SSB蓄电池浸没冷却对过充锂离子电池的冷却效果

2026-03-18 14:10:51

摘要

浸没式冷却因其卓越的散热性能被广泛认可，然而其对遭受热滥用（如过充）的锂离子电池的冷却效果尚未得到系统验证。本研究设计了一套油浸式电池冷却系统，通过两种绝缘油实验验证其用于过充电池冷却的可行性。实验结果表明，矿物油与天然酯油均能有效抑制过充电池温升。两套油浸冷却系统展现出卓越的散热性能，即使在静态工况下也能将过充电池的最高温度控制在40℃以内。动态循环工况中，天然酯油可使过充电池最高温度降至35.1℃，较矿物油降低0.98℃。理论分析表明：在较低流速条件下，油浸冷却系统以自然对流为主要传热模式；随着雷诺数增大，强制对流逐渐占据主导地位。

引言

目前，锂离子电池（LIBs）凭借低自放电率、高功率密度、无记忆效应和长循环寿命等特性[[1], [2], [3]]，已成为电动汽车储能的主流选择。然而，其安全性问题备受关注——在滥用或机械穿刺条件下，电池温度会急剧升高，进而引发热失控[4,5]。电池热失控过程中会发生一系列副反应，包括固体电解质界面（SEI）膜分解、隔膜熔融以及电解质分解等，导致电池释放大量热量和可燃气体，可能引发火灾和爆炸[6]。为降低热失控风险，可利用电池热管理系统（BTMS）吸收电池产生的热量，避免因电池温度过高而触发热失控[7,8]。
传统电池热管理系统（BTMS）主要采用三种冷却介质：空气[[9], [10], [11]]、液体（间接接触与直接接触）[[12], [13], [14], [15], [16]]以及相变材料（PCM）[17,18]。风冷虽结构最为简单，但其冷却能力有限，无法满足极端工况下的散热需求[12,19]。相变材料凭借相变过程中的高潜热特性受到广泛关注，但其低导热率与相变后的体积变化限制了在BTMS中的大规模应用[11]。相比之下，液冷展现出更优异的冷却效率，并已实现商业化应用[20]。
目前，采用间接液冷与相变材料(PCM)抑制电池热管理系统(BTMS)热失控的研究已引起学者广泛关注。Ke等[21]设计蛇形冷却通道探究液冷对电池组热失控蔓延的阻燃效果，发现提高冷却液流速是防控热失控传播的有效方式。Rui等[22]指出间接液冷无法显著降低热失控电池与相邻电池间的热通量，因此难以抑制热失控传播。他们进一步提出绝热-液冷协同系统，发现该系统可有效延缓热失控蔓延时间。Liu等[23]通过采用不同相变温度的相变材料(PCM)研究了电池温度变化，证明PCM能有效调节过充电池温度，从而提升电池安全性。为实现PCM潜热的充分利用，Zhang等[24]提出了一种结合PCM与间接液冷的电池热管理系统(BTMS)，并通过实验验证其卓越的散热能力可避免热失控。近期，Lu等[25]与Zuo等[26]也开发了类似的PCM与液冷复合冷却系统，进一步验证了上述研究成果。
直接液体冷却（即浸没式冷却）相较于其他冷却方式展现出显著优势，其不仅能提供卓越的散热性能，还可有效抑制热失控并降低火灾风险[4]。Roe等[27]指出，浸没式冷却所使用的冷却液能够溶解锂离子电池在热失控状态下释放的可燃气体，并隔离可燃材料与氧气的接触，从而实现热失控的缓解。Patil等[3]系统研究了浸没式冷却对电池热失控的影响，结果表明采用浸没冷却时电池最高温度仅为347.1℃，显著低于无冷却措施的工况。研究同时证实该技术不仅能阻止热失控发生，还可有效阻断热失控蔓延。Li等[28]通过外加热源对电池加热，探究了浸没冷却条件下锂离子电池的热行为特征。实验研究发现，采用不同冷却剂时电池最高温度远低于热失控温度。近期，Ye等[29]探究了不同浸没深度下电池的热失控行为，指出完全浸没状态下电池热失控强度显著降低。Wahab等[30]阐明浸没冷却凭借其高热消散能力可有效抑制电池热失控。
值得注意的是，大多数研究集中于热滥用和机械穿刺引发的热失控，而根据先前研究[31,32]，过充电是最常见的滥用情形，会对电池性能造成不可逆损害。在过充电初期，电池内部未出现显著副反应，温升主要由焦耳热导致。随着过充电持续进行，锂开始在负极沉积，与电解液发生反应并形成更厚的SEI膜。正极材料在过度脱锂状态下会发生结构损伤。随着放热反应加剧，产生的燃料费和热量将导致电池内部压力升高，甚至引发形变与泄漏[33,34]。为降低过充风险，研究人员已对电池设计开展了一系列探索，包括正负极涂层材料[[35], [36], [37]]、电解液添加剂[[38], [39], [40], [41]]及安全阀结构[[42], [43], [44]]。此外，研究电池本身的热性能也有助于提升其安全性[[45], [46], [47]]。除优化电池本体结构外，实施冷却策略是预防热失控的另一有效途径。
与其他冷却方法相比，浸没式冷却通常采用具有优异导热性和卓越电绝缘性能的冷却剂（如绝缘油），不仅能在极端工况下提供出色的冷却性能，还能确保更高的安全性能。然而，油浸冷却系统对过充锂离子电池温度的影响尚未得到深入研究。Bai等[48]基于矿物油（MO）浸没冷却方案对方形电池开展了过充实验，以研究电池热失控特性。相比空气冷却，他们发现油浸冷却系统能有效阻止热失控发生。Tong等[49]研究了极端充放电条件下的电池热行为，发现浸没式冷却效果优于其他冷却方法。此外，研究还观察到热失控期间电池温度可达600℃，而油温仅为150℃，这表明浸没式冷却能有效阻止热失控蔓延。
上述文献综述表明，电池热管理系统（BTMS）能有效降低过充锂离子电池的温度以提升其安全性能。然而目前基于浸没式冷却的过充锂离子电池热行为研究较少，缺乏足够的实验数据定量论证浸没冷却对抑制过充电池温升的有效性。本研究的主要贡献在于设计了单体锂离子电池油浸冷却系统，以探究过充状态下锂离子电池的热特性。实验结果表明，油浸冷却系统能有效降低过充电池温度。研究同时关注了不同冷却液类型及流速对电池温度的影响。通过实验结果与传热机理的对比分析，证实天然酯类油同样表现出优异的冷却性能。