能降温的锂电池才是行业的好电池

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原文作者：Gregory Offer， Yatish Patel， Alastair Hales， Laura Bravo Diaz & Mohamed Marzook

在德国慕尼黑四面的宝马汽车研究中心，技强职员正在处理赏罚电池原料。来历：宝马团体

大型高能电池组的制造商必需计划伟大的体系来打点热量。譬喻，电动汽车制造商特斯拉Model 3车型的电池组所承载的能量高出了6000部iPhone 11。冷却液通过管道收集泵送，将热量从单个电池中带走。但这些粗笨的附加组件不只增进了电池组重量，还会耗损它的能量。开拓职员在这些低效的计划上挥霍了太多时刻和款子。为了使电池组既精练又强盛，必需改造其散热计策。

为什么散热计策云云缺乏存眷呢？一个缘故起因是没有尺度的要领来评估电池组的热机能。单个电池的制造商不绝追求更高的能量密度。他们的产物规格表并未声名单个电池的散热轻易水平。因此，电池组的计划者无法预先知道单个电池会发生几多热量。他们在计划上投入时刻和款子后才发明散热题目，但已经太晚了。

锂离子电池行业的局限估量将在将来10年扩大两倍。在热打点方面急切必要循序式改造。行使成熟的技能可以敏捷实现这一方针。

第一步是让电池行业陈诉通例的热打点。为此，我们开拓了一个尺度化的机能怀抱尺度。它可以较量差异的电化学电池，可以行使电池尝试室中现成的装备举办丈量。在每个电池规格内外纳入这一指标将有利于竞争，进而改进单电池计划和电池组机能。

热打点

行业领先的汽车企颐魅正在大力大举投资和开拓更好的电池组。客岁仅宝马一家就投入了2.3亿美元，在德国慕尼黑四面开设电池研究中心。每家公司都回收差异的电池计划，并试探本身的冷却计策。

总的来说，有三种热打点体系。

氛围冷却。雷诺ZOE和日产LEAF这两款汽车的电池通过氛围吹过其外貌来散热。这种要领对付牢靠的能量存储也许足够了，好比为家庭供电的电池，但它的散热速度很低。将来的电动汽车、远程运输和重型越野车的电池组要求散热更快，由于它们的机能在逐年进步。

液体冷却。特定体积液体的散热手段约莫是平等体积氛围的1000倍。电池可以浸入活动的液体中，或液体通过包裹电池的通道间接冷却。浸泡是最有用的，可是必要昂贵的介电介质液体来低落电池组短路的风险。因此，电动汽车一样平常回收冷却通道的方法。譬如，特斯拉就回收将装有液态丙二醇的管道包裹在圆柱形电池上。浸液和冷却通道的要领城市耗损能量，由于必要冷却液在电池周围活动得足够快。

相变冷却。一些原料，如美国3M科技公司出产的Novec流体，在从固体变为液体或从液体变为气体时可以或许接收热量，而不会自身变热。电池可以浸入或涂上这种原料来吸热。许多团队都在研究这种要领，由于它比氛围或液体冷却耗能更少，散热更匀称。然而，这种要领有一个根基的限定。相变原料不会传导热量，他们只是把它储存起来罢了。因此，全部的相变计划都必要一个特另外冷却体系来将热量从电池组中带走。

计划难点

计划师必要为他们的应用选择最好的冷却要领，并用到正确的处所。假如他们不这样做，电池组就会很是低效，提供的有效能量镌汰，而且敏捷退化。而选择冷却电池的哪个地区是最坚苦的抉择。

全部电池都由差异的原料层构成：电极、电解质、疏散器和电流网络器。这些层可以被夹在一路，如软包电池；也可以卷曲成“果冻卷”，如圆柱形和方形电池（见“保持风凉”）。

来历：Claire Welsh/《天然》

电畅通过集流器流入和流出电池，集流器毗连到电池的正极和负极，或“凸耳”。集流器是由易传热的金属制成的。可是，因为电极、电解液和疏散器都是绝热原料，电池各层之间的热量转达很慢。换句话说，平行于这些层的热转达比穿过它们的热转达要快[1]。

