中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：5月24日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦，200余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十一屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)在杭州洲際酒店召開(kāi)。此次大會(huì)主題是“堅(jiān)守儲(chǔ)能安全底線，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展”。來(lái)自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國(guó)內(nèi)外駐華機(jī)構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機(jī)構(gòu)等不同領(lǐng)域的718家產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，1952位嘉賓參加了本屆大會(huì)，其中88家企業(yè)展示了儲(chǔ)能產(chǎn)品。
在5月26日下午的“新型儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用”專場(chǎng)，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所副研究員靳俊分享了主題報(bào)告《高能密度儲(chǔ)能電池安全策略》。經(jīng)演講人本人授權(quán)同意，小編整理了演講速記，并將速記內(nèi)容分享如下：
靳俊：首先，感謝組委會(huì)的邀請(qǐng)，本次報(bào)告我將從以下四方面進(jìn)行介紹（圖示）。
儲(chǔ)能電池的應(yīng)用非常廣泛，從上世紀(jì)90年代鋰電池普及以來(lái)，在各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，我們將其歸納為：廣、大、險(xiǎn)。廣，應(yīng)用領(lǐng)域比較廣，3C電池、電動(dòng)自行車和電動(dòng)汽車上已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。大，在風(fēng)能、太陽(yáng)能電池發(fā)電等領(lǐng)域都需要的大規(guī)模儲(chǔ)能電站。險(xiǎn)，指在國(guó)防軍工等特殊領(lǐng)域以及涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)重大領(lǐng)域，包括醫(yī)院、銀行、交通樞紐等。
以電動(dòng)汽車為例，目前仍然存在續(xù)航里程的問(wèn)題，同時(shí)在一些應(yīng)用場(chǎng)景存在一些安全問(wèn)題。針對(duì)能量密度問(wèn)題，我們可以看到這是一個(gè)能量金字塔結(jié)構(gòu)。在大規(guī)模儲(chǔ)能，我們可以看到鈉硫電池、鋰離子電池以及其他化學(xué)儲(chǔ)能電源已經(jīng)得到應(yīng)用。針對(duì)鋰離子電池，為了提高能量密度，我們可以通過(guò)優(yōu)選電極材料進(jìn)行匹配，采用更高比容量的正負(fù)極材料，不久的將來(lái)有望可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池達(dá)到500Wh/kg的目標(biāo)。
