【研究背景】

相变材料能够有效降低锂离子电池在快速充电时产生的峰值热负荷，从而实现热量的快速耗散。具有快速散热、高温下良好的散热均匀性、低成本以及结构简单等诸多优点。然而，相变材料固有的低热导率限制了其热扩散速度，为克服这一限制，研究者通过将高导热填料引入相变材料中来提高其热导率。但在相变复合材料中，虽然可以通过提高导热填料的负载量来实现高功率密度下的热扩散，但这会导致相变成分占比降低，从而会大幅度降低相变复合材料的能量密度。因此，在相变复合材料中打破高功率密度和能量密度之间的权衡仍是一个挑战。

【工作介绍】

浙江大学高超教授、庞凯专职研究员团队设计了一种双曲面石墨烯气凝胶（HGA）作为高导热填料来制备解决高有效能量密度和功率密度之间矛盾的相变复合材料（PGC）。PGC在12.5 wt%的填料负载下显示出约30.75 W/mK的高热导率和90%的高潜热保持率。该工作以“High power and energy density graphene phase change composite materials for efficient thermal management of Li-ion batteries”为题发表在《Energy Storage Materials》期刊。

【工作亮点】

首次采用双曲面石墨烯气凝胶作为相变材料的导热填料，其独特的面面接触三维网络结构优化了传热路径，在仅12.5 wt%的低负载量下显著提高相变复合材料的热导率（30.75 W/mK），同时潜热保持率高达90%。PGC展现出1003 Wh/kg的超高有效能量密度和2927 W/kg的功率密度，将其应用于商业14500型锂离子电池的热管理系统，在10000次充放电循环后，PGC能够使电池组的温度始终稳定在约42℃的安全高效工作温度。本工作新颖的材料体系，有望解决传统相变复合材料设计中高功率和能量密度不匹配的导热瓶颈，为锂离子电池散热技术革新提供技术保障。

【主图概览】

图1 PGC用于锂离子电池组的热管理。（a）锂离子电池热失效过程中的三个阶段；（b）带有PGC热管理系统的锂离子电池组和（c）裸电池组示意图及其在30 A充放电循环期间对应的数码照片和热成像图。

图2 PGC材料的制备及特性。（a）PGC制备的示意图；（b）GO膜，以及（c）HGA实物图；（d）拱形PGC单体；（e）GO膜、（g）HGA和（i）PGC的横截面SEM图；（f）GO膜、（h）HGA和（j）PGC的表面SEM图。

图3 PGC的热学性能和电加热性能。（a）HGA负载量与PGC热导率之间的关系；（b）不同HGA负载量的PGC的DSC曲线；（c）PGC的潜热和比热随HGA负载量的变化；（d）与先前报道工作的潜热保持率与热导率的比较；（e）HGA负载量与PGC电导率之间的关系；（f）不同电流密度下PGC的温度上升曲线及其在0.75 A/cm²时的热成像图。

图4 PGC的有效能量密度和功率密度。（a）用于相变材料的有效能量密度和功率密度的原型测试装置及其相关参数；（b）输入功率为0.34 W时石蜡和PGC的温度上升曲线；（c）石蜡和PGC的有效能量密度与功率密度关系图，30 wt%时有效能量密度和功率密度的降低用虚线标出；（d）PGC的斜率（E/P）与HGA负载量的关系；（e）石蜡和含有12.5 wt% HGA填料的PGC的有效能量密度随厚度的变化。

图5 锂离子电池在高倍率充放电过程中的热管理性能。（a）裸电池组和PGC系统的温度上升曲线，容量倍率从2.75 C到3.75 C；（b）在3 C倍率下，裸电池组和PGC系统在10000次充放电循环期间的温度变化；（c）在10000次充放电循环期间，带有PGC系统的电池组的容量和库仑效率。

【核心结论】：

开发了一种高效的相变复合材料热管理系统，用于锂离子电池的保护，该系统采用了双曲面石墨烯气凝胶作为高导热填料，打破了相变复合材料中高有效能量密度和功率密度之间的权衡。这主要归功于其卓越的热导率（在仅12.5 wt%的填料负载下达到约30.75 W/mK）以及超高的潜热保持率（约90%），超过了大多数已报道的相变复合材料。证明了有效能量密度（与可用潜热相关）在不同的应用厚度下保持稳定，并且在相同的热输入速度（功率密度）下几乎是纯石蜡的三倍。这些卓越的特性使PGC能够有效抑制锂离子电池的热失控，实现了14500电池组在3.75 C倍率下可靠稳定的运行，工作温度始终低于50℃。即使在10000次快速充放电循环过程中，PGC系统仍能保持42℃的安全工作温度，并保持电池的稳定容量和库仑效率。

文章链接：

2025~张成奇~Energy Storage Materials.pdf