SSB蓄电池一种锂离子电池的双策略热管理系统：将浸没式冷却与形状稳定相变材料相结合
2026-03-16 18:26:58
电动汽车的快速普及加速了锂离子电池的应用，然而过热和模组内温度不均衡已成为关键障碍。本文设计了一种高效混合热管理系统，并采用实验方法分析和优化其热管理性能。通过系统化的热物性分析，研制出成分优化的形状稳定相变材料（SPCMs）。充放电测试证实，所制备的SPCM能实现有效热管理，使电池模组的最高温度与温差均降低约28%。为进一步提升电池模组温度均匀性并维持极端高温条件下的热控制，对结合SPCM3与浸没式液冷的混合冷却系统参数进行了优化。结果表明该混合冷却系统可降低温度升至35.8°CmaxΔT在3C放电倍率下仅升高1.9°C。研究阐明了电池与SPCM之间的传热机制，证实浸没式液冷可提升SPCM的传热效率。这些发现为设计高效锂离子电池混合热管理系统提供了重要依据。max of only 1.9 °C at a 3C discharge rate. The heat transfer mechanism between the battery and the SPCM was elucidated, demonstrating that immersion liquid cooling improves the heat transfer efficiency of the SPCM. These findings provide valuable insights for designing efficient hybrid thermal management systems for lithium-ion batteries.
引言
锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命、高效率、无记忆效应和环境友好性等优势，被广泛应用于电动汽车、储能系统和发电站等领域[1][2]。然而，锂离子电池在低温与高温环境下的性能均会受到限制。研究表明，其最佳工作温度范围通常为20°C至40°C，且要求单体电芯或模组内部的温差不超过5°C[3][4][5][6]。研究表明，低温性能衰退源于电解液粘度增大、离子电导率下降及锂离子迁移率降低，这些因素共同导致充放电容量衰减[7][8][9][10]。更关键的是，低温充电过程中持续生长的锂枝晶可能刺穿隔膜引发内部短路，极易触发严重安全事故[11][12]。相反，高倍率充放电则会导致显著的热量积累。高温会加速电解质/电极界面的副反应，可能诱发热失控，严重时引发燃烧或爆炸[13][14][15]。因此，有效的电池热管理系统对于维持锂离子电池在适宜温度区间运行并提升其热安全性至关重要。
电池热管理系统（BTMS）通常根据冷却介质类型分为以下几类：风冷式、液冷式、热管式以及相变材料（PCM）式系统。风冷系统需要复杂的优化设计且散热能力有限，而液冷与热管系统则存在结构复杂和散热不均匀的问题[16][17][18][19][20][21]。相变材料(PCM)在特定温度范围内呈现物理性质变化，具有安全性、可靠性、能效性、环境兼容性(部分)及结构紧凑等特点，因此在锂离子电池热管理系统中获得广泛研究与应用[22]。PCM可分为无机与有机两类：有机相变材料具备高潜热与可忽略的过冷度特性，其中石蜡(PA)作为典型代表，兼具高潜热、无毒性与优异化学稳定性，但其导热系数仅约0.2 W/m·K，导致其热响应速度较慢[23][24]。为提高相变材料（PA）的导热性能，进而增强其在热管理应用中的有效性，研究者们已采用多种方法。Chen等人将PA与膨胀石墨（EG）和氮化硼（BN）复合，制备出可在循环工况下实现锂离子电池温度调控的复合相变材料[25]。Shivram团队通过添加氧化铝和单壁碳纳米管提升了PA的导热系数，从而优化了冷却效率[26]。Yu等学者通过将泡沫铜与相变材料（PA）复合，开发出一种复合相变材料，使电池温度降至46.9°C[27]。Liu等人通过引入氮化硅和膨胀石墨（EG）提升了PA的导热性能，相较于传统风冷方式显著增强了冷却效率[28]。