在電池安全方面，我們主要從三個(gè)方面來(lái)考慮：第一，反應(yīng)體系設(shè)計(jì)。我們以beta-Al2O3固態(tài)電解質(zhì)電池為例，主要有鈉硫電池和鈉氯化物電池鈉硫電池也發(fā)生過(guò)一些安全事故，為了提升電池安全性，開(kāi)發(fā)鈉氯化物電池，這樣可以解決電池的一些安全問(wèn)題。第二，電解質(zhì)體系設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的鋰離子電池還是基于可燃易揮發(fā)的有機(jī)電解液為主的，為了解決它的安全問(wèn)題，我們通過(guò)采用固態(tài)電解質(zhì)替代有機(jī)質(zhì)電解質(zhì)。第三，介質(zhì)體系。這里主要指燃料電池、液流電池體系。
針對(duì)固態(tài)鋰離子電池體系，從圖中也可以看出，目前該研究在國(guó)際上目前還是屬于熱點(diǎn)，美國(guó)、日本、歐洲等都制定了固態(tài)電池的發(fā)展規(guī)劃。我國(guó)相關(guān)部門也制定了很多的發(fā)展規(guī)劃，目前很多企業(yè)也在布局固態(tài)電池。從以上的幾種電池體系對(duì)比可以看出，通過(guò)對(duì)固態(tài)電池的體系優(yōu)化，是可以期望獲得更高的能量密度。
在固態(tài)電池體系設(shè)計(jì)方面，活性物質(zhì)可以分為：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。氣態(tài)是以燃料電池作為代表，液態(tài)以鈉硫電池為代表，因?yàn)殁c硫電池的工作溫度一般是在300-350度，這時(shí)候鈉、硫都會(huì)熔融態(tài)。固態(tài)體系是以鋰離子電池作為典型代表。目前，以上幾類電池都已經(jīng)形成了一定的規(guī)模。
（圖示）在高比能儲(chǔ)能電池設(shè)計(jì)方面，我們前期也做了一些工作。從圖中可以看到，我們正極是采用高容量硫或三元，負(fù)極采用金屬鋰，這樣可以設(shè)計(jì)出500瓦時(shí)/公斤的固態(tài)電池。大家可以看這張表，基于兆瓦時(shí)電池系統(tǒng)，可以看到，對(duì)能量密度的提升，不光是需要單體電池有高的能量密度，同時(shí)系統(tǒng)集成還是有很多需要考慮的方面。為提升能量密度，主要是正、負(fù)極和電解質(zhì)等材料的體系選擇。為解決安全性問(wèn)題，采用固態(tài)電解質(zhì)，當(dāng)然，固態(tài)電解質(zhì)也有很多的體系，包括氧化物體系、硫化物體系、聚合物體系以及復(fù)合電解質(zhì)體系。
（圖示）這是我們做的一些基于固態(tài)和液態(tài)界面的工作?？梢钥吹?，基于全固態(tài)電池，由于在界面接觸問(wèn)題，造成界面阻抗會(huì)比較大，循環(huán)過(guò)程中容易短路。但是在活性物質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)的界面，通過(guò)設(shè)計(jì)之后，它對(duì)抑制鋰枝晶作用就會(huì)有很好的改善，包括介質(zhì)穩(wěn)定性、CCD得到了很好的提升。
（圖示）陶瓷電解質(zhì)隔膜的高溫鈉電池，這是兩個(gè)典型的代表，左邊是日本NGK的鈉硫電池，我們研究團(tuán)隊(duì)從上世紀(jì)七八十年代開(kāi)始研究，也做到了一定的規(guī)模。Zebra電池，主要在一些特殊領(lǐng)域，包括煤礦、救援、潛航等對(duì)安全要求比較高的領(lǐng)域得到一些應(yīng)用。美國(guó)GE公司已經(jīng)做很多工作。
（圖示）這是我們前期做的一些器件以及系統(tǒng)。針對(duì)鈉電池，我們團(tuán)隊(duì)最早做的是鈉硫電池，鈉硫電池是做到國(guó)際上最大的單體電池，650Ah。后續(xù)，我們也開(kāi)展了鈉氯化物電池研究，大家可以看到一致性是不錯(cuò)的，也做了一些系統(tǒng)
