納米流體在鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用分析

摘 要：有效的熱管理對(duì)于維持鋰電池安全性和延長(zhǎng)使用壽命至關(guān)重要，在此基礎(chǔ)上，本文介紹了納米流體的特點(diǎn)，包括熱導(dǎo)率、穩(wěn)定性、黏度等性質(zhì)，通過(guò)與傳統(tǒng)冷卻液的性能對(duì)比以及納米流體在鋰電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用案例，展示了納米流體在強(qiáng)化傳熱效率、實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的溫度分布、提高鋰電池?zé)峁芾硇实确矫娴膬?yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：納米流體 鋰電池 熱管理系統(tǒng)

1 緒論

鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）是新能源汽車中重要的組成部分，其主要目的是維持電池在最佳的溫度范圍內(nèi)工作，以確保電池的使用性能、安全性和壽命。

鋰電池在充放電過(guò)程中，由于電化學(xué)反應(yīng)的作用會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如果控制不好可能會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而導(dǎo)致失控，因此，鋰電池需要一個(gè)有效的冷卻系統(tǒng)來(lái)保持其在較長(zhǎng)壽命下的使用性能，BTMS通過(guò)限制電池的溫度波動(dòng)，在整個(gè)充放電過(guò)程中將平均溫度保持在安全范圍內(nèi)，從而解決熱失控的問(wèn)題。

目前，行業(yè)內(nèi)使用的冷卻技術(shù)主要分為主動(dòng)冷卻和被動(dòng)冷卻兩類。在主動(dòng)冷卻中，散熱是由外部設(shè)備（如風(fēng)扇、水泵和壓縮機(jī)等）作用的，在被動(dòng)冷卻中，常用自然對(duì)流的傳熱方法冷卻。主動(dòng)冷卻系統(tǒng)在冷卻效果上具有優(yōu)勢(shì)，但其伴隨的振動(dòng)、噪音和維護(hù)保養(yǎng)等問(wèn)題難以解決，被動(dòng)冷卻因其較低的系統(tǒng)復(fù)雜性、維護(hù)需求和成本而更適宜鋰電池的冷卻[1]。

納米流體由于其獨(dú)特的性質(zhì)及其作為高密度電池的冷卻介質(zhì)而備受關(guān)注，并具有多種應(yīng)用場(chǎng)景，包括新能源汽車動(dòng)力電池、儲(chǔ)能系統(tǒng)、航空航天技術(shù)和醫(yī)療設(shè)備等。

2 納米流體的特點(diǎn)

納米流體是在基礎(chǔ)工質(zhì)（水、乙醇或?qū)嵊偷龋┲芯鶆蚍稚⒂屑{米顆粒的流體。在BTMS中加入納米顆粒可以有效提高傳統(tǒng)流體的熱導(dǎo)率，從而提高傳熱效率并減少能源消耗。不過(guò)納米流體比傳統(tǒng)的冷卻劑制造成本更高，并且隨著時(shí)間的推移，納米顆粒更傾向于聚集和沉降，這樣就會(huì)影響納米流體的穩(wěn)定性。同時(shí)，這些納米顆粒的直徑范圍在1–100 nm內(nèi)，如果人長(zhǎng)時(shí)間暴露在含有這樣小尺寸的納米顆粒的環(huán)境中，有可能滲透到呼吸道、肺中而破壞人的免疫系統(tǒng)[2]。

2.1 熱導(dǎo)率

納米流體熱管理系統(tǒng)的熱導(dǎo)率特性是傳熱流體發(fā)展中最重要的部分。理論上講，在同等環(huán)境條件下，固相材料比液相材料具有更高的熱傳導(dǎo)行為。例如，在室溫下，與水和發(fā)動(dòng)機(jī)油相比，銅的熱導(dǎo)率特性分別比水和發(fā)動(dòng)機(jī)油高700和3000倍。因此，與液體相比，由納米顆粒材料組成的流體懸浮液具有更高的傳熱效率，將其應(yīng)用在BTMS中，可以有效地提升冷卻效率[3]。

2.2 黏度

黏度是描述流體（液體或氣體）內(nèi)部阻力的物理量，它表征了流體流動(dòng)時(shí)相鄰層之間的摩擦程度。冷卻劑黏度的變化會(huì)影響泵的輸送功率，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力損失。納米流體的黏度應(yīng)保持較低，以減少泵的能源消耗，從而降低BTMS能耗。納米流體的黏度會(huì)受到納米添加劑的體積濃度、顆粒類型、粒徑、溫度等因素的影響。有研究表明，隨著納米粒子分散度的增加，黏度也會(huì)增加，并且在較高的溫度下，由于納米流體內(nèi)部納米顆粒之間的分子作用力減弱，納米流體的黏度會(huì)減小并接近恒定的黏度值[4]。

