CN113097604A - 一种具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件及其制备方法。所述石墨烯散热组件包括由上至下依次连接的顶层石墨片、石墨海绵复合圆筒、和底层石墨片；所述石墨海绵复合圆筒包括改性圆筒海绵和包覆石墨片，所述包覆石墨片卷绕包裹于所述改性圆筒海绵表面。所述电动汽车专用石墨烯散热组件，其海绵微孔结构可以吸收外部冲击力，保护电动汽车的电池组件；同时，填充于海绵微孔中的石墨烯能传导热能，降低电池组的热阻及提高散热性与均温性，解决由此产生的热聚集，从而防止汽车自燃或内阻增加的情况。
Description
技术领域
本发明属于散热材料制造领域，具体涉及一种具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件及其制备方法。
背景技术
受到车内电子化、安全性的趋势之下，加上5G时代的来临，更多的数据量足以被传输与运算，意味着车用半导体的市场也逐年扩大，包含未来ADAS、自动驾驶等也驱使更多应用与感应组件的需求。电动汽车的盛行，自动驾驶、高续航旅程的电动车等新世代产业大趋势，随着电池电压和功率不断增加，电池组的热量迅速积累、增加，日益显现出热量如何发散的问题而直接影响CPU、GPU、备援***等的散热模块的稳定度。对于新能源汽车来讲由于其能量来源及汽车发动结构与传统汽车存在差异，因此其热管理的重点对象也有所不同，除了车身空调***，还包括电池包管理***，电机电控管理***等，整个新能源热管理***的价值量得到提升。
新能源热管理***对部件的功能提出了更高核心的要求，不仅要求降温，更要求部件保持温度的均衡性。电池的适宜温度约在10～40℃之间，过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减,对续航和电池寿命，甚至电动汽车的安全性有决定性的影响。石墨烯及其复合材料散热片具有许多非常优异的散热特性，例如人造石墨膜，其xy方向热传导率高达1600W/mK，密度约为1.6～1.9g/cm3。但石墨烯及其复合材料散热片的缺点是太薄。以目前的技术最厚也只能做到百微米级别，且结构为平面结构，无法提供如海绵结构般的缓冲功能，这种厚度及结构的散热片无法克服动力电池在车辆行驶时所产生振动。振动容易使动力电池内部结构产生冲击造成电池短路。同时大功率的电池组热能累积上限较高，如此薄及平面结构的散热片无法使动力电池的总温度下降到一个令人满意的绝对安全值。
当电动汽车的电池模块被加热达到一定温度(90～120℃)时，温度会因为化学不稳定性开始急遽上升，尤其电动汽车锂电池组在受到颠簸、撞击或本身因一致性偏差不稳定时，锂电池短路或电压不平衡时瞬间释放大量热量，此现象称作热失控，发生热失控时电池所喷出之气体会产生闪燃的现象，进而产生火焰，烧毁电池甚至车子，产生安全性之巨大隐忧。
故基于此，提出本发明技术方案。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件及其制备方法。本发明所述电动汽车专用石墨烯散热组件可以解决锂电池由此产生的热聚集，进行散热与均温处理；从而防止汽车自燃或内阻增加的情况。
本发明的方案是，提供一种具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件，包括由上至下依次连接的顶层石墨片、石墨海绵复合圆筒、和底层石墨片；所述石墨海绵复合圆筒包括改性圆筒海绵和包覆石墨片，所述包覆石墨片卷绕包裹于所述改性圆筒海绵表面。
基于相同的技术构思，本发明的再一方案是，提供一种具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件的制备方法，包括如下步骤：
(i)将石墨烯浆料、水性树脂和分散剂调配，得混合浆料；
(ii)取发泡海绵依次清洗、干燥，得净海绵；再将净海绵浸渍于所述混合浆料，依次经水热自组装及还原、真空冷冻干燥和微波处理，得改性圆桶海绵；
(iii)将包覆石墨片通过导热胶卷绕粘结于所述改性圆桶海绵表面，形成石墨海绵复合圆筒；
(iv)将所述石墨海绵复合圆筒上层和下层分别与顶层石墨片和底层石墨片粘结，即得所述电动汽车专用石墨烯散热组件。
优选地，步骤(i)中，所述石墨烯浆料的固含量为1～20wt.％。
优选地，步骤(i)中，所述水性树脂为纤维素、改性聚丁二烯树脂、环氧树脂、醇酸树脂、氨基树脂、聚酯树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、有机氟树脂中的一种或两种以上的组合。
