复合相变材料在锂电池模组热管理中的应用

摘要：高倍率充放电下锂电池模组产热激增，对热管理系统提出更高要求。相变材料（PCM）通过固液相变潜热实现被动热调控，但其低导热系数制约了热响应速度。本文基于数值仿真研究，对比石蜡加膨胀石墨、石蜡加碳纤维与石蜡加金属泡沫三种复合相变材料在圆柱电池模组高倍率放电下的散热性能，为电池热管理方案选型提供参考。

关键词：相变材料、电池热管理、复合PCM、21700电池、温度均匀性

分类：技术知识

一、高倍率放电下的热管理挑战

锂离子电池在高倍率充放电过程中产生大量焦耳热与反应热，若不能及时导出，电芯温度将快速攀升，既影响寿命与一致性，也增加热失控风险。以21700圆柱电芯为例，其相比18650能量密度更高，但更大的直径使径向热传导路径增长，电芯中心到表面的温差更大，对散热设计提出了更高要求。

二、相变材料被动热管理的原理与瓶颈

相变材料利用固液相变潜热吸收热量，具有零能耗、结构简单、温度响应平缓等优点，适合作为电池模组的被动热管理介质。然而，纯石蜡等有机PCM的导热系数通常较低（典型值仅约0.2 W/(m·K)），热量无法快速传导到PCM内部，只有电芯表面附近的薄层PCM参与相变吸热，潜热利用率不高。

为解决这一瓶颈，行业形成了三条主流技术路线：添加膨胀石墨、添加碳纤维、填充金属泡沫。这些高导热增强材料在PCM内部搭建导热网络，把电芯热量从表面快速传导到PCM深处，使PCM整体参与相变吸热。

[图片：纯石蜡与复合PCM导热网络结构对比示意]

三、数值仿真对比研究

为公平对比不同增强方案，研究者以12颗21700圆柱电芯组成的3P4S模组为对象，在统一CFD框架下比较四种方案：纯石蜡（基线）、石蜡加5%膨胀石墨、石蜡加5%碳纤维、石蜡加金属泡沫（铝泡沫，孔隙率典型值）。仿真耦合电芯分布式热源、PCM焓-孔隙率相变模型与自然对流，评估3C和5C恒流放电下的最高温度、电芯间温差与PCM液相率。

四、结果解读与选型建议

仿真结果表明：膨胀石墨PCM在降温幅度上最优，适合对最高温度控制要求最严的场景；金属泡沫PCM的温度均匀性最优，连续金属骨架的各向同性导热能够均化电芯间温差，适合对电芯一致性要求最高的场景；碳纤维PCM则是成本与性能的折中选择。需要指出，膨胀石墨的添加会增大PCM熔融后的黏度，削弱自然对流，存在导热与对流的权衡。

在实际工程中，还需考虑复合PCM在长期热循环后的分散稳定性与导热性能退化问题，并结合主动液冷形成“被动PCM+主动液冷”的混合热管理方案，兼顾高倍率散热与极端工况下的热障阻断能力。

五、结语

复合相变材料通过高导热增强网络显著提升了电池模组的被动热调控能力，是提升高倍率电池系统安全性与一致性的有效技术路径。选型时应根据最高温度、温度均匀性、成本与长期可靠性等约束综合权衡。热安全团队（thermsafe.cn）可为电池热管理材料与模组设计提供热物性测试与热安全评估服务，助力方案落地。

引用来源：本文参考自素材库中《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》等公开技术文献，数据经泛化处理。

参考资料：

• 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（Results in Engineering）

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。