2.3 穩(wěn)定性

納米流體的穩(wěn)定性是指納米顆粒在基礎(chǔ)流體中分散的均勻性和抗沉降的能力。穩(wěn)定性好的納米流體可以長(zhǎng)時(shí)間保持其較強(qiáng)的熱傳導(dǎo)性能，不會(huì)因?yàn)轭w粒的沉降和聚集而使性能下降。提升納米流體的穩(wěn)定性可以通過(guò)調(diào)節(jié)pH值、添加表面活性劑、應(yīng)用超聲技術(shù)、使用混合納米顆粒、控制納米流體濃度、優(yōu)化制備工藝、選擇合適的基液、控制納米顆粒尺寸和形態(tài)等多種方法實(shí)現(xiàn)。通過(guò)使用上述方法，納米顆粒團(tuán)聚得到抑制，納米流體的穩(wěn)定性得到提升，為BTMS長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行打下基礎(chǔ)[5]。

3 納米流體在BTMS中的應(yīng)用

鋰電池主要依靠鋰離子（Li+）在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作，在充放電過(guò)程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。但在溫度過(guò)高時(shí)，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生不可逆的副反應(yīng)，使可參與循環(huán)的Li+減少，從而縮短電池壽命。Hao等[6]的研究表明，鋰電池的最高溫度每上升13℃，壽命將減少50%，納米流體由于良好的傳熱性能，在鋰電池的熱管理系統(tǒng)中受到研究者廣泛關(guān)注。

3.1 波浪形通道設(shè)計(jì)中的納米流體

波浪形通道是研究人員試圖提高冷卻系統(tǒng)性能的方法之一，如圖1所示，波浪形通道與圓柱形電池組融為一體，冷卻通道的幾何形狀與電池形狀相匹配，提供了更大的接觸面。流體在階梯邊緣形成尾流，尾流間相互作用導(dǎo)致局部湍流，從而增強(qiáng)對(duì)流換熱。界面面積的增加可以提高電池模塊的熱效率，略微提高相鄰鋰電池之間的熱傳導(dǎo)。增加電池與波浪通道殼之間的變形區(qū)域可以大大降低模塊中最高溫度，同時(shí)增加電池模塊中溫度的不均勻性。Sarchami等[7]的研究表明，以體積分?jǐn)?shù)2.0%的水基Al2O3納米流體為工質(zhì)時(shí)，與直形通道相比，波浪形通道可使電池組在充放電工況下的溫差分別減少0.19℃和0.22℃。

3.2 微通道設(shè)計(jì)中的納米流體

鋰電池的微通道納米流體冷卻是一種先進(jìn)的熱管理技術(shù)，它利用微通道技術(shù)和納米流體的良好的熱物理性能來(lái)提高電池的冷卻效率，如圖2所示。微通道是一種高效的換熱設(shè)備，可以直接集成在電池或電池組中，通過(guò)流體的流動(dòng)來(lái)帶走電池產(chǎn)生的熱量。

Srinivaas等[9]的研究表明，在微通道內(nèi)，流體流速逐漸增大，提升了對(duì)流傳熱系數(shù)。同時(shí)，流體與壁面接觸面積縮小，導(dǎo)致了溫差的增大；在微通道內(nèi)，流速減小導(dǎo)致了傳熱系數(shù)減小，使溫度增大，但接觸面積增大使溫差減小。因而，微通道更有利于控制溫升以及溫差。

3.3 矩形設(shè)計(jì)中的納米流體

許多研究都是在矩形或長(zhǎng)方體排列（附著在電池的外部表面）中進(jìn)行的，由于特定表面積的增加，熱傳導(dǎo)速率有所提高。Jindal等[10]使用納米流體作為冷卻劑液體，設(shè)計(jì)并模擬了一個(gè)立方體排列的鎳錳鈷鋰電池組。為了評(píng)估電池內(nèi)部溫度降低的效果，將石墨烯納米顆粒懸浮在體積分?jǐn)?shù)分別為0.001%和0.005%的水和乙二醇（50：50）混合物中。研究人員展示并比較了單層、雙層和三層三種不同的立方體設(shè)計(jì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與基本流體相比，體積分?jǐn)?shù)為0.001%的流體的工作溫度范圍降低了12%-24%，體積分?jǐn)?shù)為0.005%的流體的工作溫度范圍降低了24%-29%。納米流體冷卻能力的提高歸功于石墨烯納米片的大表面積和高導(dǎo)熱性。此外，研究還表明，與純流體中石墨烯納米顆粒成分相同的一層設(shè)計(jì)模型相比，二層和三層設(shè)計(jì)模型獲得的最高溫度分別降低了6%-12%。

