| 離子電池工作時(shí)會(huì )變熱，很難保持其涼爽。在過(guò)去的十年中，工業(yè)界對此問(wèn)題的關(guān)注很少。一般都將研究重點(diǎn)放在其他地方：降低成本和提高電池中單個(gè)電池可以存儲的能量（能量密度）。雖然這些方法增加了手機的壽命和功能，諸如電動(dòng)汽車(chē)和智能電網(wǎng)之類(lèi)的未來(lái)應用程序需要電池組中的數千個(gè)電池單元，但是這些電池組很容易變熱。
大型高能電池組的制造商必須設計復雜的系統來(lái)管理熱量。例如，電動(dòng)汽車(chē)制造商特斯拉的 Model 3 汽車(chē)中的電池組比 6，000 部 iPhone 11 手機擁有更多的能量。冷卻液通過(guò)通道泵送以將熱量從各個(gè)單元中帶走。但是這些繁瑣的附加操作會(huì )使電池組沉重并消耗掉能量。開(kāi)發(fā)人員在這些低效的設計上浪費了時(shí)間和金錢(qián)。所以必須改進(jìn)散熱策略，以使電池組既輕巧又強大。
為什么這樣缺乏關(guān)注？原因之一是沒(méi)有標準的方法來(lái)判斷電池組的熱性能。單個(gè)電池的制造商通過(guò)追求更高的能量密度來(lái)競爭。他們的產(chǎn)品規格表沒(méi)有涵蓋從電池中去除熱量的難易程度。因此，電池組的設計人員無(wú)法事先知道單個(gè)電池將產(chǎn)生多少熱量。在花了大量時(shí)間和金錢(qián)在設計上之后，他們發(fā)現為時(shí)已晚。
鋰離子電池行業(yè)的規模有望在未來(lái)十年內翻三番。因此電池熱管理技術(shù)急需改變。
電池行業(yè)的步是定期熱管理。我們已經(jīng)制定了標準化的性能指標用于此目的。它比較了不同的電化學(xué)電池，可以使用電池實(shí)驗室中容易獲得的設備進(jìn)行測量。在每個(gè)電池規格表中都包含該指標將推動(dòng)競爭，從而改善單電池設計和電池組性能。
熱管理
的汽車(chē)公司正在大力投資開(kāi)發(fā)更好的電池組。僅寶馬一家就向其電池研究中心投入了 2.3 億美元，該中心于去年在德國慕尼黑附近開(kāi)業(yè)。每個(gè)公司都使用不同的電池設計并遵循自己的散熱策略。
廣義上講，存在三種熱管理系統。
空氣冷卻。在雷諾 ZOE 和日產(chǎn) LEAF 汽車(chē)模型的電池中，空氣吹過(guò)表面以除熱。這種方法對于固定的能量存儲（例如，為家庭供電的電池）可能就足夠了，但是它以較低的速率散熱。隨著(zhù)性能的逐年提高，未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)，長(cháng)途運輸和重型越野汽車(chē)的電池組將需要更快地散熱。
液體冷卻。一定體積的液體的散熱能力比相同體積的空氣強 1000 倍左右。電池可以浸泡在流動(dòng)的液體中，或通過(guò)環(huán)繞電池的通道流動(dòng)的液體間接冷卻。浸泡是有效的，但需要昂貴的電介質(zhì)液體來(lái)降低電池組短路的風(fēng)險。因此，電動(dòng)汽車(chē)往往采用冷卻通道的方法。特斯拉將含有液態(tài)丙二醇的管子包裹在圓柱形電池周?chē)�。浸沒(méi)法和冷卻通道法都會(huì )消耗電力，因為需要足夠快地將冷卻液泵送到電池周?chē)?/font>
相變冷卻。某些材料（例如，美國 3M 技術(shù)公司生產(chǎn)的 Novec 流體）被設計為在相變時(shí)吸收熱量 - 從固體變?yōu)橐后w，或從液體變?yōu)闅怏w，而不會(huì )變熱。電池可以浸入或涂有此類(lèi)材料以吸收熱量。與空氣或液體冷卻相比，此方法使用的功率更少，并且熱量散發(fā)更均勻，因此是大量研究的主題。但是，有一個(gè)基本限制，相變材料不會(huì )散走熱量，他們只是存儲它。因此，所有相變設計都需要額外的冷卻系統來(lái)將熱量帶出電池組。
設計挑戰
設計人員需要為他們的應用選擇的冷卻方法并正確部署。如果不這樣做，電池組將效率低下，提供的有用能量更少，并且降解速度更快。選擇要冷卻的電池區域是困難的決定。
所有電池均由不同材料的層組成：電極，電解質(zhì)，隔膜和集電器。這些層可以像夾在小袋中一樣被夾在中間，也可以像圓柱形和棱柱形中那樣被卷曲成“果凍卷”。
