一种可用于锂离子电池热管理以及热失控抑制的微观封装无机相变材料及其制备方法和应用

本发明涉及相变储能材料领域及电池热管理及热失控，尤其是涉及一种可用于锂离子电池热管理以及热失控抑制的微观封装无机相变材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、锂离子电池作为目前新能源交通以及电力储能领域的主要能量载体，其应用形式和安全性能也备受关注。随着锂离子电池的广泛应用，其潜在的热安全问题逐渐暴露。锂离子电池由于在充电/放电过程中会产生大量的热量，因此极易发生由于自身过热而导致的火灾、爆炸事故，造成巨大的财产损失和人员伤亡。

2、为了保证电池的安全运转，电池热管理系统应运而生，可以将电池表面温度和组内温差控制在理想范围。基于相变材料的被动热管理系统是目前极具发展前景一种热管理技术，因其质量结构轻巧、散热能力高效、与其它热管理方式的耦合协作能力高、无需外加能耗等优点受到广泛关注。相变材料可以在相变过程中吸收大量的热量而保持自身恒温，从而帮助电池实现快速降温和均温的目的。此外，相变材料还被证实可以延缓或抑制电池热失控及其蔓延的发生，保障人员与设备安全。目前绝大多数基于相变材料的电池热管理研究和技术均选用石蜡等有机相变材料，尽管有机相变材料因其高稳定性备受青睐，但其可燃性成为了阻碍其在电池热管理领域普及的重要因素。据资料显示，有机相变材料燃点远低于电池热失控温度，因此在滥用环境中，可燃相变材料极有可能被高温或电池热失控的火焰直接引燃，从而增加电池火灾风险和燃烧危害。

3、与有机相变材料不同，以无机水合盐为代表的无机相变材料完全不可燃，并且拥有不亚于有机相变材料的高潜热值，发展前景可观。然而，水合盐依靠受热脱出结晶水而完成相变储能过程，其发生固液相变后的泄漏以及水分蒸发的问题使得其在锂离子电池热管理等储能领域的实际应用受到极大限制，因此水合盐封装技术及其在电池系统中的应用技术亟待开发。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种形态稳定、抗燃性高的无机相变材料及其封装制备技术，并将其应用于锂离子电池系统的热管理及热失控抑制中，推动水合盐相变材料的实际应用，并解决传统电池热管理技术中有机相变材料的可燃问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种可用于锂离子电池热管理以及热失控抑制的微观封装无机相变材料，该微观封装无机相变材料由50wt％-80wt％无机相变材料芯材和20wt％-50wt％无机封装基质组成，其中，无机相变材料芯材被封装于无机封装基质中；

3、所述无机相变材料芯材为无机水合盐-十二水合磷酸氢二钠；所述无机封装基质为二氧化硅，由四乙氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷共同发生水解缩合反应生成得到。

4、优选的，所述微观封装无机相变材料的微观封装尺寸为200-350nm，相变温度为50-51℃，相变潜热为71.4-111.7kj/kg。

5、一种微观封装无机相变材料的制备方法，该制备方法采用本发明所述材料质量组成和以下工艺：以十二水合磷酸氢二钠为芯材，以四乙氧基硅烷与3-氨基丙基三乙氧基硅烷作为二氧化硅基质的反应前体，通过乳液界面聚合法，硅前体在十二水合磷酸氢二钠表面水解缩合生成二氧化硅，制备出微观封装无机相变材料。

6、优选的，制备工艺包括以下步骤：

7、(1)熔融无机相变材料混合少量去离子水形成水相；一定质量的乳化剂与油性溶剂形成油相；将水相与油相充分搅拌混合，获得小分子均匀稳定的油包水乳液。

8、(2)将四乙氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷先后加入到(1)中获得的油包水乳液，发生水解缩合反应得到白色固态沉淀，过滤、洗涤、干燥得到微观封装的无机相变材料粉末。

9、优选的，所述步骤(1)中所用油性溶剂为液体石蜡，所述乳化剂为非离子型乳化剂聚山梨酯80和失水山梨醇酐单油酸酯80复配的复合乳化剂，复合乳化剂与油性溶剂的质量比为1:15-1:2。

10、优选的，所述步骤(1)中搅拌温度为40-44℃；搅拌速率为1200-1400rmp；搅拌时间为1-1.5h。

11、优选的，所述步骤(2)中所用四乙氧基硅烷与3-氨基丙基三乙氧基硅烷的质量比为4:1；

12、所述步骤(2)中四乙氧基硅烷和3-氨基丙基三乙氧基硅烷总质量与无机相变芯材质量比例为1:1-1:4，对应最终微观封装无机相变材料由中无机相变材料芯材50wt％-80wt％和无机封装基质20wt％-50wt％的构成比例；

13、所述步骤(2)中搅拌温度为40-44℃，搅拌速率为800-1000rmp，搅拌时间为9-10h。

14、一种微观封装无机相变材料的在锂离子电池热管理及热失控抑制中的应用，将所述微观封装无机相变材料填充电池模组间隙或包裹电池周围，可以进行电池热量与温度管理，并在极端情况下抑制电池热失控事故。

