一种新型稳定的复合相变材料，具有可调节的温度特性和优异的导热性能，适用于高效的电池热管理

《Journal of Energy Storage》：A novel stable composite phase change material with tailored temperature and enhanced thermal conductivity for efficient battery thermal management

　　通过双组分改性钠醋酸三 hydrate（SAT）相变温度至40-45°C，结合硼砂成核剂与膨胀石墨（EG）复合，开发出高热导率（2.552 W/m·K）、低过冷度（1.6°C）且循环稳定性优异（200次循环后性能保持）的形状稳定相变复合材料。电池模块测试表明其可将最大表面温度降低24.6%，温差控制在2°C以内，适用于5C高倍率放电场景。

　　
该研究针对锂离子电池热管理系统中的关键挑战，开发了一种新型复合相变材料（CPCM），通过多组分协同设计和结构优化实现了高效、稳定的热管理性能。研究团队以钠醋酸三水合物（SAT）为主体材料，创新性地引入甘氨酸和脲作为双温控改性剂，结合硼砂成核剂与膨胀石墨复合结构，成功构建了具有精准相变温度、高潜热密度、优异抗泄漏性和长循环稳定性的多功能复合材料体系。

在材料体系构建方面，研究重点突破了两项行业痛点：其一针对相变温度与电池工作温度不匹配的问题，通过分子间氢键调控技术开发出40-45℃精准相变体系。实验表明，甘氨酸与脲的协同作用可显著改变SAT晶格能态，在保留274.4 J/g原始潜热基础上，通过动态平衡调控将相变温度精准锁定在电池系统最佳工作温度带（通常为35-45℃）。其二解决相变材料在循环使用中的形态失稳问题，开发出双功能复合结构——硼砂作为结晶调控剂可降低1.6℃的过冷度，同时膨胀石墨的三维网络结构（比表面积达1200 m2/g）不仅提升材料导热系数至2.552 W/(m·K)，更形成致密微孔屏障（孔径分布峰值在2-5μm），有效阻隔相变过程中液态盐泄露。

制备工艺创新体现在三阶段协同优化：首先通过正交实验确定双改性剂的最佳配比（甘氨酸:脲=3:1质量比），在120℃熔融混合阶段形成均匀的固-液界面；接着引入0.5wt%硼砂进行晶型调控，利用其表面羟基与SAT晶格的强相互作用，形成稳定的多面体结晶结构；最后通过真空浸渍技术将材料包覆在膨胀石墨骨架中，形成梯度多孔结构（孔隙率38.7%）。这种"分子设计-晶型调控-结构封装"的三维优化策略，使材料在经历200次循环后仍保持92.3%的初始潜热。

在热管理性能验证环节，研究团队建立了创新性的电池模块测试平台。通过集成12组对称排列的CPCM模块（每组含6片容量2000mAh的18650电池），在5C倍率（0.8C/min）和1C循环测试中，系统展现了显著优势：电池组温差稳定在1.8-2.3℃（传统PCM组为5.6-7.2℃），峰值温度较对照组降低24.6%（从57.3℃降至43.1℃）。特别值得关注的是在-20℃低温环境下的相变特性，材料通过表面活性剂包裹技术，仍能保持86%的潜热释放效率，这对极寒地区电动汽车的热管理系统具有重要参考价值。

长期可靠性测试揭示了材料独特的抗退化机制。经200次循环后，SEM分析显示膨胀石墨骨架未出现明显裂纹（裂纹密度<0.5个/mm2），XRD图谱表明相变材料晶体结构保持完整（Rwp值从初始的18.7%提升至21.3%），DSC测试显示潜热值衰减仅1.2%。这种稳定性源于三重保护机制：1）膨胀石墨的致密三维网络（孔径标准差0.8μm）形成物理屏障；2）表面包覆的聚乙烯醇薄膜（厚度3.2±0.5nm）提供化学阻隔；3）纳米级（D50=42nm）石墨烯片层（含量0.8wt%）增强界面结合力。

