一种定型复合相变材料及其制备方法与流程

本技术涉及热交换材料的，更具体地说，它涉及一种定型复合相变材料及其制备方法。

背景技术：

1、锂离子电池具有能量密度高、比功率大、质量轻、自放电率低、可回收性好以及循环寿命长等优点，被认为是目前最适合的蓄电储能装置。锂电池容易受到温度影响，最佳工作温度范围为20～30℃。在温度范围30～40℃时，锂电子电池温度每升高1℃，其使用寿命将缩短60天。低温状态下，锂离子电池的活性会迅速降低，并失去部分电量，而高温状态下，锂离子电池内部容易发生副反应，导致固态电解质界面膜发生溶解，生热加剧，且容易引发安全隐患等问题。因此，电池热关系系统的性能是制约当前锂离子电池性能发挥的关键因素。

2、为了控制锂离子电池的温度，动力电池系统中一般集成具有冷热一体功能的热管理系统。电池热管理系统控温常用的方式是风冷和液冷，其中，风冷方式结构相对简单，成本较低但存在散热功率不足的问题；而液冷和直冷系统散热功率高但结构相对复杂和存在冷却介质泄漏风险。相对于风冷、液冷和直冷这类依赖于外动力驱动式的主动热管理方式，相变材料控温是被动式热管理，具有储热蓄能功能、设计简单和可靠性高等优点。因此在一些对散热要求高但又布置空间有限的电池组中，相变材料控温有很大的应用前景。

3、相变材料可以分为无机、有机和复合材料三类。有机相变材料主要是以醇类、石蜡、脂肪酸、芳香烃类以及高分子聚合材料为主，这些有机相变材料的相变潜热较高；但有机相变材料的导热性能较差，存在局部融化、局部凝固的问题，导致锂电池组降温不均匀，锂电池电性能变差。同时，有机相变材料存在爆燃的风险。无机相变材料主要采用水合盐或者熔融盐制成，水合盐相变材料容易出现泄漏问题，并且容易发生过冷度高、相分离严重的问题。而熔融盐的相变温度高，并不适用于锂离子电池的降温。

4、基于上述情况，本行业亟需开发一种相变温度范围能够控制在锂离子电池的最佳工作温度范围的相变材料，该相变材料具有易定型、不分层、无相分离、过冷度较低、相变潜热高以及导热系数高等优点。

技术实现思路

1、本技术提供一种定型复合相变材料及其制备方法，此相变材料的相变温度能够控制在锂离子电池的最佳工作温度范围内，并且具备过冷度较低、相变潜热高，导热系数高的特性。

2、第一方面，本技术提供一种定型复合相变材料，采用如下的技术方案：

3、一种定型复合相变材料，由如下重量百分比的原料组成：

4、氯化钙34%～43%、硝酸钙6%～14%、膨润土4%～7%、高岭土4%～6%、膨胀石墨0.5%～2%、氯化锌0.8%～2%、氯化钠0.8%～2%、氯化钾0.8%～3%、醋酸钠0.5%～1.5%、尿素1.5%～2.5%和水29.7%～36%。

5、通过采用上述技术方案，氯化钙等盐类物质能够与水结合，形成水合盐结晶；六水合氯化钙的四个水分子在钙离子的第一水合层水合，另外两个水分子通过与内层水分子形成氢键，在第二水合层水合。四水合硝酸钙的四个水分子全部在钙离子的第一水合层，水合水分子之间形成氢键。六水合氯化钙结晶、四水合硝酸钙结晶具有储能密度大、相变体积变化小等优点，六水合氯化钙结晶与四水合硝酸钙结晶的熔点较低，能够使得相变材料的相变温度控制在25℃附近。但氯化钙和硝酸钙水合盐结晶的混合物仍然存在过冷度较高以及相分离严重的问题。

6、膨润土和高岭土具有天然纳米片层结构，能够吸附氯化钙等水合盐结晶，降低水合盐结晶相变泄漏的可能性；同时，由于纳米空间的束缚作用，以及，由于膨润土和高岭土表面富含羟基，水合盐结晶与膨润土和高岭土之间存在较高的分子间作用力，即使相变温度稍微增加，但相变温度范围变宽，并且改善相分离的问题。

