一种相变储能蓄热材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及相变储能蓄热材料，更具体地，本发明提供了一种相变储能蓄热材料及其制备方法。


背景技术：

2.高能量密度的动力锂离子电池作为汽车作用的理想储能设备，广泛应用于汽车产业中，其带来的电池发热造成的自燃问题日益凸显出来，锂离子电池最佳工作温度范围为15～50℃，因此，电池热管理系统对于提高电池寿命以及电池安全性能至关重要。
3.传统液冷技术散热效果好，但整个系统复杂，成本较高不利于维护，液体泄露会影响整个电池组。相比于其他的电池热管理系统，相变材料冷却具有回收利用率高、温度平台宽，相变过程体积变化小等优势，通过相变材料储能吸热，以达到冷却锂离子电池组，可以解决冷系统的复杂性且降低电池包的体积，提升电池包的体积功率密度的问题。
4.但是传统的相变储能蓄热材料的单位体积储能低，导热性差，相变导热率较低，一般需要耦合其他散热系统；且当锂离子电池过热产生燃料时也快速燃烧，加大了锂离子电池包的危险性。
5.相变储能吸热在精密工业中具有很大的作用，而相变储能形式可以分为固
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固相变储能和固液相变储能，其中的固
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固相变储能蓄热材料是通过晶体结构的转变来吸收或放出热量，而固
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液相变储能则是通过固液形态转变来存储能量。为了克服固液相变中液体存在的流动性造成对保护材料和环境的污染，而固
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固储能材料无液体产生、无腐蚀，对制作技术要求不高是一类很有前景的蓄势材料。
6.一些无机盐类相变可以承受较高温度，多元醇类则在40～200℃具有较好的相变吸热能力。因些开发一些复合相变储能材料，一方面可以提升材料蓄热能力，另一方面改善相变材料的导热性能。
7.石蜡作为精炼石油的副产品，由直烷烃混合而成，具有性能稳定、相变潜能大、过冷度小、无腐蚀性、价格低廉的等特点；此外石蜡的相变温度与动力锂电池的工作温度范围较为接近，能经历多次相变而不改变其热特性，因而称为目前常用的锂电池热管理用相变材料，但是石蜡作为相变材料的缺点是导热率低，现有技术中已有通过添加高导热率的材料来提高相变材料整体的导热率；例如，公开文件“泡沫铝_石蜡复合相变材料蓄热实验研究”中记载到通过在实例中添加高导热率的多孔介质，例如泡沫金属，可以提高石蜡相变材料的导热系数，尤其是采用多孔泡沫铝
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石蜡复合相变材料吸放热，一方面，泡沫铝制造成本较高，不利于商业化应用，另一方面，只有当多孔铝材料达到一定的量和体积时才能达到隔热储能效果，用量较大，不适用于汽车锂离子电池，不利于提高动力电池的能量体积比，这种多孔泡沫铝
‑
石蜡复合相变材料以及现有技术中的其他复合相变材料均存在制备工艺复杂、成本高的问题。


技术实现要素：

8.为解决以上存在的技术问题，本发明提供了一种相变储能蓄热材料及其制备方法，通过增加单位体积的储能值，改善了相变材料的热传导率，实现相变材料在明火发生时也不发生明火燃烧，且大幅度降低了相变材料的制备成本。
9.本发明提供一种相变储能蓄热材料的制备方法，所述方法包括：
10.步骤s1：称取一定量的si粉、bi粉及sb粉的混合粉体(简称混合粉体ma)烧结粉碎，直至获得的si
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bi
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sb粉体中微米球直径范围在0.5～1.5μm，再用乙醇和丙酮进行清洗、真空干燥；
11.步骤s2：称取一定量的al2o3粉末，所述al2o3粉末中的al2o3微米球直径约为1～5μm；将步骤s1处理后si
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bi
‑
sb粉体和所述al2o3粉末加入到稀溴酸、乙醇及丙酮的混合溶液中进行超声混合后，清洗、静置过滤，干燥后得到si
‑
bi
‑
sb与al2o3混合粉体(简称混合粉体mb)；
12.步骤s3：将步骤s2获得的si
‑
bi
‑
sb与al2o3混合粉体置于γ
‑
氨丙基三甲氧基硅烷与石蜡中，搅拌4小时混合、成型即可得目标产物。
13.优选的，步骤s1中，直至获得的si
‑
bi
‑
sb粉体中微米球直径为0.9～1.1μm。
14.优选的，步骤s2中，所述al2o3微米球直径约为2～3μm；
15.优选的，步骤s2中，所述si
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bi
‑
sb粉体与al2o3粉体重量比为(1.5～3):1。进一步优选的，步骤s2中，所述si
‑
bi
‑
sb粉体与al2o3粉体重量比为1.5:1。
16.优选的，步骤s3中，混合粉体mb与石蜡的质量比范围为：(2～7):1；
17.优选的，步骤s2中，所述稀溴酸、乙醇及丙酮的质量比为1：1.5：3。
18.优选的，步骤s2中，所述超声混合时间为30～60分钟；
19.优选的，步骤s3中，所述γ
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氨丙基三甲氧基硅烷的用量是稀溴酸质量的0.5倍。
20.作为本发明的一种优选技术方案，所述si
‑
bi
‑
sb粉体占稀溴酸、γ
‑
氨丙基三甲氧基硅烷、乙醇及丙酮混合溶液的重量比为20～40wt.％。更优选地，si
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bi
