上海交大王如竹/李廷贤团队ACS Central Science期刊封面论文:近零能耗自适应智能型电池热管理新策略

发布时间:2020-08-17

【研究背景】

电池热管理技术是维持电动汽车安全、高效工作的关键技术之一,目前商业化的动力电池热管理技术主要以风冷和液冷为主,通常存在结构复杂、体积大、能耗高等不足近年来,基于固-液相变材料的电池热管理技术受到广泛关注,利用相变过程的吸热效应可以将电池温度控制在相变温度附近,但受限于固-液相变较低的相变焓值(例如石蜡200-250 kJ kg-1),该技术的应用将大幅增加电动汽车的载重负荷。相较于固-液相变,气-液相变过程具有十倍以上的相变焓值(例如水~2400 kJ kg-1),尽管基于蒸发-冷凝气-液相变过程的热管散热技术可以实现高的传热系数,但其冷却功率仍依赖于冷凝侧的空气散热,需要额外的辅助散热设计。近年来报道的开放式水蒸发散热技术可以实现高能量/功率密度的电池热管理,但由于不具备可逆循环性需进行阶段性补水,且液态水的存在带来电池的潜在风险。因此,开发新型高效的电池热管理技术具有重要的研究意义与应用价值。

 

【成果简介】

近日,上海交通大学王如竹教授和李廷贤副教授领衔的能源-空气-水ITEWA创新团队(Innovative Team for Energy, Water & Air)在能源化学领域顶级期刊ACS Central Science上发表了题目为“Near-Zero-Energy Smart Battery Thermal Management Enabled by Sorption Energy Harvesting from Air”的交叉学科研究论文。该论文首次提出了从环境空气中捕获能量实现近零能耗、高能量/功率密度的自适应智能型电池热管理新思路,阐述了基于水蒸汽吸附材料的脱附散热/吸附加热的电子器件热管理机制,筛选并制备了适用于电池热管理的多孔有机金属骨架(MOF)/泡沫碳高导热复合吸附材料,验证了该智能型电池热管理策略用于电池全年候运行时夏季散热、冬季预热的可行性。本文第一作者是制冷所博士研究生许嘉兴、晁京伟和李廷贤副教授,通讯作者是李廷贤副教授和王如竹教授。该论文因显著的新颖性入选ACS Central Science期刊的封面论文。


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期刊封面:基于水蒸汽吸附材料“脱附散热-吸附加热”的智能型电池热管理策略



【文章简介】

1.   基于水蒸汽吸附材料“脱附散热-吸附加热”的电子器件热管理策略

近年来,水蒸汽吸附被广泛研究应用在吸附制冷、吸附储能、除湿、空气取水等领域。上海交通大学ITEWA创新团队提出了一种基于水蒸汽吸附材料“脱附散热-吸附加热”的电子器件热管理策略,采用吸附材料与环境空气中的水蒸汽为吸附工质对,利用水蒸汽吸附过程的放热效应与脱附过程的吸热效应实现对热管理器件的加热或冷却(图1)。冷却模式:电子器件/电池高功率运行时,当其温度高于材料的脱附温度后,吸附材料开始向外界空气脱附水蒸汽,通过消耗解吸热的形式吸收热量达到冷却控温效果;当电子器件/电池温度低于吸附材料的吸附温度后,吸附材料开始从环境空气中吸附水蒸汽并储存在孔内用于下一循环的脱附散热。加热模式时:电子器件/电池在低温环境起始运行需预热时,干燥的吸附材料从空气中吸附水蒸汽,利用释放的吸附热量达到预热效果;当电子器件/电池的温度高于材料的脱附温度后吸附材料开始脱附水蒸汽完成再生,通过与外界空气隔绝实现吸附势能的储存用于下一循环的吸附加热。


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图1. 基于水蒸汽吸附材料“脱附散热-吸附加热”的智能型热管理工作原理



水蒸汽吸附材料“脱附散热-吸附加热”的热量调控策略需要依赖吸附材料及时有效的再生以实现重复使用,而电动汽车动力电池具有放电-充电-闲置的间歇性工作特征,因此基于吸附-脱附原理的热管理新思路是实现电池热管理的潜在方法之一。相较于其他电池热管理策略,基于水蒸汽吸附-脱附的热管理策略具有独特优势,主要表现为高能量密度、高功率密度、近零能耗、无液体、自适应等特征。

 

2.   吸附剂筛选、优化、表征与性能测试

为实现上述吸附-脱附热管理效果,作者提出了适用于热管理的水蒸汽吸附材料需具有以下特征:(1) 材料具有适中的亲水性以满足在环境温度湿度下可以吸附水蒸汽并在热管理工作温度下脱附水蒸汽;(2) 具有S型等温吸附线特征以满足在较小的温度切换下实现吸附-脱附切换;(3) 高的水蒸汽吸附/脱附量以获得较高的放热/吸热量;(4) 快速的水蒸汽吸附/脱附速率以获得较高的加热/冷却功率;(5)材料具有较好的热稳定性以满足多次循环使用。


