CPCM电池热安全保护技术

阻燃复合相变材料(Flame-retardant composite phase change material (CPCM))作为一种有潜力的电池热安全保护技术，在电池热安全系统中得到了广泛的研究。

在了解复合相变材料之前，先了解下相变材料PCM。PCM可以利用潜热在相变过程中吸收大量的热量而不发生变化，可以实现对锂离子电池的冷却和温度控制。PCM的选择通常要考虑相变温度。由于锂离子电池的正常工作温度范围为20-50℃，因此适用于锂离子电池热管理系统的相变材料为无极相变材料和有机相变材料，主要包括盐水合物、石蜡、脂肪酸、聚乙二醇（PEG）等。

一.无机相变材料

无机相变材料包括熔盐、盐水合物、金属和合金。无机相变材料的能量密度明显高于有机相变材料。此外，与有机相变材料相比，无机相变材料通常具有优异的导热性。同时，各类无机相变材料具有较高的蓄热能力，工作温度范围广、温度高，能够适应各种应用场景。

1.1盐水合物

盐水合物通常是由盐和水分子结合成晶格结构。盐水合物加热到一定温度后，吸收热能，由固态转化为液态。当温度上升到熔融温度时，相变潜热被吸附，部分水分子从盐水合物中丢失和溶解。当发生相反的相变时，相变的潜热被释放。同时，具有熔点的盐水合物在室温到高温范围内均具有热稳定性，可多次相变循环而不会出现明显降解。此外，盐水合物具有低毒性和环境友好的特点，在安全性和可持续性方面适合于各种应用。此外，盐水合物是不可燃的，这提高了它们的安全性，适用于电池热管理系统。因此，盐水合物表现出一些理想的特性，以吸引热能储存和温度调节应用。高储能容量、明确的相变温度、热稳定性和环境兼容性等特点使其在各种行业和系统中都很有效。但是其存在两方面不足，会发生冷结晶和无机水合盐的析出。

1.2熔融盐

熔融盐（如NaNO₃-KNO₃共晶）潜热值高(>100 kJ/kg)，可在相变过程中吸收大量热量，有助于抑制电池温升，熔点可通过组分调节(如120–300°C)，适用于高温电池系统或极端环境热管理，并且熔融盐化学稳定性高，不易分解，适合长期循环使用。但是常见熔融盐凝固点在150°C以上，远高于锂离子电池安全工作温度(<60°C)，无法用于常规电池热管理，熔融盐热导率虽优于石蜡，但仍远低于金属基复合材料，需添加高导热填料（如石墨、金属泡沫）才能满足电池快速散热需求，此外熔融盐完全熔融后呈低黏度液体，存在泄漏风险，需额外封装结构（如微胶囊或金属壳），增加重量与体积。

二.有机相变材料

2.1石蜡

石蜡是有机PCMs的主要成员之一。它是由直链正构烷烃CH3-(CH2)n-CH3的混合物组成。石蜡的熔点相对较低，通常在25°C至64°C之间，使其成为一种适合用于热能储存和冷却管理的相变材料（PCM）。此外，石蜡易于成型，可与其他材料混合适应不同的应用场景。石蜡具有较高的潜热储存能力，其能量密度在200 ~ 250 kJ/kg之间。但是石蜡导热系数低、传热效率差、固液相变时体积膨胀、易发生泄漏和高温下易挥发和分解，这些缺点影响性能和安全也不能忽略。

2.2聚乙二醇（PEG）

其由末端羟基为线性二甲醚链组成。因此，PEG在水中与各种有机溶剂高度可溶。其溶解度随分子量和温度的变化而变化。同时，PEG表现出热塑性行为，可以反复熔融固化而不发生明显降解，适用于不同的结构要求。聚乙二醇的溶解度、生物相容性、低毒、低粘度、热塑性和适度的机械强度等特性使其成为一种多用途聚合物。但聚乙二醇会发生固-液相变导致泄漏和自身热导率较低的问题限制了其实际应用。

2.3脂肪酸

由长烃链两端各有一个羧酸基团(-COOH)组成的有机相变材料。脂肪酸一般不溶于水，但可溶于乙醇和氯仿等有机溶剂。与石蜡相比，脂肪酸是少数具有低过冷性的可再生pcm。它是指物料处于固态时低于熔点的温度。这个特性允许有效和可预测的相变行为。此外，脂肪酸可以被封装在合适的材料中，以防止泄漏，增强其稳定性和与不同体系的相容性。然而，脂肪酸在反复循环过程中会随着时间的推移发生降解和分离，这降低了热能储存能力，缩短了寿命，降低了潜力

小结：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。