一种防止储能电池热失控扩散的导热和隔热自适应切换石墨烯复合膜及制备方法

本发明属于储能电池热调控，具体涉及一种防止储能电池热失控扩散的导热和隔热自适应切换石墨烯复合膜及制备方法。

背景技术：

1、随着新型电力系统的发展，新型储能系统如储能电站等应用规模逐渐扩大，高温、高频等极端工况场景进一步增加，为高导热、长寿命、环保型储能新材料的研发及应用带来了更加迫切的需求。目前已工程化应用的热管理材料只具备单一的导热（散热）功能，即满足储能电池正常运行工况下的导热（散热）需求。但当电池因故障而发生火灾时，高热导材料会将高温热量迅速向外传导，反而容易造成火灾事故的蔓延扩大。

2、另外，储能电池在长时间运行时会产生大量热量，如果不及时散热或隔热处理，可能导致局部温度升高，引发电器元件的过热，进而引发火灾。如果能够设计有效的散热组件，可以有效减少设备因过热而引发火灾的风险。同时，在发生火灾时，有效的隔热设计可以减缓火势蔓延的速度，降低火灾对周围环境和人员的危害。因此，亟需研发能够在不同环境温度条件下具备高导热/高隔热智能切换功能的新型热管理技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种防止储能电池热失控扩散的导热和隔热自适应切换石墨烯复合膜及制备方法，解决上述技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下方案实现：

3、一种防止储能电池热失控扩散的导热和隔热自适应切换石墨烯复合膜，包括上下两层石墨烯薄膜，两层石墨烯薄膜通过包覆在其边缘一圈的有具有透气疏水性能的微孔复合膜，连接一体；两层石墨烯薄膜之间的腔体中填充有相变材料和螺旋状形状记忆合金单元。

4、将一种防止储能电池热失控扩散的导热和隔热自适应切换石墨烯复合膜的一侧与储能电池贴合，正常工况下，相变材料充当高效的热界面材料，填补两层石墨烯薄膜之间的微小空隙，降低热界面热阻，提高整体热导性能。当储能电池工作过热时，通过石墨烯薄膜将热量传递到相变材料，相变材料吸收热量并熔化，同时形状记忆合金单元也发生体积相变，由压缩的螺旋结构向两侧伸展，将两片石墨烯薄膜撑开，空气从微孔复合膜进入将两片石墨烯薄膜之间形成空气隔热带，从而实现由导热转变为隔热，进而抑制热失控蔓延。

5、进一步优化，所述石墨烯薄膜中，石墨烯为还原石墨烯，其导热系数为3000 w/(m·k)，法向导热系数5 w/(m·k)，厚度约为40μm。

6、进一步优化，所述螺旋状形状记忆合金单元采用镍钛形状记忆合金制备而成。所用镍钛形状记忆合金的马氏体相变开始温度为63.1℃，马氏体相变结束温度为45.0℃，奥氏体相变开始温度为99.5℃，奥氏体相变结束温度为114.1℃，泊松比0.33，导热系数约为15 w/(m·k)。

7、进一步优化，所述相变材料中嵌设有采用泡沫金属铜制作的热传导骨架，形成复合相变材料。通过设置热传导骨架，使热量能够快速传递给相变材料，提高整个石墨烯复合膜的灵敏度；另外，通过设置热传导骨架，为形状记忆合金单元提供限位作用，防止相变材料吸收热量并熔化后，形状记忆合金单元发生位移，影响两片石墨烯薄膜撑开效果。

8、进一步优化，所述相变材料为赤藓糖醇，相变温度为118℃，复合材料的导热系数可达到30 w/(m·k)。

9、进一步优化，所述热传导骨架上贯穿开设有孔洞，每个空洞中设置一个螺旋状形状记忆合金单元，热传导骨架的厚度与形状记忆合金单元压缩状态时的厚度相同。

10、进一步优化，所述微孔复合膜为由聚四氟乙烯-碳纤维、聚氨酯和聚偏氟乙烯-碳纳米管，采用原位聚合法制备的三明治结构微孔膜，具有良好的防水、透气和油水分离性能。

11、进一步优化，每平方分米中均匀布置2-6个形状形状记忆合金单元。

12、石墨烯复合膜的制备方法，基于上述一种防止储能电池热失控扩散的导热和隔热自适应切换石墨烯复合膜，包括如下步骤：

13、步骤1：根据石墨烯复合膜的形状制备模具；

14、步骤2：制备泡沫金属铜骨架，并在其上开设孔洞，在每个空洞中设置一个螺旋状形状记忆合金单元；

15、步骤3：将两层石墨烯薄膜贴合在模具腔体相对的两侧壁上，在两层石墨烯薄膜之间中放置泡沫金属铜骨架和螺旋状形状记忆合金单元；将熔融的相变材料缓慢地注入模具中，使其填充两层石墨烯薄膜与泡沫金属铜骨架之间的空隙；然后将整个结构冷却至相变材料的固化温度以下，使其固化；

