱量大的特點(diǎn)，受哺乳動(dòng)物劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)脂肪肌肉層快速熱響應(yīng)和皮膚層汗液蒸發(fā)持續(xù)散熱的高效熱管理機(jī)制啟發(fā)，研究提出了一種基于熔化-蒸發(fā)雙層膜的被動(dòng)式熱管理策略，所開(kāi)發(fā)的雙層膜結(jié)合了固液相變材料的高導(dǎo)熱性和吸濕性材料的高焓變特性，可大幅度降低超快循環(huán)離子電池的表面溫度，進(jìn)而延長(zhǎng)電池循環(huán)壽命。本文第一作者為機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院碩士研究生張驍和仵斯副教授，仵斯副教授和李廷賢研究員為通訊作者。
交通領(lǐng)域的電氣化進(jìn)程加速與規(guī)模儲(chǔ)能的迅猛發(fā)展對(duì)電池的安全性與循環(huán)壽命提出了更高的要求。熱管理技術(shù)是維持電池安全、高效工作的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著電池容量與倍率性能不斷提升以及應(yīng)用場(chǎng)景的拓展，電池?zé)峁芾砑夹g(shù)正面臨著新的挑戰(zhàn)，尤其在電網(wǎng)調(diào)頻、電動(dòng)垂直起降飛機(jī)等新場(chǎng)景下，瞬態(tài)的高充放電功率不可避免地引起電池溫度的快速上升。目前，利用固液相變、液氣相變和固氣吸附過(guò)程伴隨的吸放熱效應(yīng)進(jìn)行被動(dòng)式電池?zé)峁芾硎艿綇V泛關(guān)注，相變材料或者吸濕性材料作為熱緩沖器可有效平抑散熱功率、降低峰值熱負(fù)荷，具有能耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。然而，要想實(shí)現(xiàn)高效的被動(dòng)式熱管理，所用控溫介質(zhì)需滿足兩個(gè)條件：1）高導(dǎo)熱性，以獲得對(duì)瞬時(shí)高功率產(chǎn)熱的快速熱響應(yīng)；2）高焓變，以延長(zhǎng)有效控溫時(shí)間。以石蠟類材料為代表的固液相變材料雖然可以通過(guò)引入高導(dǎo)熱添加劑大幅提升其導(dǎo)熱性能，但受限于材料相變焓通常低于200kJ/kg；以吸濕性材料MOF為代表的吸附工質(zhì)對(duì)盡管具有較高的吸附焓變，但水蒸氣傳輸通道的存在，導(dǎo)致其有效熱導(dǎo)率通常低于1W/(m·K)，且難以大幅度提升。
該工作提出了一種基于仿生散熱的熔化-蒸發(fā)冷卻雙層膜結(jié)構(gòu)，由高導(dǎo)熱石蠟基復(fù)合相變膜和高焓變的氯化鈣/碳骨架復(fù)合吸濕膜組成。由于固液相變和水蒸氣吸附/脫附過(guò)程由溫度驅(qū)動(dòng)且雙向可逆，這種被動(dòng)式熱管理方式具有自適應(yīng)特性，無(wú)需額外的能量消耗。在25℃/50% RH環(huán)境條件下實(shí)驗(yàn)比較了不同熱管理膜包裹對(duì)超快循環(huán)鋰離子電池（放電倍率5C和10C）的控溫效果，發(fā)現(xiàn)雙層膜包裹的電池表面溫度最低，且溫度分布的均勻性較好。當(dāng)放電倍率達(dá)到15C時(shí)，雙層膜展示出更快的熱響應(yīng)和持久控溫，最大溫降達(dá)35.6°C，最大等效平均冷卻功率為2490.7 W m-2，比相關(guān)報(bào)道高一個(gè)數(shù)量級(jí)。這種顯著的冷卻效率將電池的循環(huán)壽命延長(zhǎng)了近一倍。此外，雙層膜表現(xiàn)出良好的阻燃性能，可有效減緩熱失控蔓延。該工作為發(fā)展低成本、高性能的被動(dòng)式熱管理材料與技術(shù)提供了新思路。
本研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目、杰青項(xiàng)目、重大項(xiàng)目的資助。
王如竹教授和李廷賢研究員領(lǐng)銜的ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于解決能源、水、空氣領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過(guò)學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。近年來(lái)團(tuán)隊(duì)在Science、Nature Reviews Materials、Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Water、Nature Communications、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials等國(guó)際期刊上發(fā)表了系列跨學(xué)科交叉論文。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103602
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