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河北祥鹄科学仪器有限公司

解决方案 | XH-200A 超快微波加热成型稳定的热包装,提供 PEO全固态电池的工作温度

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【摘要】:
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引 言
 

全固态电池(ASSB)因其高能量密度和卓越的安全性而被认为是便携式电子设备的未来储能系统。在替代固态电解质(SSE)中,基于聚环氧乙烷(PEO)的SSE因其易于制造和与锂金属的良好界面亲和力而受到广泛研究。然而,ASSB可达到的比容量与环境温度密切相关。特别是当基于PEOASSB在低温下运行时,由于电解质的低离子电导率,它们的容量会急剧下降。为解决这一问题,以往低温固态电池研究常用的方法是调整电解液成分,如添加填料提高离子电导率、开发低结晶、高盐溶解度的电解液。然而,这些策略的效果有限,因为调整Li+传输的成分仅在特定位置有效。它们还涉及复杂的制造程序,并且对于大型电池组来说成本太高。即使电解质成分经过良好调整,基于PEOASSB50-70℃左右的温度下也表现出最佳的电化学性能。因此,需要通过加热组件来提供合适的温度。

 

电池预热已被证明是提高锂离子电池容量的有效方法。电池预热的方法包括内部预热和外部预热。内部预热具有热损失低的优点。Cui等人设计了一种热调制集流体来实现冷启动ASSB。然而,内部预热要求电池内的热分布高度均匀,以防止锂枝晶和局部过热引起的过充。外预热虽然安全方便,但需要辅助加热系统,如环境箱、温度烘箱等,辅助设备体积大、效率低,严重阻碍了外预热方式的发展。

 

与大容量储热系统相比,相变材料(PCM)重量轻,可以在恒定的工作温度下释放大量热量,已广泛用于热管理装置。然而,以前PCM的应用主要集中在热能储存和电池冷却方面。原始PCM存在固有热导率低、需要大量添加剂和泄漏倾向等问题。一些高导热性二维纳米填料被构建为连续稳定的结构以解决这些问题。Xu等人制备了一种基于连接良好且连续的SiC骨架的复合PCM,具有高达20.7 Wm−1K−1的高导热率和70%的孔隙率,可用于快速和紧凑的潜能储存。Lin等人报道了一种3D石墨烯骨架(GS),其灵感来自通过径向冷冻铸造的蜘蛛网结构,表现出优异的横向导热性和有效的形状稳定性以防止泄漏。然而,这些策略中的大多数都需要复杂的结构设计,并且对PCM的热性能有显著的负面影响(例如,主要的焓损失)。构建合成工艺简单、材料经济的骨架复合材料具有重要意义。氧化铝陶瓷由于具有稳定、轻便和低成本的特点,近年来受到重视。六方氮化硼是一种很有前景的热系统候选材料,具有高导热性和化学稳定性。它们都有望提高PCM的性能。此外,传统加热方式导致的加热时间长也是PCM应用的一个棘手问题。微波(MW)法作为一种最先进的加热方式,以其加工速度快、能效高、成本低等优点而备受关注。它已被广泛用于材料合成、改性和大规模生产。之前的工作表明,PCM利用其吸收和释放热能的特性,在微波辐射下与高介电材料结合可以实现快速储能。然而,直接使用介电材料改性PCM涂覆ASSB进行微波加工是不安全的,因为改性PCM会在微波过程中液化并暴露ASSB的金属封装。这些裸露的金属部件会反射微波并产生强烈的光发射和热点。非常需要设计一种策略来为ASSB提供理想的工作温度,该策略既要考虑合成过程以实现简便、可扩展的生产,又要考虑复合材料的功能以实现快速和安全的加热。

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成果简介
 

近日,来自西安交通大学韩晓刚、夏明岗团队提出了一种具有高效石墨烯改性相变材料(GPCM)和微波热能存储系统的功能性防漏骨架(氧化铝陶瓷和氮化硼),用于提供ASSB的工作温度。该复合材料由氧化铝陶瓷纤维、氮化硼和GPCM制备而成,具有优异的热性能,如导热率大幅提高(64.6%)和低热损失(11.27%)。卓越的热效应已通过微波吸收实验和模拟得到详细证实。通过微波辐照包裹有复合材料的ASSBASSB可以通过快速、安全、低功耗的加热途径实现室温1分钟内的冷启动。而且,石墨烯中多尺度特性的结合增加了复合材料在微波处理过程中产生的热能。此外,用作便携式辅助加热设备的复合材料(GPBC)使ASSB能够展现出在1 C55°C烘箱中放置的ASSB92%的容量。这项工作为通过外部预热实现全合成电池的高效和广泛应用提供了一条独特的途径。该研究以题目为“Ultrafast microwave heated form-stable thermal package providing operating temperature for PEO all-solid-state batteries”的论文发表在储能领域著名期刊《Energy Storage Materials》。

