CN116462954A - 一种双网络电池热管理材料及其制备方法 - Google Patents

一种双网络电池热管理材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电池热管理材料领域，具体公开一种双网络电池热管理材料，包括第一导热复合网络含高分子基体材料和各向异性导热填料，所述第二热复合网络包括各向同性导热填料和高分子基体材料；所诉的第一导热网络和第二导热网络相互穿插。该双网络电池热管理材料的制备方法具有较高热传导性，较高的热储存能力和优异的绝缘性能。本发明还提供了一种双网络电池热管理材料的制备方法。

Description

一种双网络电池热管理材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电池热管理材料领域，具体涉及一种双网络电池热管理材料及其制备方法。
背景技术
新能源汽车的到来，为满足日益增加的续航需求，电池的功率密度越来越大，面对电池散热和蓄热问题提出了更高的要求。因此设计高效的热管理材料非常重要。
传统散热电池散热材料通常选用金属复合材板，专利号为CN202110203413.X的中国专利公开一种电池热管理装置和控制方法，主要包括冷却液、热管热端、多层隔热组件、热管中间段和热管冷端；主要有热管理装置、热管理出水管道、水泵、各支路控制阀、单支路各电池包控制阀和热管理回水管道。通过控制电路调整电池散热功率，属于被动热处理过程。同时上述专利中所使用的铝制散热封盖。但在应用中，由于电池元件封装需要绝缘和柔性等条件，限制了传统封装材料的应用。
近年来，通过聚合物纳米工程，在聚合物中添加高导热填料，制备具有高导热材料来封装高功率的电池。因为限制了声子或者电子的散射并获得超高的声子或者电子速度，这些纳米填料具有超高的热导率。例如金刚石的热导率达到1000~5000 W·m-1·K-1，氮化硼纳米片的面内热导率达到2000W·m-1·K-1，而且氮化硼纳米片和金刚石呈现优异的电绝缘性和低介电常数，这些性能可使材料应用于复杂且高能量的集成电路电池热管理领域。因此，氮化硼纳米片获得学术和产业上的关注。
专利公开号为CN109627471A的中国专利公开了一种高导热柔性膜的制备方法及其应用，将高导热的BNNS羟基化后制成分散液，同时将纳米纤维素分散制备分散液，随后将羟基化的氮化硼分散液与纤维素的分散液混合，得到均一的分散液，最通过真空辅助过滤自主装的方法除去水分的同时使得氮化硼片规整排列，最后在室温下晾干，得到羟基化氮化硼纳米纤维素散热薄膜，但是盖薄膜在面内的高导热只能具有一定的匀热效果，散热小效果较差，在面对高功率密度的电池失稳事件导致的高热量散播依然乏力，不具备对电池突然升温时的热缓冲能力。
因此亟需设计一种同时具有较高的传热性能，恩恩兼具高的潜热性能，可以在面临突发的高热量，将电池温度及时吸收缓冲，实现电池的高效热管理。
发明内容
针对上述情况，本发明的目的在于：提供一种具有较高热传导性，高潜热性能的双网络电池热管理材料。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：提供一种双网络电池热管理材料及其制备方法；所述双网络电池热管理材料，包括第一导热复合网络与第二导热复合网络，其中，所述第一导热复合网络包括高分子基体材料和各向异性导热填料；所述第二导热复合网络包括各向同性导热填料和高分子基体材料，第二导热网络穿插于第一导热复合网络。
所述各向异性导热填料呈网状结构。
所述各向异性导热填料为二维材料，优选石墨烯、氮化硼纳米片及氧化铝片。
所述导热填料粘接剂为高分子基体材料，选用纤维素、聚乙烯醇等水性高分子。
所述各向同性导热填料为氧化铝、金刚石或氧化镁。
所述填充基体为石蜡、聚乙二醇等相变高分子材料。
所述各向异性导热填料的粒径为3~15 μm，填料尺寸厚度过大，三维网络的结构难以构筑，降低材料的导热率，尺寸过小的时候时使得接触面较少，填料之间的接触热阻增加，从而降低材料的导热率。
所述各向同性导热填料的粒径为0.3~1.5 μm，填料尺寸过大，无法与聚乙二醇，石蜡等高分子材料混匀并灌入第一网络中，从而使材料内部留下多孔，降低材料的导热率；材料尺寸过小，则会引入较多的界面热阻，也会降低材料的导热率。
进一步的，所述各向同性导热填料为球形氧化铝或类球形金刚石粉末，所述各向异性导热填料为氮化硼纳米片或氧化铝片，所述导热填料与高分子混合后的粘度不能过高，须具有一定的流动性。
本发明通过构筑各向异性二维材料的三维导热网络，在材料的内部构筑了精准的导热网络，以实现热量均热快速的传导；此外，三维结构的稳定性，使得复合材料在吸热时具有较好的形状稳定性；本发明通过各向同性的导热填料与相变材料混合，再灌入三维网络中，构筑了各向同性的第二导热通路，同时相变材料的灌封，使其面对电池失稳产生的高热量时，可以快速吸收，以提升电池热管理效率。
本发明还提供了一种双网络电池热管理材料的制备方法，具体操作如下：
（1）将所述各向异性导热填料和所述粘接剂溶液混合、超声得到混合溶液A；
（2）将所述混合溶液A置于聚四氟乙烯模具中，-50℃以下冷冻成块，在冻干机中低于25 Pa冻干48 h得到预制体C；
（3）将各向同性的导热填料和填充基体混合后再采用真空浸渍，灌入预制体C中，得到双网络电池热管理材料；
所述模具高度1~3厘米，预制体厚度1~3厘米。
步骤（1）中，所述各向异性导热填料和基体的质量比为7:1~9.5:1。
步骤（3）中，所述各向同性导热填料和基体的质量比为0.5:1~3:1。
在制备混合溶液的超声过程时能够加入表面改性剂，所述表面改性剂为多巴胺或环氧氯丙烷。
所述表面改性剂在混合溶液A不超过0.1 wt%。
采用冻干的方法，可以使各向异性的导热填料连接成网络的结构，与直接混合相比较，可以使材料具有更高的导热率。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明制备的电池热管理材料，首先构筑三维的导热网络，提高材料的传热效率，同时采用灌注方法和各向同性的导热填料构筑第二导热网络，基于面外的各向异性导热填料与面内的各向同性导热填料双网络的搭桥连接作用，使得导热填料之间补全了导热通路，从而在纵向上具有较高的导热率。本发明制备的薄膜的导热率为5~10 W·m-1·K-1；
（2）本发明基于双网络对相变材料的封装作用，降低了电池热管理材料的泄露，使得电池热管理材料具有较高的潜热性能，从而达到本发明制备的电池热管理材料面对高温时具有较好的缓冲作用，达到及时吸收热量目的，本发明制备电池热管理材料的潜热为111.7~180.5 J·g-1，断裂同时可维持1000次循环测试，最大体积电阻为5×1013Ω·cm。
具体实施方式
本发明通过ASTM E1461-2013测试方法测量各个实施例中制备的双网络电池热管理材料的导热率；通过GBT228-2002方法测量各个实施例中制备的双网络电池热管理材料的体积电阻；通过DB61/T1090-2017B方法测量各个实施例中制备的双网络电池热管理材料的潜热。
实施例1
原料：将0.5g的纤维素分散在水中形成纤维素（1 wt％）溶液50 g，氮化硼纳米片0.7~1.5g，氧化铝球2~3g，聚乙二醇100g。
首先，将纤维素溶液 10g ，氮化硼纳米片0.9 g，水10mL 混合均匀，并在150 W的水浴超声30 min，混合均匀溶液A，并将溶液A倒入聚四氟乙烯模具中形成凝胶；然后将装有溶液A的聚四氟乙烯模具置于-70℃的低温浴中冷冻成块，最后将冷冻后的聚四氟乙烯模具放入冻干机中低于25 Pa冻干48h得到预制体B。
将100g聚乙二醇在85℃熔化，随后加入2g氧化铝混合后得到悬浮液C，在真空中将预制体B浸渍在C中，抽真空5h得到双网络电池热管理材料。材料热导率为7.5W·m-1·K-1，同时可维持1000循环叠测试，体积电阻为3.7×1013Ω·cm。
实施例2
原料：将0.5g的纤维素分散在水中形成纤维素（1 wt％）溶液50 g，氮化硼纳米片0.7~1.5g，金刚石2~3g，石蜡100g。
首先，将纤维素溶液 10g ，氮化硼纳米片0.9 g，水10mL 混合均匀，并在150 W的水浴超声30 min，混合均匀溶液A，并将溶液A倒入聚四氟乙烯模具中形成凝胶；然后将装有溶液A的聚四氟乙烯模具置于-70℃的低温浴中冷冻成块，最后将冷冻后的聚四氟乙烯模具放入冻干机中低于25 Pa冻干48h得到预制体B。
将100g石蜡55℃熔化，随后加入2g金刚石混合后得到悬浮液C，在真空中将预制体B浸渍在C中，抽真空5h得到双网络电池热管理材料。材料热导率为8.5W·m-1·K-1，同时可维持1000循环叠测试，体积电阻为5×1013Ω·cm。
对比例1
原料：将0.5g的纤维素分散在水中形成纤维素（1 wt％）溶液50 g，氮化硼纳米片0.7~1.5g，金刚石2~3g，聚乙二醇100g。
首先，将纤维素溶液 10g，氮化硼纳米片0.9 g，水10g混匀得到悬浮液A,随后加热A至80℃待用；再将聚乙二醇100g在80℃的烘箱中熔化，加入3g金刚石粉体，得到悬浮液B，将A和B共混冷却得到普通电池热管理材料。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围。