圖中可以看到左上角是日本當(dāng)時(shí)鈉硫電池電站發(fā)生的燃燒事故，鈉硫電池燃燒以后無(wú)法滅火，只能等電站完全燒塌。所以針對(duì)單體電池，我們對(duì)陶瓷管失效、封接部位、界面問(wèn)題，開(kāi)展了一些模擬工作，對(duì)我們后續(xù)電池模組的設(shè)計(jì)做了一些探索。
在陶瓷電解質(zhì)體系，我們主要通過(guò)以下六方面對(duì)電池體系做一些設(shè)計(jì)，包括：第一，陶瓷管的設(shè)計(jì)。要提高它的致密度、機(jī)械強(qiáng)度，在強(qiáng)循環(huán)下的熱循環(huán)。第二，陰極設(shè)計(jì)。第三，負(fù)極管設(shè)計(jì)。這里面有一些特殊的構(gòu)造，是為了防止電池在失效過(guò)程中造成單體電池或者系統(tǒng)里的內(nèi)循環(huán)問(wèn)題。第四，電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第五，電化學(xué)監(jiān)控設(shè)備。第六，模塊設(shè)計(jì)。
（圖示）這個(gè)體系最早是在鈉硫和鈉氯化物電池里做的研究，也有一些研究人員把這個(gè)體系擴(kuò)展到固態(tài)鋰電池里。大家可以看到這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)在鋰離子電池里有一些原理型設(shè)計(jì)。
（圖示）這是我們通過(guò)固態(tài)電解質(zhì)原位引發(fā)制備的阻燃性電解質(zhì)體系。
（圖示）可以看到電池在長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性還是不錯(cuò)的。組裝的電池通過(guò)剪切、火燒，電池也沒(méi)有發(fā)生一些安全事故。當(dāng)然，這還在實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證階段。
（圖示）在“十三五”的時(shí)候，我們牽頭了一個(gè)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，高安全性長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能型固態(tài)電池的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究工作，這個(gè)項(xiàng)目集合了多家單位，包括高校、研究所、企業(yè)等，針對(duì)材料體系、界面、電芯、系統(tǒng)、失效機(jī)制開(kāi)展了研究。重點(diǎn)是基于電網(wǎng)對(duì)高安全長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能的需求，開(kāi)展軟包固態(tài)電池的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。
（圖示）這是項(xiàng)目研究過(guò)程中兩個(gè)固態(tài)電池企業(yè)開(kāi)發(fā)的能量型和功率型的電芯。大家可以看到單體電池基本上能夠做到30Ah以上，循環(huán)穩(wěn)定性做的也還不錯(cuò)，目前在安全方面，我們也做了第三方的評(píng)估，滿足要求?，F(xiàn)在兩家企業(yè)各自研制的儲(chǔ)能電池模塊，目前已經(jīng)接入電網(wǎng)，正在進(jìn)行示范運(yùn)行。
