上交大黄兴溢课题组：仿蜘蛛网导热结构相变复合材料用于电池热管理

图1. (a) 具有三维仿蜘蛛网状导热结构的相变复合材料的制备示意图；(b) 径向冷冻铸造原理示意图。

仿蜘蛛网状导热结构是由同心环状氧化石墨烯水凝胶通过径向冷冻铸造法制备得到，为了便于对比，水凝胶的原结构是通过单向冷冻干燥法处理得到。两种三维导热骨架的微观形貌如图2所示。

图1. (a-c, h) 同心环状导热结构与(e-f, i) 仿蜘蛛网状导热结构的SEM图像，以上形貌的观测部位见(g)中标识所示。

为了研究sw-GS骨架含量对相变材料性能的影响，作者制备了骨架含量分别为0.46、1.0、2.25 vol.%的复合相变材料，分别记为sw-GS/PW-0.46、sw-GS/PW-1.0和sw-GS/PW-2.25，并采用差示扫描量热法来研究材料的热性质。从图3a可以观察到，三种复合材料都具有两个与石蜡基体相似的特征峰，分别在50℃和30℃附近；而由表1可以得到与纯石蜡相比，复合材料的熔融热焓和凝固焓随着sw-GS含量的增加而稍稍下降，但仍然保持在较高的数值范围内，例如，当sw-GS含量为2.25 vol.%时，复合材料的熔融与凝固焓仍能保持基体的90%以上。此外，在加入sw-GS后，复合相变材料的熔融与凝固温度无明显变化。表明低含量的三维导热骨架对石蜡的相变行为影响较小。图3b与c分别表明了该复合相变材料具有良好的热稳定性和形状保持能力。

图3. (a) PW及sw-GS/PW的DSC曲线；(b) sw-GS/PW-2.25经升温、降温循环后的相对潜热变化，其中插图为sw-GS/PW-2.25经100次热循环后的 DSC 曲线；(c) PW和sw-GS/PW在65℃热台上的热稳定情况展示图。

表1. 石蜡及几种复合材料的热参数。

导热性能对相变材料的应用至关重要，因为高热导率有利于加快材料的相变过程，从而提高材料的能量储存与释放效率。为了更好地研究仿蜘蛛网状三维石墨烯骨架对石蜡导热性能的增强作用，作者制备了几种不同填料结构的复合材料，分别是RD/PW，GS/PW和sw-GS/PW。RD/PW是将sw-GS骨架碾碎成粉末后均匀分散于石蜡基体中制备得到；GS/PW的填料则是本工作中通过单向冷冻铸造制备的三维同心环状石墨烯骨架；sw-GS/PW则是本工作中采用径向冷冻铸造技术制备的仿蜘蛛网状三维石墨烯骨架。图4a-d表明，三维仿蜘蛛网状导热结构使得复合相变材料在低填料添加量下(2.25 vol.%)可达到较高的导热性能，其纵向和横向热导率分别可达2.58和1.78 W∙ m⁻¹ K⁻¹，远高于具有同含量的单取向填料骨架、随机分散填料体系的相变复合材料。这是由于sw-GS在横向方向上具有仿蜘蛛网状的纵横交错结构，这种结构大大提高了横向导热网络的密度，因此其复合材料导热系数最高；而同样具有三维导热骨架的GS/PW在该方向上却表现出较低的热导率，这可能是因为骨架 GS 在横向方向上填料间接触较少，无法形成高度互连的导热路径，故其横向热导率与 RD/PW相当。如图4e, f所示，与其他发表文献中报道的低填料含量(< 10 wt.%)的相变复合材料相比，sw-GS/PW-2.25具有较高的导热增强率(特别是在纵向上)和优异的潜热保留率。

图4. 石蜡及几种复合材料纵向方向上的(a) 导热系数和(b) 导热增强率；横向方向上的(c) 导热系数和(d) 导热增强率；sw-GS/PW-2.25与其他文献中的具有低填料含量(< 10 wt.%)的相变复合材料(e) 导热增强率、(f) 潜热保留率的比较。

IV 有限元模拟

图5. (a) 三种不同导热结构的相变复合材料的有限元模拟，左边的红线和右边的蓝线分别表示恒定的高温和低温；模拟三种具有不同导热结构的复合材料中的(b) 温度分布和(c) 热流分布。

V 电池热管理应用

图6. (a) 外部包覆相变材料的电池组件图；(b) 电路中裸电池及被包覆电池光学照片；(c) 裸电池及被包覆电池在运行过程中的红外热像图；(d) 裸电池及被包覆电池在运行过程中其表面温度变化曲线。