3.4 圓柱形設(shè)計(jì)中的納米流體

圓柱形鋰電池由于其表面積有限，導(dǎo)致?lián)Q熱面積較小，因此在熱管理上面臨挑戰(zhàn)。納米流體作為一種高效的熱傳導(dǎo)介質(zhì)，在圓柱形鋰電池的熱管理中具有顯著的應(yīng)用潛力。

Azizi等人[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估了在雷諾數(shù)介于400和1300之間的層流圓柱形微通道散熱器的熱性能。該模型由48個(gè)圓柱形微通道組成，銀納米粒子懸浮在水中，質(zhì)量濃度分別為10%、45%和80%。他們發(fā)現(xiàn)，添加納米顆粒對(duì)出口區(qū)域的壁溫和熱傳導(dǎo)系數(shù)沒(méi)有影響。然而，濃度對(duì)入口區(qū)域的壁溫有相當(dāng)大的影響（近10%）。另一方面，銀納米粒子的加入導(dǎo)致的壓力損失小于0.2bar，與質(zhì)量濃度相反，熱傳遞系數(shù)受到雷諾數(shù)的顯著影響，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)，觀察到Re=850，質(zhì)量濃度為80%的納米流體是最有效的方案。

3.5 拓?fù)湓O(shè)計(jì)中的納米流體

Yang等人[12]以數(shù)字模擬的方法設(shè)計(jì)了一種混合冷卻系統(tǒng)，利用不同的微通道作為擴(kuò)展表面和非牛頓流體來(lái)冷卻。該系統(tǒng)根據(jù)最小壓降和最大傳熱率進(jìn)行了優(yōu)化。非牛頓納米流體由作為納米顆粒的MWCNTS-SiO2和作為基礎(chǔ)工質(zhì)的水/乙二醇組成。結(jié)果表明，在微通道中添加納米粒子可提高鋰電池的性能和效率，但使用過(guò)量的納米顆粒會(huì)導(dǎo)致黏度大幅增加，進(jìn)而使系統(tǒng)內(nèi)泵的功率急劇上升。

3.6 熱管中的納米流體

熱管由蒸發(fā)器段、絕熱段和冷凝器段三部分組成。工質(zhì)在蒸發(fā)段吸收熱量產(chǎn)生水蒸氣，水蒸氣在壓差的作用下流向冷凝器，在冷凝器中釋放熱量凝結(jié)成液體，冷凝水通過(guò)毛細(xì)力回流到蒸發(fā)器。

Zhou等人[13]采用了一種充滿納米流體的混合振蕩熱管（OHP），以消除鋰電池在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，該系統(tǒng)由帶有毛細(xì)銅管冷凝器和環(huán)形通道的銅制平板蒸發(fā)器構(gòu)成。納米流體以碳納米管（CNT）作為納米顆粒，水/乙醇為基液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在輸入功率為56W時(shí)，使用納米流體的系統(tǒng)具有更高的傳熱性能和更好的啟動(dòng)性能。OHP的熱阻和平均蒸發(fā)器溫度分別降至0.066℃/W和43.1℃，比基礎(chǔ)流體分別低0.278℃/W和9.8℃。這表明，采用納米流體的混合振蕩熱管系統(tǒng)能夠有效地為鋰電池冷卻提供一種高效的解決方案。

4 結(jié)論

在BTMS中使用納米流體的技術(shù)已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。將納米顆粒引入BTMS可以有效提高傳統(tǒng)流體的熱傳導(dǎo)性，從而提高傳熱效率并節(jié)約能源，基于納米流體的BTMS的總體趨勢(shì)是降低溫差和最高溫度。隨著納米顆粒的逐漸增加，黏度會(huì)顯著提高，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)泵的功率增加，因此，加入過(guò)多的納米顆粒并不是提高冷卻效率的可行技術(shù)。與傳統(tǒng)的冷卻劑相比，納米流體可能會(huì)產(chǎn)生更高的生產(chǎn)成本，并且納米流體會(huì)隨著使用時(shí)間的增加，導(dǎo)致沉積和團(tuán)聚問(wèn)題，所使用的納米顆粒也會(huì)導(dǎo)致環(huán)境問(wèn)題。

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