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复合相变材料用于锂离子电池热管理和热失控防护研究进展 被引量：2
1
作者 张新宇 罗声豪 +3 位作者 吴颖欣 刘针莹 张立志 凌子夜 《储能科学与技术》 北大核心 2025年第3期1040-1053,共14页
锂离子电池的性能和安全性对温度变化高度敏感。在低温环境下,电池容量衰减和充电效率显著降低,而高温运行时则加速性能退化并可能导致热失控。复合相变材料因其高效的热储存和温度调控能力,为电池全温域热管理提供了创新解决方案。在... 锂离子电池的性能和安全性对温度变化高度敏感。在低温环境下,电池容量衰减和充电效率显著降低,而高温运行时则加速性能退化并可能导致热失控。复合相变材料因其高效的热储存和温度调控能力,为电池全温域热管理提供了创新解决方案。在电池冷却方面,高焓值、高导热和柔性复合相变材料通过相变吸热使热量均匀分散,显著改善电池组的温度均匀性;在低温应用场景中,导电复合相变材料利用电热转换机制实现快速自加热,缓解低温对电池性能的限制;针对热失控风险,阻燃水合盐复合相变材料结合相变吸热与热分解吸热双重机制,有效抑制热量蔓延。本文综述了复合相变材料在电池冷却、加热及热失控防护中的应用策略,剖析了材料储热性能与热导率平衡对热管理效果的影响,并探讨了柔性、阻燃改性与化学储热机制的技术进展。当前研究需进一步提高材料的稳定性、经济性和工业化可行性,未来应重点发展多功能复合设计、智能响应技术以及规模化应用,以推动复合相变材料在动力电池热管理和热失控防护中的实际应用。 展开更多
关键词 锂离子电池 热管理 热失控 相变材料 复合材料
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相变储热的传热强化技术研究进展 被引量：32
2
作者 林文珠 凌子夜 +1 位作者 方晓明 张正国 《化工进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第9期5166-5179,共14页
相变储热技术具有储热密度大、相变温度稳定以及过程容易控制等优点,具有广泛应用前景。相变储热技术在应用中需完成热能的储存与释放过程,其传热特性直接决定应用效果。储热技术的传热强化主要包括三个方面:一是相变材料本身的导热强化... 相变储热技术具有储热密度大、相变温度稳定以及过程容易控制等优点,具有广泛应用前景。相变储热技术在应用中需完成热能的储存与释放过程,其传热特性直接决定应用效果。储热技术的传热强化主要包括三个方面:一是相变材料本身的导热强化;二是潜热型功能热流体的对流传热强化;三是储热器的传热强化。本文综述了国内外在相变储热技术的传热强化研究方面的进展,主要介绍了膨胀石墨、泡沫金属等复合相变材料的导热强化,相变微胶囊及相变微、纳米乳液潜热型功能热流体传热强化以及管壳式储热器、板式储热器、螺旋盘管储热器等储热器的传热强化。文章指出,膨胀石墨基复合相变材料具有高热导率、大储热密度以及良好的定型特性,且价格低廉,极具应用前景。纳米乳液功能热流体具有表观比热容大、流阻较小等优势,但存在稳定性较差、过冷度大等问题。板式储热器具有较大的传热面积、较高的传热功率,适宜应用于相变材料传热系统。但应用背景不同,针对不同场景提供不同储热器的选型及指导值得作进一步的研究。 展开更多
关键词 相变材料 储热技术 传热强化 储热器 潜热流体
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基于相变储热技术的电池热管理系统研究进展 被引量：16
3
作者 罗明昀 凌子夜 +1 位作者 方晓明 张正国 《化工进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第3期1594-1607,共14页
