鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)綜述

劉小杰，張 英，劉 洋，李 琪*

(1.武漢理工大學(xué)安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系，湖北 武漢 430074)

鋰離子電池的理想工作溫度為25～40 ℃，電池模組內(nèi)的最大溫差應(yīng)低于5 ℃[1]。溫度過高會(huì)加快固體電解質(zhì)相界面(SEI)膜的分解，造成熱失控隱患；而低溫會(huì)增加電解液的黏度，影響電池充放電性能，還會(huì)加快鋰沉積反應(yīng)速率，形成鍍鋰層或鋰枝晶。此外，模組溫度梯度過大，會(huì)導(dǎo)致單體電池之間放電性能的差異，影響模組的整體放電性能[2]。需要設(shè)計(jì)一種較好的熱管理系統(tǒng)，以維持電池的溫度及均勻性。

根據(jù)是否有額外能源消耗，熱管理技術(shù)可分為被動(dòng)技術(shù)和主動(dòng)技術(shù)。根據(jù)傳熱介質(zhì)不同，熱管理技術(shù)可進(jìn)一步細(xì)分為風(fēng)冷、相變材料、液冷和熱管[3-5]。許多學(xué)者都對鋰離子電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了回顧和探討[3-8]，但鮮有文獻(xiàn)從各類技術(shù)的特點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)成本、適用范圍和控溫效果等因素，進(jìn)行多方面的綜合評價(jià)，并在此基礎(chǔ)上分析各類技術(shù)之間的兼容性，以及結(jié)合多種技術(shù)形成耦合系統(tǒng)的可行性。

各類技術(shù)擁有不同特點(diǎn)，且與不同類型電池間的契合度不同，因此應(yīng)根據(jù)電池模組的實(shí)際需求和幾何形狀，設(shè)計(jì)相應(yīng)的熱管理系統(tǒng)。此外，隨著電池能量密度的增加，模組熱積蓄問題愈加嚴(yán)峻，僅采用一種技術(shù)很難同時(shí)保證模組溫度及均勻性，結(jié)合多種技術(shù)的耦合式系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)。有必要在分析各類技術(shù)特點(diǎn)及兼容性的基礎(chǔ)上，對各種形式的耦合系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，以促進(jìn)鋰離子電池的安全發(fā)展。

本文作者首先對鋰離子電池的產(chǎn)熱機(jī)理進(jìn)行分析，再總結(jié)幾種鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，展望今后的研究方向。

1 鋰離子電池產(chǎn)熱機(jī)理分析

鋰離子電池工作時(shí)產(chǎn)生的熱量可分為4個(gè)部分：反應(yīng)熱、歐姆熱、極化熱和副反應(yīng)熱[9]。反應(yīng)熱是電池內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，Li+轉(zhuǎn)移生成的熱量；歐姆熱是電池歐姆內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量；極化熱是電池極化效應(yīng)產(chǎn)生的熱量，計(jì)算時(shí)，通常假設(shè)為存在一個(gè)極化內(nèi)阻，以產(chǎn)生的熱量等價(jià)替代[10]；副反應(yīng)熱是電池自放電等副反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，一般很小，可以忽略不計(jì)[11]。

目前常用的電池產(chǎn)熱計(jì)算方法是D.Bernardi等[12]提出的電池產(chǎn)熱速率模型：

(1)

2 鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

熱管理研究中比較常見的技術(shù)包括風(fēng)冷、相變材料、液冷和熱管[3-5]，技術(shù)的特征和性能列于表1。

表1 不同熱管理技術(shù)的特征和性能

2.1 風(fēng)冷技術(shù)

風(fēng)冷根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式可分為自然對流風(fēng)冷和強(qiáng)制對流風(fēng)冷。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，鋰離子電池以并聯(lián)或串聯(lián)的形式封裝在電池盒中，自然對流的方式很難及時(shí)散熱。K.H.Yu等[13]提出一種交錯(cuò)式的電池組排列方式，并比較自然對流和強(qiáng)制對流兩種情況下，電池放電過程中的溫度變化。自然對流無法滿足電池散熱需求，而強(qiáng)制風(fēng)冷可將電池溫度控制在理想范圍內(nèi)。強(qiáng)制風(fēng)冷作為一種成熟的主動(dòng)式冷卻技術(shù)，利用風(fēng)扇來驅(qū)動(dòng)空氣進(jìn)行循環(huán)冷卻，可以在電池低充放電倍率運(yùn)行時(shí)進(jìn)行降溫，已經(jīng)投入商業(yè)應(yīng)用，如應(yīng)用于本田Insight和豐田C-HR電動(dòng)車。由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)較低，風(fēng)冷系統(tǒng)需要搭建通風(fēng)管道，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)能耗高，且噪音較大。