做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)：從目前的固態(tài)電池體系向大容量高安全的全固態(tài)儲(chǔ)能電池體系發(fā)展，從根本上需要解決安全性問(wèn)題。加速固態(tài)電池的智能制造技術(shù)植入，提升全固態(tài)電池工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能用固態(tài)電池規(guī)?；?，降低成本。第三，推進(jìn)新型材料體系的技術(shù)開(kāi)發(fā)，借用原位以及尖端分析階段闡明材料本質(zhì)問(wèn)題。第四，深入開(kāi)展固態(tài)電池服役過(guò)程中的失效分析，建立并完善儲(chǔ)能用固態(tài)電池的標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)固態(tài)電池的測(cè)試評(píng)估。第五，加速推進(jìn)大容量固態(tài)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的示范，為固態(tài)電池大規(guī)模應(yīng)用積累數(shù)據(jù)。第六，開(kāi)發(fā)新型的固態(tài)電池儲(chǔ)能技術(shù)。
謝謝大家！
主持人：下面，有請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院電工研究所電子器件散熱技術(shù)研究組組長(zhǎng)、研究員徐立，分享《電池?zé)峁芾砑夹g(shù)研究》，歡迎！
徐立：非常感謝江老師，也非常感謝大會(huì)給我們這次增加的交流機(jī)會(huì)，特別感謝在座的各位嘉賓能堅(jiān)持到最后。
我是來(lái)自中國(guó)科學(xué)院電工研究所電子器件散熱技術(shù)組的徐立，在座各位嘉賓可能熟悉我們中國(guó)科學(xué)院電工所儲(chǔ)熱所的陳永翀老師。我代表我的組和在座各位嘉賓分享一下我們的一些研究成果。
我的報(bào)告主要分為四部分：第一部分，電池?zé)峁芾淼闹匾?；第二部分，電池?zé)峁芾淼募夹g(shù)形式；第三部分，固-液相變糊狀區(qū)微觀研究；第四部分，固-液相變仿生流道。
電池?zé)峁芾?，熱的表征就是溫度，電池是一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)，不可避免是和溫度緊密相關(guān)的，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)是要在一定溫度下進(jìn)行的。不能太低，低了電解液就凍掉了，根本不發(fā)生反應(yīng)。更大的問(wèn)題就是對(duì)高溫的問(wèn)題，如果產(chǎn)生很大的高溫，釋放不掉，會(huì)帶來(lái)一系列嚴(yán)重的后果，包括材料的破壞，甚至包括爆炸。從溫度的角度來(lái)說(shuō)，對(duì)電化學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)、充放效率、可充性、電池壽命和循環(huán)次數(shù)有關(guān)，這只是給性能或者說(shuō)從成本的角度上有一些保障。
未來(lái)電池的發(fā)展趨勢(shì)，其實(shí)這和大家用的手機(jī)是一樣的，它的性能要不斷提升，電池也是，它的功率和容量也是要不斷提升的。換句話說(shuō)，對(duì)我們功率密度是要逐漸加大的，單位體積或者說(shuō)單位質(zhì)量功率更強(qiáng)。
最關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題就是可靠性和安全性的問(wèn)題。我們看這張圖，是一則新聞，這次大會(huì)有很多研究者都提到了北京豐臺(tái)爆炸的問(wèn)題，從我個(gè)人的角度和大家分享一下，這個(gè)地點(diǎn)距我家很近，1-2公里，它其實(shí)就是一個(gè)賣家具的大賣場(chǎng)，里面有很多充電樁。目前北京電動(dòng)汽車發(fā)展的非?？?，對(duì)充電樁的需求很大，因此它在很多地點(diǎn)建設(shè)了很多充電樁，它是光伏，配合一定的光伏，給充電樁提供電。我的家具就是在這兒買的，大家想想，作為一個(gè)普通人，如果遇到這樣的情況，也是非常擔(dān)心的，也是非常可怕的。