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sb粉体占稀溴酸、γ
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氨丙基三甲氧基硅烷以、乙醇及丙酮混合溶液的重量比为35wt.％。
21.作为本发明的一种优选技术方案，步骤s1中，所述si粉、bi粉及sb粉的混合粉体烧结粉碎具体步骤包括：
22.步骤s11：si粉、bi粉及sb粉按重量比为(3～6):(2～4):1进行配比；
23.步骤s12：将步骤s11配比后的si粉、bi粉及sb粉混合，置于700℃的保护气氛下熔炼1小时以上，获得si
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bi
‑
sb块体；
24.步骤s13：在保护气氛下对经步骤s1熔炼后的si
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bi
‑
sb块体进行球磨，所述球磨速率为600rpm/min，时间至少为10小时。
25.优选的，步骤s11中，所述si粉、bi粉及sb粉按重量比为5:2:1进行配比。
26.优选的，步骤s12和步骤s13中，所述保护气氛下具体为在氮气保护气氛下。
27.有益效果：
28.相变储能材料制备过程中，本发明所述相变储能蓄热材料，通过si
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bi
‑
sb复合物与石蜡组合实现热传导、阻燃、熔点及相变吸热量之间平衡状态。
29.现有相变材料易燃烧，熔点较低、材料导热率较低，相变储能量较小，难以在较小体积下瞬间导热及吸收大量热量的目的。本发明通过调节si
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bi
‑
sb粉体中各元素含量，si
‑
bi
‑
sb粉体与al2o3比例，以及si
‑
bi
‑
sb粉体与石蜡的比例，可以优化相变储能蓄热材料的熔点、导热率以及能量储存量，实现300～550℃下高的导热性及储能性，能够对锂离子电池包中瞬间热量进行调控缓冲，避免锂离子电池包中瞬间热失控，在有明火时也不发生剧烈燃烧。其中si、bi及sb的含量影响晶相的成分及比例，其粉体直径大小，进一步影响吸收能量的能力，而al2o3添加比例可以影响导热率，石蜡的含量也影响材料的导热率，从而进一步影响材料的吸热能力。石蜡含量较少时，则不易粘结成型。而当si
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bi
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sb复合物较少时，则储能吸热能力较差；本发明通过优化条件并实现最优的成份配比以达到理想的储能吸热效果。
具体实施方式
30.本文使用的所有技术及科学术语能够被本领域的技术人员及科研人员理解，且具有相同含义。当存在不一致情况时，以本说明书中的定义为准。
31.参考本发明的优选实例实施方法的详细内容以及实施例可以进一步理解本次发明所公开内容。本说明书中的术语“包含”，“包括”，“具有”，“含有”以及其它限定用语，意在覆盖其它非排它性的内容。例如，本说明书中所列举的原料成份、各成份间比例。实施步骤、实施条件、实施方法、中间产品、最终产品及所需装置的要求。
32.实施例1
33.本发明的实施例1提供了一种相变储能蓄热材料及其制备方法，制备原料包括si
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bi
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sb、al2o3、以及石蜡。
34.si
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bi
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sb粉体与al2o3粉体重量比为1.5:1。si
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bi
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sb与al2o3的复合物与石蜡的质量比4:1；稀溴酸、γ
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氨丙基三甲氧基硅烷以、乙醇及丙酮的重量比为1：0.5：1.5：3。
35.si
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bi
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sb粉体占稀溴酸、γ
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氨丙基三甲氧基硅烷以、乙醇及丙酮混合溶液的重量比为40wt.％。
36.al2o3微米球直径约为2～3μm，si
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bi
‑
sb粉体微米球直径约为0.9～1.1μm。
37.si
‑
bi
‑
sb粉体中元素si、bi、与sb的质量比为5：2：1。
38.所述相变储能蓄热材料的制备过程包括：
39.(1)将si
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bi
‑
sb中的各元素按比例配比，置于700℃的保护气氛下熔炼1小时；
40.(2)在保护气氛下对si
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bi
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sb熔炼后的块体进行球磨，球磨速率为600rpm/min，时间为10小时。