电池的电化学机能对温度敏感；在高温下，电流的电阻要低得多。因此，为了电池的有用和不变，每一层都应该袒露在沟通的热前提下。每一层与下一层之间的温度梯度意味着每一层的运作略有差异。这种环境下，从电池中输出的能量更少，由于较热的层耗损能量的速率更快，会有一些能量留在较冷的层中。并且当每一层袒露在差异流速的电流中时，电池退化得更快。

只有当热量以沟通的速度从每一层中去除时，它们才也许有沟通的热前提。而外貌冷却做不到这一点，由于它会发生温度梯度。

通过毗连到每一层的凸耳举办散热可以使整个电池匀称冷却。不幸的是，凸耳冷却无法应用到此刻的锂离子电池中。凸耳凡是互相靠得太近，并且太小、太薄，无法为每一层带走足够的热量。因此，通过凸耳散热的电池如故会过热，存在隐患。

要害指标

最大的题目也是最现实的：天下上还不存在能在任那里所等闲复制的电化学电池的热机能指标，同时又不揭破电池计划或制造等贸易敏感信息。

在电池行业中，没有好的或通用的要领来丈量电池的热机能。传热专家青睐毕渥数，它描写了物体通过和披发烧量的手段。机器工程师更喜好热传导和导热系数的界说；它们界说了在给定的温度梯度下，某种原料所能到达的传热速度。

这些要领都不能计较电池事变时的温度梯度，由于电化学电池的整个别积城市发生自身热量。假如不知道单个电池的温度梯度，就不行能为包括1000个电池的电池组计划热打点体系。

我们提出了一种称为电池冷却系数（cell cooling coefficient）的指标，可以用来描写事变中的电池的温度梯度，单元是瓦特每开尔文。一个电池回收外貌冷却或凸耳冷却的电池冷却系数差异，由于每种要领城市发生差异的温度梯度。这个系数可以汇报计划师对电池组中选定的电池热量举办打点的难度。

我们的冷却系数可以在尝试室直接丈量。研究职员可以让电池发生电化学热，然后行使温度传感器确定电池的温度梯度。电池的热量丧失可以用热传播感器来丈量。对付外貌冷却，即电池的一侧已冷却而另一侧还是热的时，电池的冷却系数可以通过用热散失率除以热侧到冷侧的温度梯度来计较。

电池的冷却系数越大越好。这意味着更多的热量可以被移走，电池内部仅有一个小的温度梯度。在我们研究的电池中，大的软包电池示意最好，如日产LEAF的电池的冷却系数靠近5 W K-1（参考文献9）。小的圆柱形电池差一点，如特斯拉Model 3中的电池，冷却系数低于0.5 W K-1（功效尚未颁发）。

假如产物示意不如竞争敌手，一些电池制造商也许会阻挡行使热机能指标。有些阻挡者会说增进一个变量会使优化电池计划的协议伟大化，增进时刻和本钱。但我们评估过，这个指标只必要特殊两个小时的测试，而凡是差异范例的电池的表征测试就要耗费数天。并且那些回收该指标的制造商在竞争中也更占上风。

下一步

我们号令研究职员和工程师对电池冷却系数举办通例丈量和陈诉。我们的指标应该和其他典范的电池陈诉指标，如能量容量和放电率，一路纳入颁发文献中。

计划职员在评估电池能量密度和功率时，应同时评估其热机能，以确定哪种电池最得当他们的电池组。他们应该在计划确定前的早期阶段这样做。计较机模仿也许有助于评估电池的潜能。相识电池冷却系数将有助于计划师评估热打点和能量密度之间的衡量，进步整个电池组的事变机能。

在电池行业竞争云云剧烈的环境下，可以或许保持电池风凉的制造商将会有光亮的将来。

本文素材来自互联网

（编辑：河北网）

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