大家在地圖上查一下，這個(gè)地點(diǎn)還是一個(gè)很關(guān)鍵的地點(diǎn)，它在北京的南四環(huán)內(nèi)，東側(cè)其實(shí)就是大家熟悉的北京最重要的一條道，就是中軸線，它的位置很重要，離天安門、中南海的距離是10公里以內(nèi)。所以說(shuō)，它發(fā)生了這種傷亡事件，而且新聞的標(biāo)題是“在毫無(wú)征兆的情況下突發(fā)爆炸”，所以說(shuō)引起了大家的關(guān)注。目前北京類似這種給充電樁提供儲(chǔ)能配套的，都處在安全檢查階段，什么時(shí)間恢復(fù)，現(xiàn)在還不知道，所以它帶來(lái)的后果是比較嚴(yán)重的。
因此，熱管理在安全性、可靠性中起到了很大的作用。之前很多報(bào)告講的，主要是從火災(zāi)的角度上來(lái)講的，就是說(shuō)著火之后怎么處理。我們熱管理是在之前避免發(fā)生，我們有足夠的能力去給它提供一定的散熱能力，即使發(fā)生很大的熱量，我們能夠及時(shí)吸收掉，并排放掉，這是我們熱管理所起到的作用，是在事先，而消防安全是在事后。
（圖示）這幅圖展示的就是電池產(chǎn)熱的一個(gè)主要原理，主要是三種不同的機(jī)理。上面的機(jī)理是我們最熟悉的焦耳熱，有電流、電阻，電流、電阻增大，焦耳熱就增大，會(huì)提高溫度。還有就是電化學(xué)，它有化學(xué)反應(yīng)，有放熱的反應(yīng)。這個(gè)圖的橫坐標(biāo)是放熱的深度，隨著放熱，化學(xué)的熱也不斷放出，也對(duì)我們的溫度做出了很大的貢獻(xiàn)。最后一個(gè)是熵?zé)?，它的作用不是很大，但是它也是隨著放熱的深度發(fā)生變化的。這張圖一是向大家展現(xiàn)了產(chǎn)熱的不同機(jī)理，二是說(shuō)溫度預(yù)測(cè)是很難的，從機(jī)理的角度上來(lái)說(shuō)是很難的。因?yàn)槲覀兛吹诫S著放熱深度的不同，各個(gè)機(jī)理產(chǎn)生的熱都是不同的，我們很難說(shuō)有精確的，從數(shù)值模型角度上，它有，但是它的精度有多高。另外，它和我們的產(chǎn)品是直接相關(guān)的，比如說(shuō)材料的品質(zhì)，以及加工工藝的問(wèn)題，都對(duì)電池的加工工藝有影響。因此，我們從理論的角度可以提供一個(gè)數(shù)值供大家參考，但是這和實(shí)際情況下熱量的產(chǎn)生、溫度的升高，都是不同的。
還有一種方法就是通過(guò)我們測(cè)量的手段，其實(shí)現(xiàn)在的一些管理都包括了測(cè)量，但是測(cè)量的點(diǎn)、測(cè)量的準(zhǔn)確性，測(cè)量受到其他因素的影響，最終對(duì)管理系統(tǒng)起到多大的影響，準(zhǔn)確率有多高，其實(shí)還是有疑問(wèn)的。
下面，給大家簡(jiǎn)單介紹一下我們電池?zé)峁芾碇凶畛Ｓ玫膸追N手段：第一，強(qiáng)迫空氣。就像我們現(xiàn)在的空調(diào)，不斷提供冷風(fēng)，把電池表面的熱帶走。第二，強(qiáng)迫液冷。這次參展的也有好幾家做這塊，通過(guò)冷卻介質(zhì)或者水冷，都是屬于強(qiáng)迫液冷。第三，浸沒(méi)?，F(xiàn)在在數(shù)據(jù)中心一部分有應(yīng)用，但是在電池這塊也有應(yīng)用，比如說(shuō)奧迪的電動(dòng)汽車，但是只是從實(shí)驗(yàn)室的概念級(jí)別提出了浸沒(méi)式的概念，把電池浸在液體中，把電池釋放的熱量提取出來(lái)。第四，熱電制冷。主要是通過(guò)通一些電流，產(chǎn)生大的溫差，實(shí)現(xiàn)一些制冷的效果。這個(gè)有使用，但是極少，主要是在電池測(cè)試系統(tǒng)中有應(yīng)用，因?yàn)樗撵`敏度很高。第五，熱管。第六，相變材料。最近這幾年大家研究的很多，我們實(shí)驗(yàn)室也在這方面有了一定的研究工作，下面也給大家重點(diǎn)展示。