由于吸附材料在热管理工作时暴露在空气中,可以近似视为等压吸附/解吸过程(压力即为环境中水蒸汽压力),因此作者比较了常见的多孔吸附材料在典型冬季环境(水蒸汽分压1kPa)与夏季环境(水蒸汽分压3kPa)下的等压变温解吸特性,对比发现水蒸汽吸附MOF材料可以满足较小温差驱动下的吸附-脱附,其中MIL-101(Cr)表现出了最佳的水蒸汽吸附-脱附能力与适宜的工作温区(图2)。


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图2. 典型水蒸汽吸附材料的等压变温解吸平衡曲线



为了克服多孔MOF材料热导率较低制约传热能力的问题,采用喷涂的方法将纳米级MOF颗粒均匀分散在多孔碳CF内部制备了MOF@CF复合吸附材料(图3b),相对MOF材料的热导率提高了4-5倍以上。通过对材料的吸附性能测试发现该优选的MOF材料在30℃,60%相对湿度的典型夏季气候下,具有较低的脱附温度(35-45℃);在10℃,80%相对湿度的典型冬季气候下,可以吸附升温至最高20-30℃(图3f),因此较完美地切合动力电池热管理控温范围,该智能电池热管理策略适用于全球主要大城市的相对湿度与温度工况(图3g)。


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图3. 基于水蒸汽吸附MOF材料的智能电池热管理概念设计

 

作者通过研究MOF材料在不同温度下的动态脱附特性发现该MOF在高于室温5℃时即会发生脱附吸热效应。在高于环境温度10度以上时,材料具有较高的脱附速率,表明在更高的驱动温度下可以获得更高的脱附吸热功率(图4左图)。因此,基于该材料的脱附冷却电池热管理策略具备自适应的特征,在越高的电池温度下展现出了更高的降温功率。此外,作者研究了该材料在夏季使用工况下的循环稳定性,材料在15度的切换温差下(30度吸附和45度脱附)展现了稳定的1.0g/g高循环工作量,其吸放热密度高达2262 kJ/kg(图4右图)。 


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图4. MIL-101(Cr)在热管理使用工况下的脱附动力学与循环稳定性

 

3.   智能电池热管理策略用于电池高温冷却

在材料筛选、优化、表征与性能测试的基础上,作者使用单节商业化18650锂电池构建了智能电池热管理演示装置。受益于水蒸汽脱附过程的高焓值,电池演示装置仅采用了0.51克MOF材料即可实现单节电池所有焦耳热的吸收,该质量数值仅为电池质量的百分之一。通过与空电池的对照实验对比发现采用了智能电池热管理的18650锂离子电池可以获得最高8.3℃的降温效果,并使电池温度控制在45℃以下。相较于固-液相变热管理技术,基于MOF材料的水蒸汽吸附智能电池热管理展现了2~12倍更高的冷却功率密度,因此具有显著的高能量/功率密度优势,有利于构建高效、紧凑的电池热管理系统。在单节电池智能电池热管理验证实验的基础上,作者构建了四节串联的18650锂电池包,初步探索并验证了基于水蒸汽吸附的智能电池热管理策略在电池包中使用的可行性,并指出实际的电池包智能热管理应用需要进一步的传热传质设计与优化。 


图5. 夏季散热工况下的单节锂电池智能热管理实验验证.png

图5. 夏季散热工况下的单节锂电池智能热管理实验验证     


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图6. 夏季散热模式下的四节锂电池包智能热管理实验验证


4.   智能电池热管理策略用于电池低温预热

在冬季预热模式下,为解决MOF材料的脱附再生问题,作者提出了一种利用电池内部的焦耳热或充电站的外部电源加热MOF材料驱动其脱附的再生方法(图7b)。作者成功验证了在2.4C快充工作状态下,仅依靠电池内部的焦耳热大部分的水蒸汽可以顺利被脱附(图7c)。脱附完成后的MOF材料与空气隔绝以保持干燥状态,在电池启动前将干燥的MOF材料与环境中的水蒸汽连通实现吸附放热。受益于较快的吸附速率,MOF材料展现出了较快的产热响应速率,并最终使得18650锂离子电池获得了8℃的温升效果(图7a)。通过多次的循环验证实验发现使用该智能电池热管理策略的锂电池获得了更深的充放电效果,电池容量提升9.2%(图7d)。 


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图7. 冬季加热模式下的单节锂电池智能热管理实验验证

 

【总结】

该工作提出了从环境空气中捕获能量实现近零能耗、高能量/功率密度的自适应智能型电池热管理新思路,阐述了基于水蒸汽吸附材料的脱附散热/吸附加热的电子器件热管理机制,筛选并制备了适用于电池热管理的多孔有机金属骨架(MOF)/泡沫碳高导热复合吸附材料,验证了该智能型电池热管理策略用于电池全年候运行时夏季散热、冬季预热的可行性,使用电池质量百分之一的MOF材料实现了单节锂离子电池的高温散热与低温加热。

 

Jiaxing Xu,† Jingwei Chao,† Tingxian Li,†,* Taisen Yan, Si Wu, Minqiang Wu, Bingchen Zhao, and Ruzhu Wang*. Near-Zero-Energy Smart Battery Thermal Management Enabled by Sorption Energy Harvesting from Air. ACS Central Science 2020, DOI:10.1021/acscentsci.0c00570



来源:能源学人



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