電流通過(guò)集電器流入和流出電池，集電器連接到電池的正極和負極端子或“接線(xiàn)片”。集電器由非常容易導熱的金屬制成。但是，由于電極，電解質(zhì)和隔板是絕熱體，因此熱量在電池各層之間的傳遞緩慢。換句話(huà)說(shuō)，平行于各層的熱傳遞比跨它們的熱傳遞 1 更快。
電池的電化學(xué)性能對溫度敏感。在高溫下，對電流的阻力要低得多。因此，為了使電池有效且穩定，應將每一層暴露在相同的熱條件下。一層與下一層之間的溫度梯度意味著(zhù)各層的操作略有不同。由于較熱的層更快地耗盡了能量，因此可以從電池中獲取更少的能量；一些能量留在較冷的層中。當每個(gè)層暴露于電流流動(dòng)的不同的速率時(shí)電池劣化更快。
僅當以相同的速度從每一層中除去熱量時(shí)，相同的熱條件才有可能。表面冷卻無(wú)法實(shí)現這一點(diǎn)，因為它會(huì )產(chǎn)生溫度梯度。
通過(guò)連接到每一層的離子通道散熱，可以使整個(gè)電池均勻冷卻。不幸的是，在今天的鋰離子電池中，離子通道冷卻是不可能的。離子通道往往彼此太近，太小和太薄，無(wú)法從每一層去除足夠的熱量。結果，通過(guò)離子通道冷卻的電池仍然會(huì )變得危險的熱。
關(guān)鍵指標
的問(wèn)題是開(kāi)放共享。在世界上任何地方都沒(méi)有可輕松復制的電化學(xué)電池熱性能指標，也沒(méi)有揭示有關(guān)電池設計或制造方式的商業(yè)敏感信息。
在電池行業(yè)中，沒(méi)有好的或通用的方法來(lái)測量電池的熱性能。傳熱更喜歡用比奧號（Biot number），它描述了人體傳遞和散發(fā)熱量的能力。機械工程師更喜歡導熱系數和導熱系數的定義。這些定義了在給定溫度梯度下可以通過(guò)材料實(shí)現的傳熱速率。
這些方法都無(wú)法計算電池在工作時(shí)的溫度梯度，因為電化學(xué)電池會(huì )在整個(gè)體積內產(chǎn)生自身的熱量。如果一個(gè)電池的溫度梯度未知，則不可能為包含 1，000 個(gè)電池的電池組設計熱管理系統。
我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種度量稱(chēng)為電池冷卻系數。它可用于描述運行中的整個(gè)電池的溫度梯度，單位為瓦特 / 開(kāi)爾文（W K –1）。電池的表面冷卻和離子冷卻將具有不同的值，因為每種方法都會(huì )導致不同的溫度梯度。這樣的系數將告訴設計人員管理電池組中選定電池中的熱量有多困難。
我們的冷卻系數很容易在實(shí)驗室中測量。研究人員可以在電池中產(chǎn)生電化學(xué)熱，然后使用溫度傳感器確定電池中的溫度梯度。電池的熱損失可以使用熱通量傳感器進(jìn)行測量。對于表面冷卻，在其中電池的一側被冷卻而另一側保持熱的情況下，可以通過(guò)將熱損失率除以從熱側到冷側的溫度梯度來(lái)計算電池冷卻系數。
從電動(dòng)汽車(chē)回收鋰離子電池
期望大的電池冷卻系數，這意味著(zhù)可以除去更多的熱量，并且電池內部的溫度梯度較小。在我們研究過(guò)的電池中，大型袋式電池（如日產(chǎn) LEAF 中的電池）性能似乎，并且電池冷卻系數接近 5 W K –1。小型圓柱電池（例如，Tesla Model 3 中的電池）性能較差，電池冷卻系數小于 0.5 W K –1（未發(fā)表的結果）。
如果電池產(chǎn)品的價(jià)格不及競爭對手，則某些電池制造商可能反對使用熱性能指標。有些人會(huì )反對添加另一個(gè)變量會(huì )使優(yōu)化電池設計的協(xié)議復雜化，從而增加時(shí)間和成本。但是我們估計，在表征不同類(lèi)型的電池通常需要花費的幾天之外，這僅需要多花兩個(gè)小時(shí)進(jìn)行測試。那些接受該指標的制造商可以獲得競爭優(yōu)勢。
下一步
我們呼吁研究人員和工程師定期測量和電池冷卻系數。我們的指標應與其他通常的電池指標（例如能量容量和放電速率）一起包含在出版物中。
設計人員應評估熱性能以及能量密度和功率能力，以確定適合其電池組的電池。他們應該在鎖定設計之前的早期階段執行此操作。計算機仿真可能有助于評估電池的潛力。了解電池冷卻系數將有助于設計人員評估熱管理和能量密度之間的權衡，從而改善整個(gè)電池組的工作性能。
在電池行業(yè)如此激烈的競爭中，能夠保持電池涼爽的制造商將擁有光明的未來(lái)。 |