（圖示）右側(cè)這張圖，是經(jīng)典教材中都有一張圖，正好展示了電池目前熱管理的幾種換熱手段。最上面那條，是兩條線中間夾著一個(gè)區(qū)域，最上面夾的區(qū)域就是空氣自然冷卻，對(duì)應(yīng)下面的換熱能力是很小的，它是小規(guī)模，比如說(shuō)大家手上用的充電寶，通過(guò)空氣的自然冷卻就足夠了。對(duì)于工業(yè)上用的，特別是對(duì)于大規(guī)模電池要用的，肯定是需要一些強(qiáng)迫的手段，接下來(lái)就是強(qiáng)迫空氣的。再下面，能力高的就是浸沒(méi)式的冷卻，再下面就是水冷，還有就是利用我們浸沒(méi)式中液體沸騰的強(qiáng)烈換熱。
（圖示）給大家展示這張圖，主要是看黑色這條虛線，它代表著溫差，比如說(shuō)電池的熱表面，它的溫度和我們使用換熱介質(zhì)的溫度差值。第一條黑色的曲線和紅色曲線的向上焦點(diǎn)，它位于強(qiáng)迫空氣冷卻的區(qū)域，它表示什么？比如說(shuō)空氣的溫度要低于電池表面溫度20度的時(shí)候，表面的換熱力度是多少呢？還不到0.1W/平方厘米，這是它的能力。我們看另外一條紅色虛線和黑色虛線的焦點(diǎn)，它是水冷，就是水的強(qiáng)迫冷卻，它的換熱能力在4，這也是我們?cè)谶x擇換熱手段或者說(shuō)換熱技術(shù)時(shí)最為重要的一個(gè)依據(jù)。我們電池的工作環(huán)境，你需要多少，就有相應(yīng)的技術(shù)，有不同的溫差，有不同的換熱能量密度，這是我們?cè)谶x擇時(shí)最重要的一個(gè)依據(jù)。
其余兩條線主要是浸沒(méi)式的，是非相變的能力，它的能力大概在20度溫差左右，是0.4，要高于空冷，但是要低于水的強(qiáng)迫冷卻。我們說(shuō)浸沒(méi)式還有通過(guò)沸騰來(lái)進(jìn)行的冷卻方式，它在20度的時(shí)候，最高能達(dá)到10，它是空冷相同溫差下的100倍，效果是非常好的。但是沸騰帶來(lái)的一個(gè)相變問(wèn)題，就是對(duì)于我們系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，會(huì)產(chǎn)生很大的蒸汽壓力，所以這套系統(tǒng)也很復(fù)雜，所以我們多數(shù)用于數(shù)據(jù)中心的冷卻，目前還沒(méi)有用于電池?zé)峁芾?，電池?zé)峁芾淼慕](méi)式還是通過(guò)自然冷卻，現(xiàn)在商業(yè)化、規(guī)模化的還沒(méi)有。
下面，我和大家分享一下固-液相變。固-液相變有它的好處，首先它利用的熱是發(fā)生前熱，是在吸收或者釋放大量的熱量，而不是空氣冷卻或者水冷用的顯熱，我們知道顯熱的問(wèn)題在于它需要很大的溫差。相變尤其固-液相變，溫度的變化很小，在很小的情況下就能有很強(qiáng)的換熱量，特別適合電池?zé)峁芾矸矫?。因?yàn)樗膿Q熱和吸熱恰恰能與化學(xué)的反應(yīng)相匹配，因?yàn)槲覀兓瘜W(xué)的反應(yīng)本來(lái)就是一個(gè)吸熱和放熱的反應(yīng)，放在電池就是在充放電當(dāng)中，能夠和固-液相變有一個(gè)很好的配合，這是固-液相變主要的優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)在我們最主要用的強(qiáng)制風(fēng)冷和液冷技術(shù)相比，冷卻效率高。就液冷來(lái)說(shuō)，區(qū)別之前的浸沒(méi)式，這種液冷技術(shù)或者水冷肯定是要采用間接式換熱，不是和電池的壁面直接接觸，需要有一個(gè)外力來(lái)和電池?fù)Q熱。雖然它的能力相同情況下要比空氣高，但是實(shí)際上它還有一定的損失。但是在固-液相變就不同了，類似有浸沒(méi)的技術(shù)，可以把相變材料直接和熱的壁面相結(jié)合，所以效率高，結(jié)構(gòu)也緊湊，因?yàn)槭枪腆w，也不發(fā)生氣化，不需要很大的空間，而且安裝簡(jiǎn)單，不需要其他的耗功，成本低。
