近日，我院师生在国际top期刊ACS Applied Materials & Interfaces（IF= 9.5）上在线发表了题为“Polyurethane Foam Skeleton-Based Phase Change Hydrogel for Efficient Battery Thermal Management with Favorable Antivibration Performance”的研究型论文。上海第二工业大学为第一通讯单位，上海第二工业大学与上海海事大学联合培养的的硕士研究生赵成功为第一作者（现为青岛科技大学博士生），上海第二工业大学能源与材料学院李一凡副教授和于伟教授为通讯作者。
成果简介
锂离子电池（LIBs）已经被广泛应用于各个领域中，如电动汽车（EVs）、储能电站和电子设备。然而，当暴露在高温下时，LIBs很容易发生热失控（TR），进而可能引发燃烧或爆炸，并伴随着有毒气体的排放。此外，在长时间的高温工况下，会导致容量下降和内阻增加，最终影响电池的可靠性和使用寿命。因此，有效的电池热管理策略是有必要的。解决TR的常见解决方案包括设计除热系统（主动冷却系统）、优化电池组（被动冷却系统）和安装安全保护模块（如平衡电池模块）。
除了有效的热管理问题外，电池寿命还可能受到运行过程中产生的外部振动的负面影响。具体来说，在高温条件下，不充分的防振措施会导致对电池结构的明显损伤，并可能导致电池容量的降低。在电池组装过程中加入适当的固定装置，如泡沫或橡胶垫，或其他柔性材料，可以有效提高其抗振性能。
本研究设计了一种聚氨酯（PU）泡沫基相变水凝胶（PCH）复合垫块，在热管理和增强抗振性方面表现出优异的性能。聚乙二醇（PEG）和聚丙烯酸（PAA），通过原位聚合合成了PCH。为了提高导热性，引入了氧化石墨烯作为导热添加剂，同时掺杂了六方氮化硼来调节其电绝缘性能。随后，利用真空浸渍法将改性的PCH注入PU泡沫中。此外，复合垫块在高温下表现出优异的灵活性和稳定性，从而保证了电池在高温环境下的运行稳定性。
图文信息
图1. 复合相变垫块的制备过程示意图。
图2. 微观形貌和结构的表征。
图3.复合垫块导热能力的表征测试。
图4.复合垫块机械性能的表征测试。
图5.复合垫块的电池热管理能力。
小结
本工作设计了一种应用于电池热管理的多功能复合相变泡沫垫块。PU骨架具有阻尼特性，而PEG和PAA通过原位聚合策略结合形成的PCH在相变过程中提供了储热能力。此外，导热添加剂的加入增强了传热并保证了电绝缘。复合板的骨架结构提供了有效的导热路径，确保了高效的传热。相应表征结果证实了复合垫块在实际电池模块中的适用性，在相变过程中，柔性接触的转变会增强界面传热和储热速率，并提高了抗外部冲击的能力。实际应用试验表明，在6 C放电过程中，用复合垫块包裹的电池模块的温度下降了11.4 ℃。随后的内阻研究表明，复合垫块显著的减震特性可以有效地缓解内阻波动，确保运行稳定性。被复合垫块包裹的电池也有效降低了电池在振动条件下的产热量。此外，本研究还指出接触情况的改善得益于相变过程中的粘弹性转变，为电池的热管理材料提供新的解决思路。
文章链接: https://doi.org/10.1021/acsami.3c11570