动力电池的最佳工作温度范围为20~50℃,因此热管理系统是其运行过程中不可分割的一部分。相变储热材料在发生相变时可以吸收或释放大量的热量并且温度基本保持不变,在电池热管理中得到广泛应用。本文综述了国内外基于相变储热技术的电... 动力电池的最佳工作温度范围为20~50℃,因此热管理系统是其运行过程中不可分割的一部分。相变储热材料在发生相变时可以吸收或释放大量的热量并且温度基本保持不变,在电池热管理中得到广泛应用。本文综述了国内外基于相变储热技术的电池热管理系统的研究进展,主要介绍了基于相变材料的被动式热管理系统、主动式热管理系统以及主动式和被动相结合的耦合式热管理系统。综合来看,复合相变材料形状稳定性好、热导率高,可以有效地降低电池组的温度,提高电池组的温度均匀性。导电复合相变材料的电热转换特性还可用于低温下快速加热电池,实现加热-冷却一体化。然而在相变材料被动式热管理系统中,相变材料吸收的热量无法及时释放出去,热量的堆积会造成系统失效。将主动散热技术与相变材料耦合得到的耦合式热管理系统具有更好的控温性能、稳定性和安全性。此外,相变乳液以及相变微胶囊浆液具有比热容大、可相变等优点,替代水作为电池热管理系统的冷却介质可以获得更好的温度均匀性和更低的功耗。但相变乳液本身的稳定性差、过冷度大等问题亟需解决。总之,电池在高温和低温下都需要进行有效地温控,相变材料如何解决电池全温度段的热管理还值得进一步研究。 展开更多
关键词 复合相变材料 动力电池 热管理系统 微通道冷却 相变乳液
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100Ah磷酸铁锂软包电池的热失控特性及产气行为
4
作者 叶锦昊 侯军辉 +4 位作者 张正国 凌子夜 方晓明 黄思林 肖质文 《储能科学与技术》 北大核心 2025年第2期636-647,共12页
本研究以100Ah磷酸铁锂软包电池为研究对象,通过侧面加热触发热失控,借助工业计算机断层扫描(CT)、扫描电子显微技术(SEM)、气相色谱仪(GC)等表征测试手段,系统分析了40%、60%、80%、100%SOC下电池的热失控特性和产气变化规律。结果表明... 本研究以100Ah磷酸铁锂软包电池为研究对象,通过侧面加热触发热失控,借助工业计算机断层扫描(CT)、扫描电子显微技术(SEM)、气相色谱仪(GC)等表征测试手段,系统分析了40%、60%、80%、100%SOC下电池的热失控特性和产气变化规律。结果表明,电池热失控的过热触发可细分为四个阶段:过热温度升高、副反应膨胀产气、隔膜收缩与破裂冒烟、热失控引起剧烈温升和产气。进一步计算了产热能量,发现100%、80%、60%、40%SOC电池的峰值产热率分别达到140.34、115.44、14.76和3.91 kW,且100%SOC时释放的能量相当于104.63 g三硝基甲苯(TNT)的能量,破坏半径达到5.90 m,相比40%SOC的危险性提升了64.3%。对热失控后电池材料表征发现,正极磷酸铁锂材料从方块状转变为团聚的不规则球状,负极石墨结构则从层状转变为团聚的球形颗粒,这归因于内部副反应的加剧。通过对比产气特性发现,SOC的增加导致电池产H2量增加,CO_(2)量下降,各SOC下电池产气的爆炸风险均高于普通烃类气体,爆炸上限呈现先下降后上升的变化趋势。本研究结果对后续储能系统的安全设计提供了理论依据和实践指导。 展开更多
关键词 大容量 热失控 磷酸铁锂软包电池 残骸特征 产气
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相变蓄冷材料及系统应用研究进展 被引量：9
5
作者 汤磊 曾德森 +2 位作者 凌子夜 张正国 方晓明 《化工进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第8期4322-4339,共18页
相变蓄冷技术利用相变材料在相变时伴随着的吸热或放热过程对能量进行储存和应用,起到控制温度、降低能耗和转移用能负荷的作用。本文综述了相变温度在25℃以下的相变蓄冷材料及其在不同应用场景的筛选依据,介绍了相变蓄冷材料在食品医... 相变蓄冷技术利用相变材料在相变时伴随着的吸热或放热过程对能量进行储存和应用,起到控制温度、降低能耗和转移用能负荷的作用。本文综述了相变温度在25℃以下的相变蓄冷材料及其在不同应用场景的筛选依据,介绍了相变蓄冷材料在食品医疗冷链物流、建筑节能控温与数据中心应急冷却、人体热管理和医疗保健的相变纺织品等领域的应用。从调节相变蓄冷材料相变温度、过冷度、热导率和循环稳定性等方面总结了材料热物性的调控策略,分析了不同调控策略存在的优缺点,指出相变蓄冷系统可通过增强蓄冷系统热导率和强化传热结构来改善普通材料传热性能差的问题。最后从复合相变材料制备到系统设计优化和应用场景拓展等方面对相变蓄冷技术研究方向进行了展望。 展开更多
关键词 相变蓄冷材料 相变蓄冷系统 复合相变材料 热物性
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相变热界面材料导热增强及定形改善的研究进展 被引量：3
6