优选地，步骤(i)中，述分散剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、羟甲基纤维素钠、磷酸二氢钠、三聚磷酸钠中的一种或两种以上的组合。
优选地，步骤(ii)中，所述发泡海绵的材料为聚氨酯、聚乙烯、聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚酰亚胺、三元乙丙橡胶、氯丁二烯橡胶、丁晴橡胶、苯乙烯丁二烯橡胶或硅胶中的一种。
优选地，步骤(ii)中，所述微波处理的功率为500～600W。
优选地，步骤(ii)中，所述微波处理的时间为30～60s。
其中，微波处理采用微波化学反应器，其搭配自动进出料***且设备传送部分采用铁氟龙输送带，能够避免腐蚀以及灰分等不纯物产生，实现连续化且大规模生产，产能高；内部为达到密封效果，采用耐高温石英盒，在入料口处配置氮气注入口，并设置一段空气抑制器防止空气流入，运作时形成气体覆盖，腔体外壁采用循环冷却水管覆盖，降低外壁的温度。最终能生产出直径为20mm，长度任意可调的改性圆桶海绵。
优选地，步骤(ii)中，所述改性圆桶海绵的导热系数为10～200W/(m·k)。
优选地，步骤(iii)中，所述顶层石墨片和底层石墨片的厚度为25～30μm。
基于相同的技术构思，本发明再提供一种所述石墨烯散热组件与电动汽车电池的配合使用方法：将电动汽车电池的上层与下层，分别配合装配所述石墨烯散热组件即可，如图2所示。
本发明的有益效果为：
本发明所述电动汽车专用石墨烯散热组件，其海绵微孔结构可以吸收外部冲击力，保护电动汽车的电池组件；同时，填充于海绵微孔中的石墨烯能传导热能，降低电池组的热阻及提高散热性与均温性，解决由此产生的热聚集，从而防止汽车自燃或内阻增加的情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件的结构示意图。
图2是所述石墨烯散热组件与电动汽车电池的装配示意图。
图3是实施例1所得电动汽车专用石墨烯散热组件的“压力-热阻”关系图。
图4是实施例1所得电动汽车专用石墨烯散热组件的“压力-可压缩性”关系图。
图中附图标记为：
1-顶层石墨片；2-石墨海绵复合圆筒；21-改性圆筒海绵；22-包覆石墨片；3-底层石墨片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件的制备方法，包括如下步骤：
(i)将单层率为60％，固含量为1wt.％的石墨烯浆料、醇酸树脂和聚乙二醇调配，得混合浆料；
(ii)将聚氨酯发泡海绵采用乙醇、纯水进行超声清洗，干燥后，得净海绵；再将净海绵浸渍于所述混合浆料，依次经水热自组装及还原、真空冷冻干燥和微波处理(功率为500W，处理时间30s)，得直径为20mm的改性圆桶海绵；
(iii)将厚度为25μm的单层包覆石墨片通过导热胶卷绕粘结于所述改性圆桶海绵表面，形成石墨海绵复合圆筒；
(iv)取5个所述石墨海绵复合圆筒，使其为一个整体，上层和下层分别与厚度为25μm的顶层石墨片和厚度为25μm的底层石墨片粘结，即得所述电动汽车专用石墨烯散热组件。
实施例2
本实施例提供一种具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件的制备方法，包括如下步骤：
(i)将单层率为99％，固含量为20wt.％的石墨烯浆料、环氧树脂和聚乙烯吡咯烷酮调配，得混合浆料；
(ii)将聚酰亚胺发泡海绵采用乙醇、纯水进行超声清洗，干燥后，得净海绵；再将净海绵浸渍于所述混合浆料，依次经水热自组装及还原、真空冷冻干燥和微波处理(功率为600W，处理时间60s)，得直径为20mm的改性圆桶海绵；
(iii)将厚度30μm的单层包覆石墨片通过导热胶卷绕粘结于所述改性圆桶海绵表面，形成石墨海绵复合圆筒；
(iv)取5个所述石墨海绵复合圆筒，使其为一个整体，上层和下层分别与厚度为30μm的顶层石墨片和厚度为30μm的底层石墨片粘结，即得所述电动汽车专用石墨烯散热组件。
实施例3
本实施例提供一种具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件的制备方法，包括如下步骤：
(i)将单层率为80％，固含量为10wt.％的石墨烯浆料、氨基树脂和十二烷基硫酸钠调配，得混合浆料；
(ii)将三元乙丙橡胶发泡海绵采用乙醇、纯水进行超声清洗，干燥后，得净海绵；再将净海绵浸渍于所述混合浆料，依次经水热自组装及还原、真空冷冻干燥和微波处理(功率为550W，处理时间45s)，得直径为20mm的改性圆桶海绵；
