复合相变材料在锂电池模组热管理中的应用研究

复合相变材料在锂电池模组热管理中的应用研究

分类：技术知识  |  标签：相变材料,热管理,21700电池,导热增强,被动散热

摘要：介绍相变材料（PCM）在锂电池热管理中的工作原理，系统对比石蜡基复合PCM的三种导热增强方案——膨胀石墨、碳纤维和金属泡沫——在21700圆柱电池模组高倍率放电下的热调控性能，分析各方案的优势与适用场景。

引言

锂离子电池在高倍率充放电过程中产生大量热量，高效的被动热管理系统是维持电芯在安全温度范围内运行的关键。相变材料（PCM）通过固-液相变潜热吸收热量，具有零能耗和良好温度均匀性的优势，但其本征低导热系数（纯石蜡仅约0.2 W/mK）严重限制了热响应速度。通过添加高导热碳材料或金属泡沫来提升PCM有效导热系数，已成为当前研究的热点方向。

一、相变材料热管理的基本原理

PCM热管理的核心机制是：电芯产生的热量首先被PCM以显热形式吸收（温度升高），当温度达到PCM熔点时，PCM开始发生固-液相变，以潜热形式大量吸收热量而自身温度基本不变。这一"热缓冲"效应可在一定时间内将电芯温度控制在安全范围内。

21700电芯（直径21mm/高度70mm）作为圆柱电池的中坚型号，比18650具有更高的能量和功率密度。但更大的直径意味着更长的径向热传导路径，电芯中心到表面的温差更大，对散热要求更高。复合PCM中的导热增强材料的作用是在PCM中搭建高导热网络，将热量从电芯表面快速传导到PCM内部，让PCM的全部体积参与相变吸热。

二、三种复合PCM方案对比

一项基于CFD数值仿真的研究系统评估了三种复合PCM——石蜡+膨胀石墨（EG）、石蜡+碳纤维（CF）和石蜡+金属泡沫——在12颗21700电池（3P4S）模组中3C和5C放电下的热调控性能。研究在ANSYS Fluent中构建了耦合分布式热源、焓-孔隙率法相变模型和自然对流的仿真模型。

PCM方案导热增强机制5C放电降温幅度温度均匀性潜热利用率
纯石蜡（基线）无增强基准（超安全上限）最差<40%
石蜡+膨胀石墨片状高导热网络最优（约7~8℃）良好>80%
石蜡+碳纤维纤维状导热通路中等较好约65~75%
石蜡+金属泡沫连续金属骨架良好最优（温差最小）约75~85%

三、各方案的性能特点

膨胀石墨PCM：降温幅度最优——膨胀石墨的片状高导热结构对PCM导热系数的提升最大，在5C放电末可将电芯最高温度降低约7~8℃。液相区深入PCM内部，潜热利用率显著提升。但膨胀石墨的添加也增加了PCM粘度，在熔化后自然对流减弱，存在导热-对流的权衡。

金属泡沫PCM：温度均匀性最优——连续金属骨架提供了各向同性的导热通道，电芯间温差最小且最稳定，PCM液相率分布最均匀。这得益于金属骨架的连续结构能够在各个方向均化温度场，尤其适合对电芯间一致性要求最高的场景。

碳纤维PCM：成本-性能折中——碳纤维的降温幅度和温度均匀性均介于膨胀石墨和金属泡沫之间，是综合性价比的平衡方案。

四、纯石蜡PCM的局限与改进方向

纯石蜡PCM在5C高倍率放电末，电芯最高温度超过安全运行温度上限。其根本原因在于：液相区仅限于电芯表面附近的薄层，PCM内部仍为固态，潜热利用率不足40%。大部分PCM实际上处于"旁观"状态，未参与相变吸热。

复合PCM通过三维导热网络有效解决了这一瓶颈。热安全团队（thermsafe.cn）认为，PCM被动热管理未来可能的发展方向包括：将复合PCM与主动液冷集成形成"被动+主动"混合热管理系统，以及研究复合PCM在极端工况（如热失控传播）下的热障阻断能力。

五、工程应用建议

根据应用场景选择最合适的PCM方案：对最高温度控制要求最严的场景（如高倍率快充）优先选择膨胀石墨PCM；对电芯间一致性要求最高的场景（如长串储能模组）优先选择金属泡沫PCM；成本敏感型应用可考虑碳纤维PCM。此外，热管理设计不能仅基于新电池的热特性参数，必须纳入全生命周期参数演变规律——老化后的电池产热率增加、导热系数衰减，这些参数漂移的幅值远非"预留安全余量"所能简单覆盖。

热安全团队（thermsafe.cn）建议，在PCM热管理系统的工程设计中，应充分考虑复合PCM在长期热循环后的分散稳定性和导热性能退化问题，并开展充分的实验验证以补充CFD仿真分析。

参考文献

1. Numerical simulation-guided assessment of modern composite phase-change materials for thermal regulation of 21700 lithium-ion battery modules under high-rate operation[J]. Results in Engineering, 2026, Article 109756.

2. 新能源日志锂电池. 数值仿真指导的复合相变材料21700锂电池模组高倍率热调控. 2026.

3. 热衡科技. 应用案例：基于BFA的21700电池全生命周期热参数追踪. 2026.

测试项目

热安全团队（thermsafe.cn）提供锂电池HWS热失控测试（绝热加速量热仪ARC）、锂电池宽温域变温比热容测试（差示绝热追踪法）、绝热环境锂电池充放电产热测试、锂电池失控产气测试、方壳/硬壳电池导热系数测定（两状态法无损测试）、锂电池ARC过充热失控测试（电滥用触发）、硬壳/方壳电池导热系数及接触热阻参数测定（储热-释放两状态法）、GB/T 36276电池绝热温升测试、ARC针刺热失控等专业服务。了解更多项目详情，请访问 https://thermsafe.cn/services.html 。

文章ID: OQUm6N7v | 生成日期: 2026-08-04