作者 蔡楚玥 方晓明 +1 位作者 凌子夜 张正国 《化工进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第9期4907-4917,共11页
将相变时伴随潜热的相变材料(phase change material,PCM)特别是潜热值较大的固-液PCM引入热界面材料(TIM)领域,有望获得兼具储热和导热双功能的新型热界面材料——相变热界面材料(phase change thermal interface material,PCTIM)。然... 将相变时伴随潜热的相变材料(phase change material,PCM)特别是潜热值较大的固-液PCM引入热界面材料(TIM)领域,有望获得兼具储热和导热双功能的新型热界面材料——相变热界面材料(phase change thermal interface material,PCTIM)。然而,鉴于固-液相变材料的热导率普遍较低且存在液相流动泄漏问题,使得增强热传导并同时提升固-液相变材料的定形性成为研制高性能相变热界面材料(PCTIM)的关键。本文系统评述了国内外研究者在提升相变热界面材料热导率以及改善其定形性方面的策略及其研究进展。文中指出,目前强化PCTIM导热的手段主要有添加高导热填料、促使填料有序结构化以及使用低熔点金属等。在改善定形性方面,已运用的策略主要包括使用柔性载体负载固-液PCM以在保证一定柔性的基础上克服其液相泄漏问题,使用固-固PCM来取代固-液PCM来彻底避免液相泄漏问题的出现,以及将固-液PCM封装在微米级或纳米级胶囊内,旨在牺牲借助液相PCM增加柔性的功能,而且通过提高PCTIM的潜热值来提升其抗热流冲击性能。文章指出,当前已研制的PCTIM热导率还较低,储热和导热这两个特性对其散热性能的协同影响机制缺乏深入了解。今后,需要探索研制高性能PCTIM的新策略,以期获得定形性好、热导率高、界面热阻小且潜热值大的PCTIM,从而满足5G通信等高热流密度芯片的散热需求。 展开更多
关键词 电子材料 界面 复合材料 热传导 相变 焓 纳米材料
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CNTs阵列增强石蜡/硅橡胶复合相变垫片的散热性能研究 被引量：3
7
作者 蔡楚玥 方晓明 +1 位作者 张正国 凌子夜 《化工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第7期2874-2884,共11页
电子技术的高速发展对散热技术提出了更高的要求,热界面材料作为散热技术的关键材料之一,面临着提高热导率以及减小传热热阻的挑战。将垂直碳纳米管阵列(VACNTs)和固-液相变材料石蜡(PA)与硅橡胶(SR)复合,研制了一种新型VACNTs/PA/SR复... 电子技术的高速发展对散热技术提出了更高的要求,热界面材料作为散热技术的关键材料之一,面临着提高热导率以及减小传热热阻的挑战。将垂直碳纳米管阵列(VACNTs)和固-液相变材料石蜡(PA)与硅橡胶(SR)复合,研制了一种新型VACNTs/PA/SR复合相变垫片。研究表明,通过磁场校准方法可以使表面改性的镀镍多壁CNTs在SR中实现垂直定向排列,所得VACNTs/SR垫片较CNTs随机排列的垫片具有更高的热导率,并确定VACNTs/SR垫片中CNTs的适宜含量为6%(质量),对应垫片的热导率可达0.71 W/(m·K)。对于固定CNTs含量为6%(质量)但PA含量不同的一系列VACNTs/PA/SR相变垫片,PA的添加量不大于12.5%(质量)时,相变垫片克服了液态PA的泄漏问题;相变垫片在PA发生固-液相变后表现出硬度显著下降,热阻减少可达55.14%,并具备优异的热可靠性。将最佳VACNTs/SR垫片样品及最佳VACNTs/PA/SR相变垫片样品进行散热性能对比发现,与使用VACNTs/SR垫片的情况相比,使用VACNTs/PA/SR相变垫片时的模拟芯片不仅在温度上升阶段的升温速率更小,而且当芯片温度达到平衡后对应的平衡温度也更低,降低了3.5℃,显示出更好的散热性能。VACNTs/PA/SR相变垫片优良的特性和散热性能使其在电子设备散热领域具有良好的应用前景。 展开更多
关键词 碳纳米管 相变 热阻 热界面材料 传热 电子材料
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相变乳液的研究进展 被引量：3
8
作者 冯锦新 凌子夜 +1 位作者 方晓明 张正国 《储能科学与技术》 CAS CSCD 北大核心 2022年第6期1968-1979,共12页