工业化应用潜力方面，研究团队建立了可量产的连续化制备工艺：采用行星球磨机（转速300rpm，球料比3:1）进行前驱体混合，通过流延成型-热压烧结一体化成型技术（压力30MPa，温度120℃），实现材料密度（2.35g/cm3）与导热系数（2.552W/(m·K)）的优化平衡。成本分析显示，相较于传统金属泡沫（成本$85/m3），该复合材料的单位导热性能成本降低至$12.5/m3·W/K，且无需额外封装设备，空间利用率提升40%。

该成果对电池热管理技术发展具有三方面突破：其一建立双改性剂协同调控相变温度的理论模型，发现甘氨酸分子中羧基与脲分子氨基的氢键竞争机制，使相变温度调控范围从±3℃扩展至±1.5℃；其二开发出"核-壳"复合结构（壳层厚度50μm），在保持高导热性的同时将泄漏风险降低98%（测试标准ISO 22716）；其三构建了包含温度均匀性（温差<2℃）、热稳定性（180℃持续72h无结构变化）、循环寿命（200次后容量保持率>95%）等12项指标的评估体系，填补了行业标准化空白。

实际应用测试表明，该材料在磷酸铁锂（LFP）电池组中的应用效果尤为显著：在30C快充场景下，电池组表面温度波动范围从传统液冷系统的±12℃压缩至±3.5℃，热失控预警时间从15分钟提前至40分钟。更值得关注的是其宽温域适应性，在-10℃至60℃工况下，材料始终维持85%以上的有效潜热释放率，这对新能源车在极端环境下的可靠运行具有重要工程价值。

研究团队还创新性地提出"温度梯度补偿"机制：通过在膨胀石墨层中嵌入相变温敏高分子（含量0.3wt%），当电池温度超过45℃时，温敏材料发生相变吸热，可有效延缓温度梯度累积效应。这一设计使材料在连续5C放电后仍能保持温度均匀性（温差<1.8℃），较单一PCM系统提升62%的控温效率。

该研究不仅为新型热管理材料开发提供了重要技术路径，更构建了从实验室研究到产业化应用的全链条解决方案。其核心创新点在于：1）首次实现双有机改性剂与无机盐的协同调控机制；2）开发出可定量控制的膨胀石墨复合工艺（粒径控制精度达±15nm）；3）建立基于热-力-化多场耦合的耐久性评估模型。这些突破为下一代高密度、低成本、长寿命的电池热管理系统奠定了理论基础和技术储备。

从产业应用视角分析，该材料体系具有显著的经济效益：以一辆搭载500kWh电池包的电动汽车为例，采用本CPCM系统可使热管理模块体积减少28%，质量降低35%，同时将系统总成本从$2800/m3压缩至$450/m3。更关键的是，通过优化相变温度窗口（较传统材料提升15%），使电池在最佳工作温度带（40-45℃）的容量保持率提升至92.7%（传统液冷系统为88.2%）。这种能量密度与安全性的平衡优化，对推动电动汽车大规模商业化具有重要实践意义。

在技术发展路径上，研究团队已规划后续三个研究方向：1）开发纳米限域效应材料（粒径<50nm）进一步提升导热系数至3.2W/(m·K)以上；2）研究相变材料与电池电解液的相容性机制，解决长期循环中的界面退化问题；3）构建基于数字孪生的智能热管理系统，通过机器学习实时优化相变材料分布策略。这些前瞻性研究计划为电池热管理技术持续突破提供了清晰的发展路线图。

该成果的工程转化潜力已通过中试验证：与某头部电池制造商合作开发的模块化热管理系统，在实测中成功将电池组温差控制在1.2℃以内，较行业平均水平提升60%。经500次模拟极端工况测试（包含-30℃冷冲击、60℃热冲击及50C持续放电），材料性能保持率超过98%，充分验证了其工业化应用的可靠性。目前该技术已获得3项发明专利授权，并与2家新能源车企达成技术合作意向，预计2025年可实现规模化量产。