16、步骤4：在微孔复合膜的边缘涂覆一层高性能导热粘合剂，将涂覆了导热粘合剂的微孔复合膜包覆在两侧石墨烯薄膜的边缘，进行固化处理使粘合剂凝固，通过微孔复合膜将两层石墨烯薄膜连接为一体。

17、进一步优化，所述步骤3中，在相变材料注入模具过程中，施加压力，排出填充物种的气泡。

18、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

19、本发明结合石墨烯、复合相变材料与形状记忆合金制造一种导热隔热智能切换的石墨烯复合膜。石墨烯具有很强的导热性能与良好的韧性，在储能电池正常工作时，对储能电池进行有效散热。相变材料在两层石墨烯薄膜之间充当高效的热界面材料，填补两层石墨烯薄膜之间的微小空隙，可以降低热界面热阻，同时相变材料具有较高的潜热，当储能电池发生热失控时，可以吸收大量热量。形状记忆合金在高温情况下会发生高温超弹性，恢复奥氏体相状态，从而产生作用力将石墨烯薄膜撑开，形成隔热气层，降低导热率，从而达到抑制热失控导致的热蔓延行为。

技术特征：

1.一种防止储能电池热失控扩散的导热和隔热自适应切换石墨烯复合膜，其特征在于，包括上下两层石墨烯薄膜，两层石墨烯薄膜通过包覆在其边缘一圈的有具有透气疏水性能的微孔复合膜，连接一体；两层石墨烯薄膜之间的腔体中填充有相变材料和螺旋状形状记忆合金单元。

2. 根据权利要求1所述的一种防止储能电池热失控扩散的导热和隔热自适应切换石墨烯复合膜，其特征在于，所述石墨烯薄膜中，石墨烯为还原石墨烯，其导热系数为3000 w/(m·k)，法向导热系数5 w/(m·k)，厚度约为40μm。

3.根据权利要求2所述的一种防止储能电池热失控扩散的导热和隔热自适应切换石墨烯复合膜，其特征在于，所述螺旋状形状记忆合金单元采用镍钛形状记忆合金制备而成。

4.根据权利要求3所述的一种防止储能电池热失控扩散的导热和隔热自适应切换石墨烯复合膜，其特征在于，所述相变材料为赤藓糖醇。

5.根据权利要求4所述的一种防止储能电池热失控扩散的导热和隔热自适应切换石墨烯复合膜，其特征在于，所述相变材料中嵌设有采用泡沫金属铜制作的热传导骨架，形成复合相变材料。

6.根据权利要求5所述的一种防止储能电池热失控扩散的导热和隔热自适应切换石墨烯复合膜，其特征在于，所述热传导骨架上贯穿开设有孔洞，每个空洞中设置一个螺旋状形状记忆合金单元，热传导骨架的厚度与形状记忆合金单元压缩状态时的厚度相同。

7.根据权利要求6所述的一种防止储能电池热失控扩散的导热和隔热自适应切换石墨烯复合膜，其特征在于，所述微孔复合膜为由聚四氟乙烯-碳纤维、聚氨酯和聚偏氟乙烯-碳纳米管，采用原位聚合法制备的三明治结构微孔膜。

8.根据权利要求7所述的一种防止储能电池热失控扩散的导热和隔热自适应切换石墨烯复合膜，其特征在于，每平方分米中均匀布置2-6个形状形状记忆合金单元。

9.石墨烯复合膜的制备方法，其特征在于，基于权利要求8中所述的一种防止储能电池热失控扩散的导热和隔热自适应切换石墨烯复合膜，包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的石墨烯复合膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，在相变材料注入模具过程中，施加压力，排出填充物种的气泡。

技术总结本发明的一种防止储能电池热失控扩散的导热和隔热自适应切换石墨烯复合膜及制备方法，该石墨烯复合膜包括上下两层石墨烯薄膜，两层石墨烯薄膜边缘包覆有微孔复合膜；两层石墨烯薄膜之间填充有复合相变材料和螺旋状形状记忆合金单元。石墨烯具有很强的导热性能与良好的韧性，在储能电池正常工作时，对储能电池进行有效散热。相变材料在两层石墨烯薄膜之间充当高效的热界面材料，可以降低热界面热阻，同时相变材料具有较高的潜热，当储能电池发生热失控时，可以吸收大量热量。形状记忆合金在高温情况下会发生高温超弹性，恢复奥氏体相状态，从而产生作用力将石墨烯薄膜撑开，形成隔热气层，降低导热率，从而达到抑制电池热失控导致的热蔓延行为。技术研发人员：韩超灵,承语洁,肖鹏,王志荣,郑杨艳,卢亚伟,孙蓉,王浩受保护的技术使用者：南京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10