相变材料在电池热管理系统中的先进设计与集成策略

近日中国矿业大学刘昌会团队在锂离子电池相变热管理领域发表了详尽的综述文章，系统阐述了相变材料（PCMs）在电池热管理系统（BTMS）中的多尺度演进与先进设计策略 。相关论文以“Advanced design strategies of phase change materials for battery thermal management”为题发表在学术期刊Renewable and Sustainable Energy Reviews上。

在全球“双碳”目标与新能源转型的推动下，凭借高能量密度和长循环寿命等优势，锂离子电池已成为新能源汽车和大规模储能系统的核心动力源。然而，电池在充放电过程中极易产生热量积聚，不仅会严重缩短电池寿命，甚至可能引发热失控，导致起火或爆炸等灾难性后果 。传统的电池热管理技术（如风冷、液冷）虽然取得了一定进展，但仍受限于换热效率低、系统复杂等固有限制。PCM凭借其恒温控温、高储能密度和零能耗运行的三大核心优势，为突破传统热管理瓶颈提供了全新路径。本综述建立了一个从基础材料创新到宏观系统集成的多尺度系统框架，梳理了先进PCM电池热管理系统在以下几个维度的核心进展：

①材料创新：详细分类了相变材料体系，并聚焦电池热管理的特殊需求，全面总结了旨在提升导热性、结构稳定性与热安全性的前沿改性策略，如纳米材料增强、柔性化设计、阻燃改性和生物基相变材料开发等。

②应用形态与场景适配：系统性评估了PCM与电池单体间的物理集成形态，涵盖接触附着型、涂层/薄膜型、浸没型及内置型等，深入对比了各类封装构型在不同工程场景下的应用优势与局限性。

③混合系统耦合：为了克服纯被动相变策略固有的热耗散瓶颈，综述重点评估了将PCM与主动流体回路（液冷、风冷）、高导热无源器件（翅片、热管）以及热电制冷等策略进行功能耦合的混合架构。

④特殊需求响应：针对复杂严苛的工程场景，提出了一体化响应策略，重点探讨了适应机械应力的结构柔性适配、基于本征阻燃的绝对热安全防护，以及兼顾低温预热与高温散热的全气候宽温域调节方案。

图1本综述的内容概览（a）2017-2025年电池热管理相关出版物数量趋势；（b）电池热失控的诱因和后果；（c）常见BTMS方法及其优缺点；（d）PCM的应用原理和三大优势；（e）本综述的内容架构与逻辑路线。

图2基于相变材料的锂电池热管理技术发展历程

图3应用于BTMS的固-固相变材料的分子设计与合成机制（a）基于聚乙二醇（PEG）、苯基膦酸和三苯基甲烷-4,4',4"-三异氰酸酯接枝交联反应的固-固相变材料合成工艺流程。（b）氧化膦基固-固相变材料的合成原理及分子间相互作用机制示意图。（c）聚氨酯（PU）基相变材料的制备过程及热能存储与释放机制示意图。（d）多相材料在热能存储/释放及机械拉伸过程中软相与硬相的结构演变示意图。（e）面向多功能应用的可回收固-固相变材料的机制、结构与性能

 图4相变材料涂层技术及其电池热管理应用（a）涂覆MP-SBN-30的18650锂离子电池的热管理原理、测试装置及温度变化示意图。（b）基于紫外（UV）固化工艺的电池涂层技术及其热管理效果图。

因此，本综述将分散的技术进展整合到一个统一的、以功能为导向的框架中以应对复杂的工程场景。通过结合对机制的深刻洞察与对系统权衡的平衡对比分析，绘制了一张清晰的技术路线图，引导研究人员和工程师开发高可靠、抗气候干扰的下一代电池热管理系统。

中国矿业大学耿龙硕士（现为西安交通大学博士研究生）为论文第一作者，中国矿业大学刘昌会副教授为论文通讯作者。本论文得到了中央高校基本科研业务费专项资金的支持。

论文链接：Advanced design strategies of phase change materials for battery thermal management | Renewable and Sustainable Energy Reviews