鋰離子電池?zé)峁芾砑夹g(shù)研究進(jìn)展

摘 要：【目的】隨著鋰離子電池的廣泛應(yīng)用，需要對影響鋰電池使用性能和安全性的熱管理技術(shù)加以關(guān)注和研究?！痉椒ā烤C合分析了被動式、主動式和基于相變材料的復(fù)合式等三種熱管理技術(shù)的差異，總結(jié)了幾種主流熱管理方式包括自然冷卻、強制風(fēng)冷等的優(yōu)缺點和應(yīng)用場景?！窘Y(jié)果】無論是浸沒式液冷還是液冷機，冷卻效果均優(yōu)于強制風(fēng)冷和自然冷卻，但應(yīng)用會受到產(chǎn)品成本和密封性能的限制?！窘Y(jié)論】通過對三種熱管理技術(shù)的比較可知，主動式熱管理的冷卻效果優(yōu)于被動式；基于相變材料的復(fù)合式熱管理技術(shù)因具更良好的換熱潛能也將得到研究和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；熱管理；冷卻技術(shù)

中圖分類號：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）15-0081-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.018

Research Progress of Thermal Management Technology for Lithium-ion Batteries

ZHANG Pei YANG Liuqing

（Patent Examination Cooperation （Hubei） Center of the Patent Office， CNIPA， Wuhan 430000， China）

Abstract：[Purposes] With the widespread application of lithium-ion batteries， thermal management technology， which affects the performance and safety of lithium batteries， has received considerable attention and research.[Methods] This paper analyzes the differences among passive thermal management，active thermal management and composite thermal management based on phase change materials， and summarizes the advantages and disadvantages of free cooling， forced air cooling and so on.[Findings] Both immersion liquid cooling and liquid cooler have better cooling effects than forced air cooling and natural cooling， but their application is limited by product cost and sealing performance.[Conclusions] By comparing the three thermal management technologies， it is known that active thermal management has better cooling effects than the passive way. Composite thermal management technology based on phase change materials， with better heat transfer potential， will also be rapidly developed.

Keywords： lithium-ion batteries; thermal management; cooling technology

0 引言

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，作為核心產(chǎn)品的鋰離子電池也得到了廣泛應(yīng)用。鋰離子電池的應(yīng)用場景主要分為消費鋰離子電池、動力鋰離子電池和儲能鋰離子電池。但無論哪種應(yīng)用場景，溫度都是影響鋰離子電池安全性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

鋰離子電池正常的工作溫度一般為充電時0～60 ℃，放電時20～45 ℃。溫度過高易導(dǎo)致熱失控和電池老化，溫度過低會影響電池容量和效率。熱管理技術(shù)作為能使鋰電池系統(tǒng)保持正常工作溫度的關(guān)鍵技術(shù)，按照效果可分為三類：第一類能夠在電池系統(tǒng)溫度高時進(jìn)行有效冷卻；第二類能夠在外部環(huán)境溫度低時進(jìn)行預(yù)熱；第三類能夠有效減少電池模塊間溫度的不均衡。

溫度升高容易導(dǎo)致電池系統(tǒng)熱失控，造成安全性風(fēng)險，因此，本研究主要側(cè)重于電池系統(tǒng)的冷卻技術(shù)。按照是否引入外部能源來進(jìn)行分類，將熱管理技術(shù)分為被動式熱管理、主動式熱管理和復(fù)合式熱管理，并探討分析了三種熱管理技術(shù)的優(yōu)缺點和應(yīng)用場景。

1 被動式熱管理

被動式熱管理是指不使用外部能源的冷卻技術(shù)，主要分為自然冷卻技術(shù)和熱管冷卻技術(shù)。

1.1 自然冷卻技術(shù)