改善風(fēng)冷系統(tǒng)散熱效果的辦法，按照原理可以分為3種：①優(yōu)化電池組布局；②提高傳熱介質(zhì)導(dǎo)熱率，如利用霧化方式形成細(xì)液霧，以增大空氣傳熱特性[14]；③優(yōu)化通風(fēng)路線。A.A.Pesaran[1]利用Fluent軟件分析了串聯(lián)和并聯(lián)兩種排風(fēng)設(shè)置對電池冷卻效果的影響。在串聯(lián)方案中，電池組兩側(cè)最大溫度差達(dá)到18 ℃；在并聯(lián)方案中降至8 ℃。盡管這些優(yōu)化方法在一定程度上提高了風(fēng)冷系統(tǒng)的冷卻效率，但風(fēng)冷系統(tǒng)依舊無法滿足電池在高放電倍率下的散熱需求[15]。

2.2 相變材料

相變材料利用相變潛熱實(shí)現(xiàn)廢熱回收，被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能和建筑保溫行業(yè)，近年來作為一種無源熱管理技術(shù)發(fā)展迅速。與有源熱管理技術(shù)相比，相變材料無需外部能源驅(qū)動(dòng)，可吸收電池廢熱并在低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)電池預(yù)熱，研究前景較好。相變材料主要分為3類：有機(jī)化合物(石蠟、脂肪酸和月桂酸等)、無機(jī)化合物(水合鹽、金屬化合物等)和低共熔混合物[16]。相變材料的選擇條件為：首先，材料的相變溫度范圍應(yīng)在鋰離子電池的理想工作溫度范圍內(nèi)；其次，材料應(yīng)具有高潛熱、相變過程中體積變化小和高循環(huán)穩(wěn)定性，不會(huì)出現(xiàn)明顯過冷和相分離的現(xiàn)象；此外，應(yīng)難燃且無毒[17]。石蠟可滿足以上需求，成為熱門研究材料，但是純石蠟存在一些缺陷，因此基于相變材料的熱管理系統(tǒng)僅處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。純石蠟的應(yīng)用限制有：①導(dǎo)熱系數(shù)低，過低的導(dǎo)熱系數(shù)(0.10～0.25 W/m·K)導(dǎo)致有效傳熱厚度??；②泄漏，石蠟發(fā)生固液相變后存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)；③飽和失效，材料全部發(fā)生相變后，無法及時(shí)恢復(fù)至固態(tài)，導(dǎo)致熱管理系統(tǒng)失效；④高溫失效，當(dāng)環(huán)境溫度高于相變溫度時(shí)，相變材料完全失效。

針對石蠟導(dǎo)熱系數(shù)低和泄漏的問題，一些文獻(xiàn)提出向純石蠟中添加膨脹石墨、熱塑性材料作為支撐材料，以避免液態(tài)石蠟泄漏，如添加納米銀/銅、碳納米管和碳纖維板等改性材料，提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)[18-22]。還有研究者將金屬翅片和金屬泡沫加入到相變材料中，以期提高石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)[23-24]。部分復(fù)合相變材料的熱物性列于表2。

表2 部分復(fù)合相變材料的熱物性

向材料中添加金屬或石墨烯，可提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，但從微觀角度來看，顆粒無規(guī)律分布在相變材料中，提升效果有限，很難突破5 W/(m·K)。隨著固-液相變循環(huán)次數(shù)的增加，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)逐漸不穩(wěn)定，松散的高導(dǎo)電性材料使電池模塊存在外短路風(fēng)險(xiǎn)。金屬泡沫可提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，但使電池模塊質(zhì)量成倍增大。此外，金屬泡沫很難避免材料泄漏。在相變材料內(nèi)部構(gòu)建三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以提高復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，并利用微觀空隙的毛細(xì)作用來吸附液相材料，以防止泄漏和變形[21]。除利用低熔點(diǎn)(30～45 ℃)有機(jī)相變材料控制電池溫度外，一些研究嘗試采用高熔點(diǎn)(60 ℃以上)無機(jī)相變材料抑制電池組中的熱失控傳播。G.Yana等[27]對電池組進(jìn)行針刺以施加機(jī)械濫用，并使用MgCl2·6H2O、Mg(NO3)2·6H2O和石墨矩陣混合物抑制熱失控傳播，發(fā)現(xiàn)無機(jī)相變材料能抑制熱失控的傳播。在高溫環(huán)境下，相變材料會(huì)因提前達(dá)到相變溫度而失效，因此，將復(fù)合材料與其他熱管理技術(shù)耦合的混合系統(tǒng)，逐漸成為研究熱點(diǎn)。Z.Y.Ling等[30]設(shè)計(jì)了由相變材料、熱管和噴淋系統(tǒng)耦合而成的混合熱管理系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在低溫(-10 ℃)環(huán)境下，相變材料能將電池溫度保持在0 ℃超過6 h，從而在一定程度上避免冷啟動(dòng)，但仍無法完全滿足電池預(yù)熱的需求。隨著復(fù)合相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的提高，低溫對電池的影響更明顯。僅利用相變材料廢熱再利用的特點(diǎn)，很難完全解決電池冷啟動(dòng)的問題，因此，耦合系統(tǒng)還需要進(jìn)一步研究。