41.(3)球磨后的si
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bi
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sb粉末用乙醇和丙酮进行清洗，真空干燥1小时；
42.(4)将所得si
‑
bi
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sb粉末与al2o3粉末加入到稀溴酸、乙醇及丙酮的混合溶液中进行超声混合清洗，静置过滤，干燥后得到si
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bi
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sb与al2o3混合粉体。
43.(5)将混合粉体置于γ
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氨丙基三甲氧基硅烷与石蜡中进行搅拌4小时，可得si
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bi
‑
sb复合物；
44.(6)将si
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bi
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sb复合物与石蜡进行混合后成型，可得目标产物。
45.实施例2
46.本发明的实施例2提供了一种相变储能蓄热材料，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，si
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bi
‑
sb与al2o3的复合物与石蜡的质量比7:1。
47.实施例3
48.本发明的实施例3提供了一种相变储能蓄热材料，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，si
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bi
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sb与al2o3的复合物与石蜡的质量比2:1。
49.实施例4
50.本发明的实施例4提供了一种相变储能蓄热材料，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，si
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bi
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sb粉体与al2o3粉体重量比为2.5:1。
51.实施例5
52.本发明的实施例5提供了一种相变储能蓄热材料，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，si
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bi
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sb粉体与al2o3粉体重量比为3:1。
53.实施例6
54.本发明的实施例6提供了一种相变储能蓄热材料，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，si
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bi
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sb粉体中元素si、bi、与sb的质量比为3：3：1。
55.实施例7
56.本发明的实施例7提供了一种相变储能蓄热材料，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，si
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bi
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sb粉体中元素si、bi、与sb的质量比为6：4：1。
57.实施例8
58.本发明的实施例8提供了一种相变储能蓄热材料，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，si
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bi
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sb粉体占稀溴酸、γ
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氨丙基三甲氧基硅烷以、乙醇及丙酮混合溶液的重量比为20wt.％。
59.实施例9
60.本发明的实施例9提供了一种相变储能蓄热材料，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，si
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bi
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sb粉体占稀溴酸、γ
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氨丙基三甲氧基硅烷以、乙醇及丙酮混合溶液的重量比为35wt.％。
61.测试结果
[0062][0063]