15、微观封装的反应机理如下：十二水合磷酸氢二钠经亲水性聚山梨酯80和亲油性失水山梨醇酐单油酸酯80乳化剂的辅助下，均匀分散到油溶剂中，得到稳定的油包水乳液；缓慢加入四乙氧基硅烷，在弱碱性水合芯诱发作用下，逐渐水解形成二氧化硅前驱体低聚物，并附着于油界面处；加入3-氨基丙基三乙氧基硅烷，由于亲水性胺基的存在，3-氨基丙基三乙氧基硅烷分子更容易穿过界面进入水相；此外，由于胺基电离为nh3+，使得界面附近水层中oh-浓度增加，也为二氧化硅前驱体的水解和缩聚提供了合适的碱性环境。在碱性环境下，四乙氧基硅烷和3-氨基丙基三乙氧基硅烷进一步水解并缩合形成二氧化硅，将无机相变材料芯材进行微观封装，所制备材料可用于锂离子电池及相关能源领域的热管理、热能转化与储存。

16、本发明具有高热焓值和适宜的相变温度区间，可用于降低电池在正常放电倍率以及高放电倍率下的表面温度，确保电池的安全运行，并可以有效延缓电池热失控的发生；同时本发明具有高抗燃性，可以有效避免因相变材料被引燃而加剧火灾风险和热危害的情况。

17、因此，本发明采用上述的一种可用于锂离子电池热管理以及热失控抑制的微观封装无机相变材料及其制备方法和应用，具备以下有益效果：

18、本申请与现有材料相比，本发明因为采用了将无机相变材料封装于无机二氧化硅基质中的技术手段，有效避免了无机相变材料在固液相变时容易泄漏的技术问题，提高了无机相变材料在储能领域的实际应用能力；此外，本发明所制的微观封装无机相变材料所用芯材和封装基质均为无机物质，解决了原有用于对电池热管理的有机相变材料可燃的技术问题，同时推动了水合盐封装技术在电池系统中的进一步发展，为无机相变材料在锂离子电池热管理中的应用提供了有效的技术解决方案。

19、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种可用于锂离子电池热管理及电池热失控抑制的微观封装无机相变材料，其特征在于，该微观封装无机相变材料由50wt％-80wt％无机相变材料芯材和20wt％-50wt％无机封装基质组成，其中，无机相变材料芯材被封装于无机封装基质中；

2.根据权利要求1所述的一种可用于锂离子电池热管理及电池热失控抑制的微观封装无机相变材料，其特征在于，所述微观封装无机相变材料的微观封装尺寸为200-350nm，相变温度为50-51℃，相变潜热为71.4-111.7kj/kg。

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种可用于锂离子电池热管理及电池热失控抑制的微观封装无机相变材料的制备方法，其特征在于，该制备方法采用本发明所述材料质量组成和以下工艺：以十二水合磷酸氢二钠为芯材，以四乙氧基硅烷与3-氨基丙基三乙氧基硅烷作为二氧化硅基质的反应前体，通过乳液界面聚合法，硅前体在十二水合磷酸氢二钠表面水解缩合生成二氧化硅，制备出微观封装无机相变材料。

4.根据权利要求3所述的一种可用于锂离子电池热管理及电池热失控抑制的微观封装无机相变材料的制备方法，其特征在于，制备工艺包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种可用于锂离子电池热管理及电池热失控抑制的微观封装无机相变材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中所用油性溶剂为液体石蜡，所述乳化剂为非离子型乳化剂聚山梨酯80和失水山梨醇酐单油酸酯80复配的复合乳化剂，复合乳化剂与油性溶剂的质量比为1:15-1:20。

6.根据权利要求4所述的一种可用于锂离子电池热管理及电池热失控抑制的微观封装无机相变材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中搅拌温度为40-44℃；搅拌速率为1200-1400rmp；搅拌时间为1-1.5h。

7.根据权利要求4所述的一种可用于锂离子电池热管理及电池热失控抑制的微观封装无机相变材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中所用四乙氧基硅烷与3-氨基丙基三乙氧基硅烷的质量比为4:1；

8.根据权利要求1-2任一项所述的一种可用于锂离子电池热管理及电池热失控抑制的微观封装无机相变材料的应用，其特征在于，将所述微观封装无机相变材料填充电池模组间隙或包裹电池周围，可以进行电池热量与温度管理，并在极端情况下抑制电池热失控事故。

技术总结
本发明公开了一种可用于锂离子电池热管理以及热失控抑制的微观封装无机相变材料及其制备方法和应用，属于相变储能材料领域及电池热管理及热失控领域技术领域，该微观封装无机相变材料由无机相变材料芯材‑十二水合磷酸氢二钠和无机封装基质‑二氧化硅组成，芯材通过乳液界面聚合法被封装于基质中，提高了材料的形态稳定性，避免了无机相变材料在发生固液相变时的泄漏以及对电池的腐蚀问题。本发明还提供了所述微观封装无机相变材料的在锂离子电池系统中的应用，该相变材料在实现了不同放电倍率下的电池热管理以及电池热失控的抑制的同时，也解决了原有用于电池热管理的有机相变材料可燃的技术问题。

技术研发人员：孔得朋,戴心怡,平平
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16