锂离子电池单元的安全问题，主要由热失控引起，已成为限制其在能源领域更广泛应用的根本瓶颈。相变材料系统是一种可用的热管理策略，可以抑制电池的热失控，然而，高功率和能量密度之间未解决的权衡极大限制了其实际应用。在这里，作者展示了一种高功率和能量密度的高效热管理系统，采用双曲石墨烯相变材料，防止锂离子电池单元的快速热积累。这种复合材料由双曲石墨烯框架和石蜡组成，在 12.5 wt%石墨烯负载下，展现出约 30.75 W/mK 的超强热导率和超高的潜热保持率（90%），超过了大多数已报道的相变复合材料。作者证明他们的石蜡-石墨烯复合材料（PGC）在高功率密度下的有效能量密度几乎提高了三倍，与商业石蜡相比。使用 PGC 系统保护的电池组在 3.75 C 速率能力下的温度低于 60℃，远低于裸电池组的约 120℃。 这项研究 PGC 系统扩展了锂离子电池的可用性和安全性，并提供了一种可靠的电池热管理策略，以实现极快充电的目标。
 


Fig 1. LIB 电池的 PGC 热管理系统。(a) LIB 电池热失控的三个阶段。(b) 带有 PGC 冷却系统的电池组的示意图及其在 30 A 充放电循环期间的数字照片和热成像。(c) 裸电池组的示意图及其在 30 A 充放电循环期间的数字照片和热成像。
 


Fig 2.  PGC 材料的制造和特性。(a) PGC 制造的代表性示意图。(b) 一卷 GO 薄膜，(c) 长度约为 200 cm、宽度约为 13 cm 的 HGA。(d) 大型平面 PGC 单体和拱形 PGC 单体。(e) GO 薄膜、(g) HGA 和(i) PGC 的横截面 SEM 图像。(f) GO 薄膜、(h) HGA 和(j) PGC 的表面 SEM 图像。
 
 
Fig 3. PGC 的热和电加热特性。(a) HGA 含量与 PGC 热导率之间的关系。(b) 不同 HGA 含量的 PGC 的 DSC 曲线。(c) PGC 的潜热和比热随 HGA 含量的变化。(d) 潜热保持与热导率的比较，参考之前的研究。(e) HGA 含量与 PGC 电导率之间的关系。(f) PGC 在不同电流密度下的温度上升曲线及其在 0.75 A/cm ² 下的热成像。
 
 

Fig 4. PGC 的有效能量密度和功率密度。(a) PCM 的有效能量密度和功率密度的原型设备及其相关参数。(b) 在输入功率为 0.34 W 时，石蜡和 PGC 的温度升高曲线。(c) 石蜡和 PGC 的有效能量密度与功率密度的关系。30 wt%处有效能量密度和功率密度的下降用虚线标记。(d) PGC 的斜率(E/P)与 HGA 含量的关系。(e) 石蜡和含有 12.5 wt% HGA 填料的 PGC 的有效能量密度随厚度的变化。
 
 
Fig 5. 高速充放电锂离子电池单元的热管理。(a) 裸电池组和 PGC 系统在 2.75 到 3.75 C 容量率下的温度上升曲线。(b) 裸电池组和 PGC 系统在 3 C 速率下进行 10,000 次充放电循环期间的温度变化。(c) 在 10,000 次充放电循环中，带有 PGC 系统的电池组的容量和库仑效率。
 
       这项研究工作由浙江大学Chao Gao、Kai Pang/Liwu Fan/Shengying Cai团队于2025年共同发表在《Energy Storage Materials》期刊上，High power and energy density graphene phase change composite materials for efficient thermal management of Li-ion batteries，原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104003

转自《石墨烯研究》公众号