自然冷卻是指不使用外部冷卻設(shè)備實現(xiàn)電池組的冷卻，其冷卻效果主要取決于外部環(huán)境溫度和電池組的排布結(jié)構(gòu)。趙韓等［1］通過建立鋰離子電池組風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的三維仿真模型，并提出電池組散熱通道的改進(jìn)方案，使電池組的散熱效果顯著提高。黃錫偉等［2］通過建立電池組熱模型，對不同的散熱方案進(jìn)行對比，結(jié)果表明，自然冷卻下串行通道結(jié)構(gòu)優(yōu)于并行通道結(jié)構(gòu)。自然冷卻具備結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、成本低等特點，但其冷卻效果較差，不適用于對散熱要求高的應(yīng)用場景。

1.2 熱管冷卻技術(shù)

熱管冷卻的本質(zhì)為液體工質(zhì)相變導(dǎo)熱，主要通過液體工質(zhì)在蒸發(fā)端受熱后蒸發(fā)氣化，流向冷凝端進(jìn)行凝結(jié)，從而實現(xiàn)熱量的傳遞。熱管因其良好的導(dǎo)熱性能和較小的體積被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的散熱設(shè)計。影響熱管冷卻效果的因素包括熱管與電池組間的換熱面積、液體工質(zhì)的種類，因此提升熱管冷卻效果的途徑主要有以下三種。

第一種：合理設(shè)計熱管的結(jié)構(gòu)，增加換熱面積。雷波［3］研究了熱管結(jié)合導(dǎo)熱板在空氣冷卻和液體冷卻下的冷卻效果，結(jié)果表明，導(dǎo)熱板能有效增加電池與熱管的接觸面積，可以通過增加導(dǎo)熱板厚度和與電池組接觸角度明顯提升熱管的冷卻效果。王建等［4］研究熱管冷凝端長度對熱管冷卻效果的影響，試驗結(jié)果表明冷凝端長度的增加能增加與電池組的接觸面積，有效提升冷卻效果，但冷凝端過長也會增加電池組內(nèi)的溫差。

第二種：選擇熱阻小且合適工作范圍的液體工質(zhì)，并采用合適的充液率和工質(zhì)濃度。李燕等［5］建立通關(guān)脈動熱管試驗臺，分析在水冷條件下，充液率、工質(zhì)、傾斜角度等因素對熱管傳熱性能的影響。試驗結(jié)果表明，熱阻會隨著充液率增加而增大，且相對于無水乙醇和蒸餾水，丙酮的熱阻最低。

第三種：采用相變材料作為液體工質(zhì)，增加接觸面積，提高溫度一致性。劉軍等［6］研究了熱管類型和數(shù)量、環(huán)境溫度、復(fù)合相變材料用量對熱管冷卻效果的影響。結(jié)果表明，通過改變PCM/泡沫鋁/多空熱管復(fù)合相變材料的用量能有效提高散熱效率。

熱管技術(shù)的優(yōu)點在于不需要外部動力就能實現(xiàn)較高的導(dǎo)熱性能，且維護(hù)簡單。但由于熱管的容量較小和接觸面積小，并不適用于大規(guī)模電池模塊的散熱，同時熱管也無法對電池系統(tǒng)進(jìn)行加熱。

2 主動式熱管理

主動式熱管理是指需借助外部能源驅(qū)動的冷卻技術(shù)，包含強制風(fēng)冷技術(shù)和液冷技術(shù)。

2.1 強制風(fēng)冷技術(shù)

強制風(fēng)冷技術(shù)是指利用空氣作為冷卻媒介，通過風(fēng)扇或空調(diào)等外在風(fēng)冷設(shè)備對鋰電池組進(jìn)行冷卻。其冷卻效果主要受風(fēng)冷設(shè)備選型和布置，以及電池包內(nèi)外部風(fēng)道設(shè)計的影響。