2.3 液冷技術(shù)

液冷技術(shù)可分為直接接觸式和間接接觸式。直接接觸式是將電池組浸泡在工程冷卻液中，利用工程液體液-氣相變的潛熱吸收電池?zé)崃縖28]。將電池組浸泡在冷卻液中，可以提高電池表面的換熱面積，具有較好的溫度均勻性；但冷卻液存在泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，工藝要求和成本費(fèi)用較高。

間接接觸式液冷采用泵送循環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)冷卻液流過電池表面的液冷管或冷板的內(nèi)部通道，利用強(qiáng)制對流換熱的方式對電池進(jìn)行散熱或加熱。液冷循環(huán)系統(tǒng)所用的冷卻液通常為水、礦物油或水/乙二醇混合物。這些冷卻液主要是利用顯熱來吸收熱量，因此儲(chǔ)能密度偏低，需要較高的泵輸送功率，方能滿足鋰離子電池在高放電倍率下的冷卻需求。T.Amalesh等[31]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，冷板進(jìn)出口之間溫差較大。J.H.Cao等[32]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，冷板入口處溫度過低會(huì)導(dǎo)致電池組溫度均勻性變差。為了更好地改善液冷系統(tǒng)的冷卻效率和溫度均勻性，人們提出了各種改進(jìn)方法，如：研究冷卻液、優(yōu)化通道設(shè)計(jì)、研究液冷技術(shù)和耦合其他冷卻技術(shù)等。

為了提高液冷系統(tǒng)的冷卻性能且不增大輸送能耗，需要使用高比熱容、低黏度的冷卻液。H.Q.Liu等[33-34]向相變材料中添加碳納米管，增強(qiáng)納米乳液的導(dǎo)熱性，研究乳液對18650型電池的散熱效果，但發(fā)現(xiàn)碳納米管會(huì)大幅度增加冷卻液的黏度。

許多研究針對液冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以增強(qiáng)冷卻效果。Y.T.Huo等[26]設(shè)計(jì)了一種微通道冷板并建立電池模塊的三維熱模型，分析通道數(shù)量、流動(dòng)方向、進(jìn)口質(zhì)量流量和環(huán)境溫度對放電過程中電池溫升和均勻性的影響。模擬結(jié)果顯示，冷板的冷卻性能隨著進(jìn)口質(zhì)量流量的增大而上升，但存在流量飽和值，因此液冷系統(tǒng)流量過大時(shí)，不但會(huì)增加泵送功率消耗，而且提升效果有限。T.Amalesh等[31]設(shè)計(jì)了不同通道內(nèi)壁形狀的冷板，并利用Fluent軟件模擬研究內(nèi)部流體狀態(tài)對冷板效果的影響，發(fā)現(xiàn)鋸齒形D6和圓形槽通道D7中冷卻液的邊界層更薄，冷卻性能更好。

為應(yīng)對電池高放電倍率時(shí)的產(chǎn)熱問題，需要提高泵輸送功率。這不但會(huì)加大輸送能耗，而且無法保障電池表面溫度分布的均勻性?？蓪⑵渌鋮s技術(shù)與液冷技術(shù)相耦合，形成耦合式液冷系統(tǒng)，以滿足電池高放電倍率時(shí)的散熱需求。A.Mohsen等[35]提出了一種填充式液冷板，并結(jié)合三維(3D)模型對冷板的性能進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，混合液冷板比同體積的傳統(tǒng)鋁冷板輕36%，在同等冷卻效果下，泵送能耗降低了約30%。耦合系統(tǒng)可以發(fā)揮各種技術(shù)的優(yōu)勢，提高系統(tǒng)的輕便性，但有些耦合系統(tǒng)制作技術(shù)要求較高，進(jìn)而提高了系統(tǒng)成本。在研究高效、低成本的耦合系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮各技術(shù)的特點(diǎn)和相容性。