(iii)将厚度27μm的单层包覆石墨片通过导热胶卷绕粘结于所述改性圆桶海绵表面，形成石墨海绵复合圆筒；
(iv)取5个所述石墨海绵复合圆筒，使其为一个整体，上层和下层分别与厚度为27μm的顶层石墨片和厚度为27μm的底层石墨片粘结，即得所述电动汽车专用石墨烯散热组件。
对实施例1所得电动汽车专用石墨烯散热组件进行“压力与热阻”关系、“压力与可压缩性”关系的测定，结果分别如图3和图4所示。
由图3可知：散热组件的热阻随压力值的增加而减小，且热阻为0.2～0.4℃/W，热阻低，散热性能优异。
可压缩性＝(原体积-压缩后体积)÷原体积×100％，由图4可知，散热组件在外界压力下具有高压缩性，可在较大压力范围内进行缓冲。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件，其特征在于，包括由上至下依次连接的顶层石墨片(1)、石墨海绵复合圆筒(2)、和底层石墨片(3)；所述石墨海绵复合圆筒(2)包括改性圆筒海绵(21)和包覆石墨片(22)，所述包覆石墨片(22)卷绕包裹于所述改性圆筒海绵(21)表面。
2.权利要求1所述具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(i)将石墨烯浆料、水性树脂和分散剂调配，得混合浆料；
(ii)取发泡海绵依次清洗、干燥，得净海绵；再将净海绵浸渍于所述混合浆料，依次经水热自组装及还原、真空冷冻干燥和微波处理，得改性圆桶海绵(21)；
(iii)将包覆石墨片(22)通过导热胶卷绕粘结于所述改性圆桶海绵(21)表面，形成石墨海绵复合圆筒(2)；
(iv)将所述石墨海绵复合圆筒(2)上层和下层分别与顶层石墨片(1)和底层石墨片(3)粘结，即得所述电动汽车专用石墨烯散热组件。
3.根据权利要求2所述具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件的制备方法，其特征在于，步骤(i)中，所述石墨烯浆料的固含量为1～20wt.％。
4.根据权利要求2所述具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件的制备方法，其特征在于，步骤(i)中，所述水性树脂为纤维素、改性聚丁二烯树脂、环氧树脂、醇酸树脂、氨基树脂、聚酯树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、有机氟树脂中的一种或两种以上的组合。
5.根据权利要求2所述具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件的制备方法，其特征在于，步骤(i)中，述分散剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、羟甲基纤维素钠、磷酸二氢钠、三聚磷酸钠中的一种或两种以上的组合。
6.根据权利要求2所述具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件的制备方法，其特征在于，步骤(ii)中，所述发泡海绵的材料为聚氨酯、聚乙烯、聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚酰亚胺、三元乙丙橡胶、氯丁二烯橡胶、丁晴橡胶、苯乙烯丁二烯橡胶或硅胶中的一种。
7.根据权利要求2所述具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件的制备方法，其特征在于，步骤(ii)中，所述微波处理的功率为500～600W。
8.根据权利要求2所述具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件的制备方法，其特征在于，步骤(ii)中，所述微波处理的时间为30～60s。
9.根据权利要求2所述具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件的制备方法，其特征在于，步骤(ii)中，所述改性圆桶海绵的导热系数为10～200W/(m·k)。
10.根据权利要求2所述具有低热阻、高压缩性、缓冲功能的电动汽车专用石墨烯散热组件的制备方法，其特征在于，步骤(iii)中，所述顶层石墨片和底层石墨片的厚度为25～30μm。
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