7、水合氯化锌结晶的相变温度低，其与尿素共同作为调温材料，能够降低膨润土、高岭土、醋酸钠等有机材料加入导致的相变温度增加的问题；水合氯化钠、水合氯化钾以及水合醋酸钠的相变潜热高，能够提升复合相变材料整体的相变潜热。

8、膨胀石墨具有多孔结构，膨胀石墨对水合盐进行了二次包覆，一方面能够进一步降低水合盐结晶泄漏的可能性，同时，还能够通过氢键作用，降低结合水变成游离水的可能性，改善相变材料相分离的情况；另外一方面，膨胀石墨具有较高的导热性，能够快速传热，使得相变材料相变均一，克服了无机相变材料传热不均的问题；同时，膨胀石墨、膨润土以及高岭土不溶于水，为熔融的水合盐混合物提供非均相成核的作用，有利于结晶过程的发生，使得过冷度降低。

9、综上所述，相变材料整体的相变温度能够控制在24～30℃，相变潜热达到160～200kj/ kg，过冷度低，导热系数高；相变过程可逆，工艺简单，能够大规模生产，且制成的相变材料无毒、不可燃，储能密度高、体积小巧、温度控制恒定、节能效果显著、相变温度选择范围宽、易于控制。

10、进一步的，所述膨润土的粒径为0.1～10μm。

11、进一步的，所述高岭土的粒径为10～100nm。

12、进一步的，所述膨胀石墨的粒径为400～1000μm。

13、通过采用上述技术方案，控制膨润土、高岭土以及膨胀石墨的粒径，使得膨润土和膨胀石墨的粒径在适中范围内，能够尽可能地吸附水合盐，同时还能降低水合盐泄漏的可能性；其次，高岭土粒径达到纳米级，高岭土能够非均相成核过程中充当成核位点，进一步降低过冷度。

14、进一步的，所述氯化钙的质量百分比为42%～43%，所述硝酸钙的质量百分比为6%～7%。

15、进一步的，所述氯化锌的质量百分比为0.8%～1%，所述尿素的质量百分比为1.6%～1.7%。

16、进一步的，所述氯化钠的质量百分比为0.9%～1%，所述氯化钾的质量百分比为1.2%～1.4%，所述醋酸钠的质量百分比为1%～1.2%。

17、进一步的，所述膨润土的质量百分比为5%～6%，所述高岭土的质量百分比为4.5%～5%，所述膨胀石墨的质量百分比为0.6%～1%。

18、更进一步的，所述氯化钙的质量百分比为42.5%、硝酸钙的质量百分比为6.5%、膨润土的质量百分比为5.5%、高岭土的质量百分比为4.8%、膨胀石墨的质量百分比为0.8%、氯化锌的质量百分比为0.9%、氯化钠的质量百分比为0.95%、氯化钾的质量百分比为1.3%、醋酸钠的质量百分比为1.1%、尿素的质量百分比为1.65%以及水的质量百分比为34%。

19、通过采用上述技术方案，调整各个原料的质量百分比，使得各个原料在合适质量百分比范围内，经过实际检测可知，该相变材料的相变温度点能够控在26℃，相变潜热高达200kj/ kg，过冷度可达到0℃，导热系数达到3.2w/(m·k)。

20、第二方面，本技术提供一种定型复合相变材料的制备方法，采用如下的技术方案：

21、一种定型复合相变材料的制备方法，包括如下步骤：

22、按照重量百分比称取氯化钙、硝酸钙、膨润土、高岭土、氯化锌、氯化钠、醋酸钠、尿素和水，共混，研磨的同时升温至80～90℃，保温研磨8～16h，得到混合物；

23、按照重量百分比称取膨胀石墨，膨胀石墨加入至混合物中，保温研磨1.5～2.5h，成型，得到定型复合相变材料。

24、通过采用上述技术方案，该相变材料的成型工艺简单，可大规模生产，具有较高的发展潜力。