2.4 熱管

熱管是一種無源傳熱裝置，由管殼、毛細(xì)網(wǎng)狀的吸液芯和傳熱工質(zhì)組成，具有高導(dǎo)熱率和低成本等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的液冷系統(tǒng)相比，熱管不消耗額外能源，結(jié)構(gòu)簡單且成本低。此外，熱管可基于電池表面溫度分布進(jìn)行針對性降溫，使電池溫度分布更均勻，也能根據(jù)電池幾何形狀設(shè)計(jì)多熱管板狀結(jié)構(gòu)。A.Greco等[36]基于熱回路法和Fluent軟件建立熱管均溫板模型，提出一種適用于方形電池的熱管冷卻系統(tǒng)，并對有效性進(jìn)行分析。H.Behi等[37]設(shè)計(jì)了扁平熱管，對8C放電的方形單體LiCoO2鋰離子電池進(jìn)行冷卻，并使用COMSOL軟件模擬電池組的充放電過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：單根熱管可滿足電池29.1%的所需散熱效率。模擬結(jié)果顯示，放電結(jié)束時(shí)，空氣冷卻、液體冷卻和熱管冷卻的電池的最高溫度分別為56.7 ℃、39.7 ℃和38.2 ℃。熱管可實(shí)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)低能耗化，但也會(huì)增大電池組的整體體積，而且無法實(shí)現(xiàn)電池預(yù)熱?；跓峁芨邔?dǎo)熱系數(shù)的特點(diǎn)，結(jié)合相變材料，開發(fā)適用于低散熱需求的無能耗熱管理系統(tǒng)，或?qū)峁芘c風(fēng)冷或液冷相耦合以提高有源冷卻技術(shù)的冷卻效率等方案，都有一定的研究意義。

3 結(jié)論

鋰離子電池工作性能對溫度較敏感，開發(fā)熱管理系統(tǒng)是當(dāng)前的必要之舉。熱管理技術(shù)主要分為風(fēng)冷、液冷、相變材料和熱管等。相變材料和熱管具有無能耗的特點(diǎn)，可以降低熱管理系統(tǒng)的運(yùn)行成本。相變材料持續(xù)性能差，且在高溫環(huán)境下會(huì)失效，而熱管導(dǎo)熱效果依賴于冷熱兩端的溫差，因此這兩種技術(shù)都無法滿足高溫環(huán)境或高產(chǎn)熱情況下的散熱需求。風(fēng)冷和液冷技術(shù)需要消耗外部能源驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇或泵循環(huán)系統(tǒng)輸送傳熱介質(zhì)，持續(xù)性能強(qiáng)且可控程度高。風(fēng)冷技術(shù)的散熱效果有限，無法滿足高散熱需求；液冷系統(tǒng)散熱效率高，但無法維持電池組的溫度均勻性。在設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍和兼容性，將部分技術(shù)耦合為高性能的混合熱管理系統(tǒng)。

今后的研究需要對電動(dòng)汽車電池的熱行為進(jìn)行分析，并在系統(tǒng)層面采取更安全的電池設(shè)計(jì)。對于不同的溫度條件，制定針對性的熱失控預(yù)防策略。在低溫環(huán)境下，對鋰離子電池施加加熱或保溫措施，以防止析鋰和鋰枝晶現(xiàn)象；在常溫和高溫環(huán)境下，需要對電池進(jìn)行高效冷卻，以降低熱量積蓄，防止熱失控?；诓煌膽?yīng)用需求，選擇合適的熱管理技術(shù)，可保證電池?zé)岚踩?。考慮到電池發(fā)生熱失控時(shí)外部供能系統(tǒng)的局限性，以及高倍率放電下的劇烈產(chǎn)熱，應(yīng)該進(jìn)一步研究無源技術(shù)(相變材料、熱管等)和有源技術(shù)(液冷系統(tǒng))的耦合系統(tǒng)。此外，在研究電池?zé)崾Э靥卣鳒囟群推渌卣鲄?shù)的基礎(chǔ)上，可以建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型或電化學(xué)-熱模型，預(yù)測電池實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的熱風(fēng)險(xiǎn)問題，依據(jù)電池實(shí)際應(yīng)用需要和模型預(yù)測結(jié)果，建立合適的熱管理系統(tǒng)，以保障電池的安全運(yùn)行。隨著電動(dòng)汽車節(jié)能高效性的不斷提高，動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的熱收集、熱回收等問題，也是未來要討論的方向。