Praveenkumar等将氮化硼、氧化锌和二氧化硅纳米颗粒掺入PA中，制备出可将电池表面温度限制在44.7°C的复合相变材料[29]。Zhao等人通过将PA与膨胀石墨（EG）及低熔点金属合金基体复合，制备出具有优异冷却效率和温度均匀性的复合相变材料[30]。因此，导热材料的引入显著提高了PA基复合相变材料的导热系数，并明显改善了热管理性能。Mei等通过添加膨胀石墨（EG）和散热鳍片增强了PA的热管理性能，并记录了循环前后的热物性参数以评估可靠性；结果表明两种配方均表现出相近的热特性，并在循环后维持有效的热管理能力[31]。由此可见，外部设备为提升PA的导热性能提供了替代性解决方案。
有机相变材料（PCM）在相变过程中会经历固-液转变，存在泄漏与污染风险。因此，开发形状稳定的相变材料（SPCM）对防止泄漏至关重要。Avia等人研发的EG-PA-环氧树脂三元SPCM在多次循环中均未发生泄漏[32]。Cai团队也发现，膨胀石墨（EG）不仅能提升PCM的导热性能，还可有效阻隔泄漏[33]。Fu等学者采用硅烷化疏水纤维素纳米纤维构成的三维多孔柔性支架作为基体，成功防止了有机PCM的泄漏[34]。Huang等人采用三聚氰胺-甲醛外壳封装PA，形成具有核壳结构的微胶囊，有效防止相变过程中PA的泄漏[35]。Niu等人利用环氧树脂和PA制备了形状稳定的相变材料，其结构有利于液体渗透，从而避免了PA相变过程中的泄漏问题[36]。Huang等人通过将PA、聚烯烃弹性体和EG相结合，开发出一种形状稳定的相变材料，有效解决了泄漏问题[37]。Su等人将有机相变材料封装于交联乙烯-醋酸乙烯酯框架中，在80°C条件下24小时后质量损失低于4% [38]。薛等人采用柔性烯烃嵌段共聚物与石墨烯纳米片的协同双网络结构封装相变材料，从而确保其结构完整性与形态稳定性[39]。尽管复合相变材料能减小封装外壳体积并提升能量密度，但其有限的潜热容量可能导致长时间循环后的吸热失效及电池组内部温度不均现象。 （注：根据术语表要求，"Block"译为"区块"，但此处"olefin block copolymers"为专业术语，常规译法为"嵌段共聚物"，故采用常规译法；"Simulation"未在文中出现，已保留其他指定术语的对应翻译）因此，将相变材料（SPCM）与互补散热方法协同融合，理论上可延长其有效热调控持续时间，并在长期运行期间维持性能表现。Shen等研究者在相变材料中嵌入翅片结构，不仅降低了电池温度，同时提升了相变材料的利用效率[40]。Wang团队采用数值模拟方法研究了液冷板与相变材料复合系统，结果表明该方案具有更优的电池温控效果[41]。Li等人还研究了将液冷板与相变材料（PCM）相结合的耦合系统，其中优化的冷却板参数提高了温度均匀性[42]。Lyu等人研究了采用浸没式冷却与PCM相结合的锂离子电池热管理，并证明了这种混合方法的有效性[43]。Bahrami等人开发了一种集成了PCM与主动水基对流的混合热管理系统。通过引入双三元纳米流体和多孔结构，该系统性能得到进一步改善，从而降低了电池温度并提高了温度均匀性[44]。Bahrami等人还在零重力条件下评估了包含翅片、纳米颗粒和多孔泡沫的PCM系统，通过参数优化实现了额外的电池温度降低[45]。
综上所述，当前关于电池组温度均匀性及高温工况下有效热管理方法的研究仍显不足。基于现有BN-EG-PA复合相变材料研究，本文引入环氧树脂（ER）以保障形状稳定性。通过表征SPCM的相变行为与热稳定性，同时记录了充放电过程中的表面温度演变。通过将相变性能与热稳定性分析相结合，SPCM的热导率和硬度通过材料配比调整实现同步提升，有效改善了热管理性能与承载能力。尽管已有若干热管理策略将SPCM与浸没式液冷耦合应用，但具体参数优化仍是待解决的研究需求。本文提出了一种将相变材料(SPCM)与浸没式液冷耦合的混合热管理系统，表7展示了与现有混合热管理系统的对比分析。研究解析了液冷参数对热性能的影响机制，并探究了系统内部传热过程。通过参数优化，该系统实现了冷却能力提升与温度均匀性改善。此外，耦合系统在多循环工况及高温环境下均表现出可靠的性能。该研究为锂离子电池高效热管理系统的开发提供了有价值的理论依据。