尉孟濤等［7］設(shè)計了一種電池組并行通風(fēng)冷卻散熱結(jié)構(gòu)，證實了最優(yōu)結(jié)構(gòu)配合往復(fù)送風(fēng)策略可實現(xiàn)最佳冷卻效果。張鑫［8］通過建立鋰電池組兩種排列方式的三維模型，分析排列方式對散熱的影響，結(jié)果表明電池組按列排列散熱效果好。強制風(fēng)冷設(shè)計簡單、安全性高，且相對液冷成本較低，但受環(huán)境溫度影響較大，且冷卻效果不及液冷技術(shù)，無法滿足高倍率下大規(guī)模電池組的散熱需求。

2.2 液冷技術(shù)

液冷技術(shù)主要指利用冷卻液與電池組間進(jìn)行換熱。根據(jù)冷卻液是否直接接觸電池又分為直接液冷和間接液冷。

間接液冷主要是指驅(qū)動冷卻液流經(jīng)電池包液冷板時與電池進(jìn)行熱量交換。通常電池組的間接液冷系統(tǒng)包括液冷機、液冷管路、液冷板和冷卻液。相較于風(fēng)扇和空調(diào)，液冷機的成本更高，且該冷卻系統(tǒng)對液冷管路和液冷板的密封性能要求較高，否則在實際應(yīng)用中存在漏液風(fēng)險。間接液冷的冷卻效果主要受液冷機的功率、冷卻液的種類，以及液冷板的流道結(jié)構(gòu)和液冷管路的排布與管徑的影響。

許炳等［9］通過數(shù)值仿真的方法研究了改進(jìn)型“凸包”“縱向”和“橫向”流道的三種液冷板結(jié)構(gòu)在驅(qū)動耐久冷卻工況下的傳熱性能。在驅(qū)動耐久冷卻工況下，采用“橫向”流道液冷板相較于另兩種結(jié)構(gòu)的冷卻效果更佳。黃興華等［10］針對3-4排電芯的電池包提出了U形流道結(jié)構(gòu)的液冷板。Tang等［11］設(shè)計基于15°梯度角的微通道扁管冷卻裝置，采用該裝置的電池組在以2C倍率放電時其溫度不高于35 ℃。

直接液冷主要為浸沒式液冷。浸沒式液冷是指將電池包浸沒到冷卻介質(zhì)中進(jìn)行換熱，外部再設(shè)置冷卻液循環(huán)泵和冷凝裝置的冷卻方式。因電池直接接觸冷卻介質(zhì)，相較于間接液冷來說，換熱效率會進(jìn)一步提高，但同時對電池的密封性能要求也會更高。

根據(jù)不同換熱機理，浸沒式液冷又可分為單相浸沒式液冷和兩相浸沒式液冷。相較于兩相浸沒式液冷來說，單相浸沒式液冷的冷卻介質(zhì)不發(fā)生相變，僅為對流換熱，原理相對簡單，因此應(yīng)用較廣。單相浸沒式液冷常用的冷卻介質(zhì)為氫氟醚、硅油和烴類等。影響單相浸沒式液冷的冷卻效果的三類因素包括冷卻介質(zhì)的種類、介質(zhì)流速和電池組的排布。

盧乙彬等［12］對比分析了氟化液、硅油和礦物質(zhì)油對電池組的冷卻效果。王寧等［13］設(shè)計單管、雙管、盤型三種不同冷卻液分布箱的電池箱，數(shù)值仿真的結(jié)果表明，雙管型分布器的電池箱冷卻效果最優(yōu)。Liu等［14］通過試驗分析了礦物油在靜態(tài)和流動下對電池組的冷卻效果，結(jié)果表明，提高礦物油的流速能有效降低電池組表面溫度，但隨著流速進(jìn)一步提升，其降溫效果逐步減弱。試驗研究表明，兩種液冷技術(shù)的換熱效率和冷卻效果均優(yōu)于風(fēng)冷技術(shù)，但同時其密封要求和生產(chǎn)成本也會高于強制風(fēng)冷，因此其應(yīng)用場景主要為對溫度穩(wěn)定性要求高且對成本不敏感的領(lǐng)域。