它還有一個(gè)特點(diǎn)，有效控制溫度降低，而且具有均溫。我們的溫度有高和低的地方，這樣放在相變材料中，相當(dāng)于是提供一個(gè)閾，可以使它的均勻性得到一定的提升，也比較好控制。因?yàn)樗枪?液相變，溫度發(fā)生點(diǎn)本身就很低，即使我有很大的熱量過(guò)來(lái)，也可以及時(shí)消化掉，這是它的能力。
制約它的一個(gè)缺點(diǎn)，就是它的導(dǎo)熱系數(shù)太低，導(dǎo)熱系數(shù)是熱量傳導(dǎo)的能力，就是說(shuō)它雖然冷卻能力強(qiáng)，但是它對(duì)于時(shí)間來(lái)說(shuō)，一定時(shí)間內(nèi)的傳遞是比較低的。就是說(shuō)，我可能接觸了這塊，很快就發(fā)生相變，遠(yuǎn)的地方可能還沒(méi)有發(fā)生相變，就是說(shuō)熱導(dǎo)率比較低，這也是制約固-液相變材料發(fā)展的關(guān)鍵因素。
我們課題組主要是關(guān)注固-液相變材料，主要是如何突破低導(dǎo)熱系數(shù)的問(wèn)題。我們主要從材料的機(jī)理方面開(kāi)始進(jìn)行研究，通過(guò)一些強(qiáng)化的手段，它涉及到固-液相變材料中哪些機(jī)理，哪些是我們掌握了，哪些是我們沒(méi)有掌握的，這很重要。相變材料，進(jìn)行熱管理中的一些相變材料，主要是多組分的物質(zhì)，所以它是有溫度差的，液相的溫度和固相的溫度，中間是有差距的。在兩個(gè)溫度之間，它有一個(gè)模糊區(qū)，這個(gè)模糊區(qū)存在于固相區(qū)和液相區(qū)之間，這個(gè)區(qū)就是液相和固相的混合區(qū)，所以模糊區(qū)才是相變材料融化和凝固的起始點(diǎn)，也是前熱釋放和吸收最集中的地方。因此，我們要從根本上對(duì)固-液相變材料從材料這個(gè)角度來(lái)進(jìn)行研究，不可少的是要本質(zhì)地認(rèn)識(shí)固-液相變的過(guò)程，特別是對(duì)于模糊狀區(qū)微觀的演化過(guò)程，涉及到哪些機(jī)理，有哪些表征，能夠?yàn)槲覀兊膫鳠徇M(jìn)行一些分析。在這些的基礎(chǔ)上，我們才能進(jìn)行下一步的強(qiáng)化手段，來(lái)彌補(bǔ)這種導(dǎo)熱系數(shù)不足的缺陷。
涉及到了微觀的一些原理，我們從不同尺度來(lái)進(jìn)行研究，因?yàn)閺牟牧蟻?lái)說(shuō)，從宏觀角度一直到納米級(jí)別，宏觀角度、微觀角度以及介觀角度，我們都進(jìn)行了不同的研究，它們之間有交叉、有對(duì)比。在這里主要和大家展示，微觀區(qū)主要考慮哪些問(wèn)題？表征它的一些模型，比如說(shuō)焓-多孔度的模型，比如說(shuō)模糊區(qū)常數(shù)。從微觀角度來(lái)說(shuō)，因?yàn)楝F(xiàn)在沒(méi)有相關(guān)的傳熱學(xué)在這塊有公認(rèn)的機(jī)理，那么我們就要從微觀演化過(guò)程，也就是從相變開(kāi)始到相變結(jié)束，它的微觀到底是怎么演化的，它涉及到的微觀傳熱、微觀動(dòng)力學(xué)是怎么變化的，我們首先要從微觀的角度上能觀察到。然后再進(jìn)行科學(xué)的明列，提出一些和我們模型相關(guān)的關(guān)聯(lián)式，以及一些模糊區(qū)滲透率。之后，通過(guò)宏觀和微觀的比較，從介觀的角度來(lái)對(duì)比模糊區(qū)域的流動(dòng)規(guī)律，總結(jié)出它的一些滲透率、模糊常數(shù)等等，這是通過(guò)宏、微觀的觀察，我們通過(guò)一些提煉和總結(jié)得到的。
