相变材料在电池热管理中的应用研究：从基础材料到工程化应用

分类：技术知识

引言

相变材料（Phase Change Material, PCM）在电池热管理中的应用近年来受到广泛关注。其核心优势在于利用固-液相变过程中的潜热吸收实现被动式温度控制，无需外部能量输入即可自动维持电池在适宜的温度范围内。然而，传统有机相变材料（如石蜡）和纯无机水合盐体系普遍存在热导率低（通常仅0.2~0.5 W/(m·K)）的致命短板。近两年的研究成果表明，通过复合高导热填料可显著提升PCM的导热性能，推动其从实验室走向工程应用。

一、石墨烯基复合相变材料的突破

李沛霖等人（2026）在锂/氟化碳（Li/CFx）电池热管理研究中取得了令人瞩目的成果。研究团队采用真空浸渍法制备了高导热石墨烯复合相变材料（cPCM），通过三维石墨烯骨架封装相变介质，实现了导热性能的极大提升：热导率由原始相变材料的0.2 W/(m·K)大幅提升至10.1 W/(m·K)，增幅超过50倍。

这一突破的核心在于石墨烯骨架的三维连通结构——高导热石墨烯片层形成连续的导热网络，将相变介质分割成微小区域，既确保了热量的快速传导和扩散，又利用多孔结构有效防止了相变介质在熔融状态下的泄漏。实验结束后观察发现，cPCM材料未发生泄漏现象，验证了该封装策略的长期可靠性。

在严苛的放电测试条件下（0.20 C持续放电120 min后接续0.25 C放电30 min），采用cPCM2的电池温升为46.02℃，最高温度被有效控制在66.02℃，远低于80℃的安全阈值。该材料在高能量密度锂/氟化碳电池热管理中展现出重要应用前景。

二、水合盐共晶体系：兼顾性能与成本

石墨烯基复合材料虽然性能优异，但石墨烯的高成本限制了其大规模商业化应用。郑玲玲等人（2024）从工程经济性角度出发，开发了一种基于水合盐共晶体系的低成本相变材料方案。该材料由三水醋酸钠、甘氨酸、十二水磷酸氢二钠构成的共晶水合盐体系与膨胀石墨复合而成。

当添加质量分数5.0%的膨胀石墨时，材料的关键性能参数达到最优平衡：相变温度45.31℃（恰好处于锂电池最佳工作温度范围30~50℃的上限），相变焓196.17 J/g（高潜热确保充足的吸热能力），热导率1.60 W/(m·K)（较纯PCM提升约8倍），且表现出良好的抗泄漏能力。

在2 C高倍率放电测试中，相变冷却方案展现出显著的温度均匀性优势：单体电池最大温差仅0.21℃，相较于空气冷却方案降低了89.55%；电池组最高温度控制在55℃以内，降幅22.24%；电池组间最大温差2.41℃，降幅高达77.46%。

三、两种技术路线的定位与应用场景

热安全团队（thermsafe.cn）分析认为，石墨烯基cPCM和水合盐共晶体系代表了相变热管理材料的两条差异化发展路径：

• 石墨烯基cPCM：面向高能量密度、高功率密度电池系统（如Li/CFx电池、无人机电池、高性能电动汽车电池包），性能优先，成本容忍度较高。
• 水合盐共晶体系：面向大规模储能电站、消费级电动汽车等成本敏感型场景，在保证热管理性能的前提下实现成本可控，具有更广阔的市场前景。

四、工程化挑战与对策

尽管复合相变材料在实验室条件下表现出优异的性能，但其规模化工程应用仍面临若干挑战：首先，PCM与电池模组的集成方式需要进一步优化——是采用PCM填充间隙的方式还是PCM封装为模块贴附于电池表面，两种方案在热传导路径和机械可靠性方面存在差异。其次，PCM的长期循环稳定性（数百次相变循环后的性能衰减）数据尚不充分。此外，PCM与其他冷却系统（液冷、热管等）的耦合设计需要工程师综合考虑热-电-力多重约束。

热安全团队（thermsafe.cn）建议，在工程应用中优先采用"PCM缓冲峰值+液冷持续散热"的混合方案，以规避PCM热饱和的固有局限，同时发挥其在温度均匀性方面的突出优势。

结论

相变材料在电池热管理中展现出独特的被动温控优势。石墨烯基复合PCM实现了热导率50倍的飞跃式提升，将电池最高温度控制在66℃安全阈值内；水合盐共晶体系则以低成本优势实现了89.55%的温差降幅。两条技术路线的差异化定位覆盖了从高性能到高性价比的全场景需求。混合热管理方案（PCM+液冷）和PCM长期循环稳定性研究是下一阶段的发展重点。

参考文献

1. 李沛霖, 李宜彬, 石斌, 孙贤贤, 张红梅. 石墨烯基复合相变材料用于锂/氟化碳电池热管理[J]. 电池, 2026(优先出版): 1-7.
2. 郑玲玲, 智茂永, 岳姗, 潘治衡. 水合盐相变材料用于锂离子电池热管理[J]. 电池, 2024, 54(2): 217-221.

后缀标识：qJdy8PQz