3 復(fù)合式熱管理

相較于主動式熱管理和被動式熱管理技術(shù)，因相變材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，基于相變材料的復(fù)合式熱管理技術(shù)日益得到廣泛關(guān)注和研究，例如相變冷卻+風(fēng)冷、相變冷卻+液冷等。由于相變材料高昂的材料成本和封裝成本，且需與其他冷卻方式相結(jié)合，基于相變材料的復(fù)合式熱管理技術(shù)目前實際應(yīng)用較少。

相變材料根據(jù)材料的類型可分為兩類，一類是有機相變材料，包括石蠟、醋酸等，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、無腐蝕性和過冷度低等優(yōu)點，但熱導(dǎo)率低和熔融態(tài)易泄露；另一類為無機相變材料，包括石墨、熔融鹽等，相變焓高、熱導(dǎo)率高，但同時存在熱穩(wěn)定性差和過冷度高的缺點。兩種材料各有優(yōu)缺點，因此，有機-無機復(fù)合型相變材料成為研究的重點。

基于相變材料的復(fù)合式熱管理系統(tǒng)的冷卻效果主要受到兩方面因素的影響：一方面是相變材料的種類及其容器內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，會影響相變材料同電池間的換熱效果；另一方面是相變材料的外部冷卻裝置，會影響相變材料自身的冷卻效果。

賀春敏等［15］以新型納米材料Mxene和石蠟結(jié)合構(gòu)建復(fù)合型相變材料，當(dāng)石蠟和Mxene質(zhì)量比為1∶1時，該復(fù)合相變材料的冷卻效果最好。Karimi等［16］通過向純石蠟中添加銅、銀和四氧化三鐵納米顆粒制備成復(fù)合相變材料并測試其散熱性能，發(fā)現(xiàn)添加三種金屬納米顆粒的復(fù)合相變材料導(dǎo)熱性能得到明顯提升。

基于相變材料的復(fù)合式熱管理技術(shù)雖然起步較晚且成本較高，但因其較高的換熱效率和換熱潛能，隨著研究的推進(jìn)，其冷卻效果會優(yōu)于主動式和被動式熱管理技術(shù)，也將逐步應(yīng)用于更多的場景。

4 三種熱管理技術(shù)對比

無論是直接液冷還是間接液冷，其冷卻效果均優(yōu)于強制風(fēng)冷和自然冷卻，且風(fēng)冷和液冷這兩種熱管理技術(shù)是目前應(yīng)用最廣和比較成熟的鋰電池冷卻技術(shù)。熱管冷卻和相變冷卻因原理相對復(fù)雜，研究起步較晚，目前仍處于試驗研究階段，但熱管和相變材料良好的導(dǎo)熱能力，隨著研究的進(jìn)一步深入，將會得到更多的應(yīng)用和發(fā)展?；谙嘧儾牧蠌?fù)合式熱管理技術(shù)的換熱潛能優(yōu)于主動式熱管理和被動式熱管理技術(shù)，隨著電池系統(tǒng)換熱需求的提升，將得到更深入的研究和應(yīng)用。

5 結(jié)語

溫度作為影響鋰電池系統(tǒng)使用性能和安全性的關(guān)鍵因素，通過發(fā)展高效的熱管理技術(shù)對鋰電池運行溫度進(jìn)行有效控制，對推動鋰電池技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。隨著鋰離子電池在汽車、船舶甚至飛行器等動力領(lǐng)域、新能源儲能和戶用儲能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，鋰電池產(chǎn)品也將朝著更高能量密度和高倍率的技術(shù)方向不斷更新?lián)Q代。而新一代的鋰電池產(chǎn)品對熱管理技術(shù)的要求也會越來越高，單一的熱管理技術(shù)將無法滿足實際應(yīng)用的要求，基于相變材料的復(fù)合式熱管理技術(shù)將會得到快速發(fā)展和應(yīng)用。

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