（圖示）這是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中的一個(gè)工況，我們通過(guò)一些微觀觀察的手段，在右側(cè)這張圖片，在第一張圖選取了一個(gè)特定熔化區(qū)，隨著給兩側(cè)加熱，逐漸熔化，通過(guò)ABC一直到F這張圖，表征的區(qū)域完全由固態(tài)變成液態(tài)了。從表征區(qū)從固到液的變化，我們來(lái)觀察模糊區(qū)是怎么發(fā)生的，通過(guò)我們的觀察，發(fā)現(xiàn)最上面那張圖中看出來(lái)，其實(shí)在熔化過(guò)程的模糊區(qū)有一些類似絮狀的固體產(chǎn)生，這和我們觀察到的由液到固這樣一個(gè)逆過(guò)程是不同的。因?yàn)樵谀孢^(guò)程中，我們觀察凝固過(guò)程是非常明顯的，但是在熔化過(guò)程中，模糊區(qū)發(fā)現(xiàn)固、液之間的關(guān)系是很模糊的，呈絮狀。因此，我們發(fā)現(xiàn)模糊區(qū)中，熔化并不是凝固的一個(gè)簡(jiǎn)單逆向過(guò)程，也就是說(shuō)，從傳熱器的角度上來(lái)講，它的換熱能力是不同的，這與我們之前的一些理解是相反的。
為此，進(jìn)一步的研究，通過(guò)我們本身的觀察，固-液變化是怎么發(fā)生的，有怎樣的傳熱規(guī)律，能夠給我們提供哪些幫助?，F(xiàn)在我們想利用這些基礎(chǔ)研究，主要的目的就是強(qiáng)化，強(qiáng)化相變材料的換熱能力。通過(guò)我們的研究和觀察，主要是從仿生學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，從我們接觸的生物來(lái)說(shuō)，比如說(shuō)樹(shù)，我們看樹(shù)根的生長(zhǎng)，由粗變細(xì)，還有樹(shù)枝的分叉，都是有一定規(guī)律的。而且人體內(nèi)腎臟的傳輸管路，都是有一定規(guī)律的，它們都符合一定的規(guī)律。我們希望通過(guò)微尺度強(qiáng)化的手段，能夠改變相變材料的缺點(diǎn)（導(dǎo)熱性太低），希望從熱的區(qū)域，快速將熱分散到固體材料區(qū)中，利用我們相變材料前熱最大的優(yōu)勢(shì)，能夠把我們的熱量迅速導(dǎo)出去，然后通過(guò)相變材料能夠把溫度吸收上去。通過(guò)這些手段，能夠保障電池材料的溫度和相變材料的溫度，迅速給材料進(jìn)行冷卻。
從另外一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，空調(diào)冷卻、空氣冷卻也好，還是液冷也好，它們維持設(shè)計(jì)點(diǎn)的工況沒(méi)有問(wèn)題，但是一旦突發(fā)高的能量密度，就是說(shuō)溫度突然間增長(zhǎng)，但是它的換熱能力比較差，沒(méi)有一個(gè)消納的能力，只靠通過(guò)傳導(dǎo)熱，通過(guò)大氣。但是我們相變材料有它的優(yōu)點(diǎn)，就是能夠吸納熱量，能夠把我們產(chǎn)生的突然間的熱仍然吸納過(guò)去，再傳熱，能起到一個(gè)緩沖的作用。所以說(shuō)，對(duì)于突然發(fā)生熱量的時(shí)候，它能夠馬上消納，但是溫度卻基本不發(fā)生變化，所以說(shuō)對(duì)電池的冷卻有很大的變化。
（圖示）下面，這張圖是我們研究的成果，就是我們把一個(gè)熱的電池放在里面，如果我們不采取放生流道散熱的技術(shù)手段，達(dá)不到這樣的效果。通過(guò)下面這張圖，通過(guò)仿生的微通道，把熱量快速輸送到相變材料的各個(gè)部分，這樣相變材料的潛力充分發(fā)揮出來(lái)，在時(shí)間上也給電池贏得了很大的優(yōu)勢(shì)，能夠把熱量從電池的近端快速傳到遠(yuǎn)端，解決我們材料內(nèi)部不均勻的缺點(diǎn)。
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