相变乳液是一种具有高储热密度、良好流动性和优异传热性能的潜热型功能热流体,在热能储存及热管理领域受到广泛关注。本文对相变乳液的研究现状进行了综述,系统性地介绍了相变乳液的类型及其制备方法,重点分析了相变乳液过冷度高、稳... 相变乳液是一种具有高储热密度、良好流动性和优异传热性能的潜热型功能热流体,在热能储存及热管理领域受到广泛关注。本文对相变乳液的研究现状进行了综述,系统性地介绍了相变乳液的类型及其制备方法,重点分析了相变乳液过冷度高、稳定性差的瓶颈问题及其解决策略,并对现有的应用研究进行了归纳。分析表明选用特殊长链乳化剂是降低乳液过冷度的优选方法,提高乳液稳定性需考虑多因素的相互影响。相变乳液在实际应用中展示出比水更高的热能储存容量及更优的冷却性能。预测开发功能化的新型相变乳液,并拓展其应用新领域可能成为未来的发展趋势。 展开更多
关键词 相变乳液 稳定性 过冷 热能储存 热管理
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双螺旋盘管内膨胀石墨对相变材料的传热强化机制与蓄放热性能 被引量：1
9
作者 郭艳芹 曾镇 +3 位作者 张弘光 凌子夜 张正国 方晓明 《储能科学与技术》 CAS CSCD 北大核心 2023年第12期3678-3689,共12页
本工作提出了一种双螺旋盘管与膨胀石墨强化传热的相变蓄热器结构,通过建立双螺旋管相变蓄热器模型,模拟了双螺旋管的螺距、材料热物性对蓄放热性能的影响规律。探讨了限制空间下相变材料自然对流与材料导热增强在传热强化过程中的控制... 本工作提出了一种双螺旋盘管与膨胀石墨强化传热的相变蓄热器结构,通过建立双螺旋管相变蓄热器模型,模拟了双螺旋管的螺距、材料热物性对蓄放热性能的影响规律。探讨了限制空间下相变材料自然对流与材料导热增强在传热强化过程中的控制作用。结果表明,在加工螺距限制条件下,减小螺距及增加螺旋数可以提升蓄热器放热性能。膨胀石墨可以提升相变材料热导率,同时会导致材料黏度增大,因此添加膨胀石墨能增强蓄热器的导热换热,但抑制自然对流换热。通过对比分析发现,在限制空间下材料的导热增强带来的传热强化程度能够弥补由于材料自然对流不足导致的传热损失。因此,本工作揭示了相变蓄热器传热强化的控制步骤在于材料热导率强化。基于实验和仿真结合的方式,本工作设计了一款用于加热生活热水的蓄热器结构,验证了所设计的蓄热器在宽进口温度、进口流量等操作工况下具有优异的放热性能。该蓄热器与电加热器相结合,能够在电热功率小于2200 W的条件下实现热水加热功率超3500 W,突破了家用电热设备的功率限制。 展开更多
关键词 双螺旋管 相变蓄热器 数值模拟 导热增强 自然对流
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含石蜡@二氧化硅纳米胶囊和碳纤维的相变热界面材料及其散热性能 被引量：1
10
作者 尹驰 张正国 +1 位作者 凌子夜 方晓明 《化工学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第4期1795-1804,共10页
含有相变材料的热界面材料(即相变热界面材料)可借助相变材料的吸热来直接缓解高热通量对芯片造成的冲击。将相变胶囊与导热填料复配引入聚合物基料有望获得可靠性好的相变热界面材料。将石蜡@二氧化硅纳米胶囊与碳纤维复配,制备了一系... 含有相变材料的热界面材料(即相变热界面材料)可借助相变材料的吸热来直接缓解高热通量对芯片造成的冲击。将相变胶囊与导热填料复配引入聚合物基料有望获得可靠性好的相变热界面材料。将石蜡@二氧化硅纳米胶囊与碳纤维复配,制备了一系列含不同质量分数碳纤维和纳米相变胶囊的聚二甲基硅氧烷基相变热界面材料样品,测定了它们的相变特性、热导率和硬度,并将它们分别用于模拟芯片散热来评价其应用性能。结果表明,碳纤维含量的增大致使相变热界面材料样品的热导率和硬度上升,而纳米相变胶囊含量的上升带来相变热界面材料的熔化焓上升及硬度下降,从而都对相变热界面材料的散热性能产生影响。石蜡@二氧化硅纳米胶囊和碳纤维的协同作用致使在所有制备的样品中纳米胶囊含量34%(质量)和碳纤维含量9%(质量)的相变热界面材料取得了最佳散热性能。此外,该相变热界面材料还具有优异的热可靠性,因而具备应用前景。 展开更多
关键词 相变热界面材料 纳米胶囊 碳纤维 聚二甲基硅氧烷 芯片散热
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