Claims (6)

1.一种双网络电池热管理材料，其特征在于，包括：
第一导热复合网络，所述第一导热复合网络包括高分子基体材料和各向异性导热填料；
第二导热复合网络，所述第二导热复合网络包括各向同性导热填料和高分子基体材料，第二导热网络穿插于第一导热复合网络；
所述各向异性导热填料呈网状结构；
所述各向异性导热填料为石墨烯、氮化硼纳米片及氧化铝片中的任意一种；
所述高分子基体材料为纤维素、聚乙烯醇为导热填料粘接剂，聚乙二醇、石蜡为填充基体；
所述各向同性导热填料为氧化铝、金刚石或氧化镁中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的双网络电池热管理材料，其特征在于，所述各向异性导热填料的粒径为3~15 μm。
3.根据权利要求1所述的双网络电池热管理材料，其特征在于，所述各向同性导热填料的粒径为0.5~1.5 μm。
4.根据权利要求1~3任一项所述的双网络电池热管理材料的制备方法，其特征在于，包括：
（1）将所述各向异性导热填料和所述粘接剂溶液混合、超声得到混合溶液A；
（2）将所述混合溶液A置于聚四氟乙烯模具中，-50℃以下冷冻成块，在冻干机中低于25Pa冻干48 h得到预制体C；
（3）将各向同性的导热填料和填充基体混合后再采用真空浸渍，灌入预制体C中，得到双网络电池热管理材料。
5.根据权利要求4所述的双网络电池热管理材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述各向异性导热填料和粘接剂的质量比为7:1~9.5:1。
6.根据权利要求4所述的双网络电池热管理材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述各向同性导热填料和所述填充基体的质量比为0.5:1~3:1。
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