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正文导读
 

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【图1】用于热能转换的GPBC设计。(a)微波辐射下PA/G变化和石墨烯加热机制的示意图。(b)GPBC中的防泄漏效果示意图、BN-CF封装的主要机制以及在带有GPBC的软包ASSB PACK中的应用。

 

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【图2】(a)CF、(b)BN、(c)CF@BN、(d)PA/G、(e)PA/G@CF、(e)PA/G@BN-CF的SEM图像。(g)XRD图和(h)CF、BN、PA/G、PA/G@BN-CF的拉曼光谱

 

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【图3】PA/G和复合材料的热能储存特性。(a)DSC曲线。(b)PA/G、PA/G@CF、PA/G@BN-CF的热导率。(c)本工作与其他代表工作的热损失比较。(d,e)PA/G、(f,g)CF@BN和(h,i)PA/G@BN-CF的数码照片和红外图像经100 W微波处理。(j,k)(h)在室温下放置2分钟的数码照片和红外图像。

 

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【图4】样品的微波吸收特性和模拟。(a)样品的复介电常数。(b)测量S11曲线。PA/Gcf)、PA/G@CFdg)、PA/G@BN-CFeh)的电流密度和功率损耗密度。

 

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【图5】具有GPBCASSB的冷启动行为和ASSB的电化学性能。(a)微波加热过程中的红外图像。(b)(a)在室温下放置2分钟的红外图像。(c)加热结束时带GPBCASSB红外图像(100 W60 s,连续微波)。(d)本工作中使用的ASSB内部结构示意图。(eMW-ASSBASSB55℃烘箱中0.5 C时的充电(3.5 V平台)/放电(3.3 V平台)曲线(fASSBMW-ASSB55℃烘箱中0.5 C时的循环性能,以及MW-ASSBASSB的电化学阻抗谱(插图)。

 

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【图6GPBCASSB工作中的应用。(aGPBC在冷却过程和烤箱/微波炉加热过程中的温度曲线。(bGPBC|ASSB|GPBC的插图。(c)显示具有GPBCASSB空间温度分布的红外图像。(dASSB在不同条件下的电化学阻抗谱。(eGPBC|ASSB|GPBC1 C时的恒电流充电/放电曲线。(f)用于比较MW-GPBCOven-GPBC的总时间(加热和充电)的直方图。(g)在加热结束时微波预热3ASSB@4GPBC的红外图像(100 W120 s,连续微波)。(h)不同宽度/高度的ASSB的传热模拟:边界处恒温(60℃)下的厚度比。

 

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总结与展望
 

总之,通过将功能性防泄漏骨架与GPCM相结合的策略成功实现了1分钟内的快速冷启动和ASSB的辅助循环运行,以构建高效的微波热能系统。该复合材料不仅具有出色的热性能,例如导热率大幅提高(64.6%)和低热损失(11.27%),而且还是一种有效的封装系统。GPBC表现出快速均匀的加热能力,以及令人满意的形状稳定性能。通过微波吸收测试和电磁仿真,GPBC具有均匀分布的电流和功率损耗,从而具有出色的热性能。机理分析表明,CF骨架优异的PCM封装能力是由于强烈的物理相互作用,具有多尺度特征的还原氧化石墨烯有助于在微波处理过程中产生热能。GPBC提供了一种快速、可重复且低功耗的加热解决方案,以帮助ASSB在几分钟内从室温开始。此外,GPBC|ASSB|GPBC1 C时表现出高容量(92%ASSB置于55℃烘箱中),因为GPBC起到辅助加热系统的作用。总的来说,这项工作提供了一种简便的方法,可以借助功能性防漏复合材料实现ASSB的亚分钟级冷启动。它实现了快速高效的传热,拓宽了高比能ASSB以及其他智能电子设备的应用范围。

 

 

参考文

 

Yang, C., Yin, H., Lou, Q. et al. Ultrafast microwave heated form-stable thermal package providing operating temperature for PEO all-solid-state batteries. Energy Storage Materials (2023).

DOI: 10.1016/j.ensm.2023.102814

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.102814

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