鋰離子電池工作時(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(duì)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(chǔ)的能量（能量密度）。雖然這些方法增加了手機(jī)的壽命和功能，諸如電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)之類的未來(lái)應(yīng)用程序需要電池組中的數(shù)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(shè)計(jì)復(fù)雜的系統(tǒng)來(lái)管理熱量。例如，電動(dòng)汽車制造商特斯拉的Model 3汽車中的電池組比6，000部iPhone 11手機(jī)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。開發(fā)人員在這些低效的設(shè)計(jì)上浪費(fèi)了時(shí)間和金錢。所以必須改進(jìn)散熱策略，以使電池組既輕巧又強(qiáng)大。
為什么這樣缺乏關(guān)注？原因之一是沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)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(jìng)爭(zhēng)。他們的產(chǎn)品規(guī)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(shè)計(jì)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)間和金錢在設(shè)計(jì)上之后，他們發(fā)現(xiàn)為時(shí)已晚。
鋰離子電池行業(yè)的規(guī)模有望在未來(lái)十年內(nèi)翻三番。因此電池?zé)峁芾砑夹g(shù)急需改變。
電池行業(yè)的第一步是定期報(bào)告熱管理。我們已經(jīng)制定了標(biāo)準(zhǔn)化的性能指標(biāo)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(yàn)室中容易獲得的設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。在每個(gè)電池規(guī)格表中都包含該指標(biāo)將推動(dòng)競(jìng)爭(zhēng)，從而改善單電池設(shè)計(jì)和電池組性能。
熱管理
領(lǐng)先的汽車公司正在大力投資開發(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(guó)慕尼黑附近開業(yè)。每個(gè)公司都使用不同的電池設(shè)計(jì)并遵循自己的散熱策略。
廣義上講，存在三種熱管理系統(tǒng)。
空氣冷卻。在雷諾ZOE和日產(chǎn)LEAF汽車模型的電池中，空氣吹過(guò)表面以除熱。這種方法對(duì)于固定的能量存儲(chǔ)（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。隨著性能的逐年提高，未來(lái)的電動(dòng)汽車，長(zhǎng)途運(yùn)輸和重型越野汽車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(qiáng)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。浸泡是最有效的，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(xiǎn)。因此，電動(dòng)汽車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圍。浸沒(méi)法和冷卻通道法都會(huì)消耗電力，因?yàn)樾枰銐蚩斓貙⒗鋮s液泵送到電池周圍。
相變冷卻。某些材料（例如，美國(guó)3M技術(shù)公司生產(chǎn)的Novec流體）被設(shè)計(jì)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(chǔ)它。因此，所有相變?cè)O(shè)計(jì)都需要額外的冷卻系統(tǒng)來(lái)將熱量帶出電池組。
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
設(shè)計(jì)人員需要為他們的應(yīng)用選擇最佳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(qū)域是最困難的決定。
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”。
電池?zé)峁芾砑夹g(shù)或?qū)⒏纳茊坞姵卦O(shè)計(jì)和電池組性能
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(fù)極端子或“接線片”。集電器由非常容易導(dǎo)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(duì)溫度敏感。在高溫下，對(duì)電流的阻力要低得多。因此，為了使電池有效且穩(wěn)定，應(yīng)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(dāng)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(dāng)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(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)樗鼤?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(jié)果，通過(guò)離子通道冷卻的電池仍然會(huì)變得危險(xiǎn)的熱。
關(guān)鍵指標(biāo)
最大的問(wèn)題是開放共享。在世界上任何地方都沒(méi)有可輕松復(fù)制的電化學(xué)電池?zé)嵝阅苤笜?biāo)，也沒(méi)有揭示有關(guān)電池設(shè)計(jì)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(cè)量電池的熱性能。傳熱專家更喜歡用比奧號(hào)（Biot number），它描述了人體傳遞和散發(fā)熱量的能力。機(jī)械工程師更喜歡導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)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(xiàn)的傳熱速率。
這些方法都無(wú)法計(jì)算電池在工作時(shí)的溫度梯度，因?yàn)殡娀瘜W(xué)電池會(huì)在整個(gè)體積內(nèi)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(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)。
我們已經(jīng)開發(fā)出一種度量稱為電池冷卻系數(shù)。它可用于描述運(yùn)行中的整個(gè)電池的溫度梯度，單位為瓦特/開爾文（W K –1）。電池的表面冷卻和離子冷卻將具有不同的值，因?yàn)槊糠N方法都會(huì)導(dǎo)致不同的溫度梯度。這樣的系數(shù)將告訴設(shè)計(jì)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(shù)很容易在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)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(cè)量。對(duì)于表面冷卻，在其中電池的一側(cè)被冷卻而另一側(cè)保持熱的情況下，可以通過(guò)將熱損失率除以從熱側(cè)到冷側(cè)的溫度梯度來(lái)計(jì)算電池冷卻系數(shù)。
從電動(dòng)汽車回收鋰離子電池
期望大的電池冷卻系數(shù)，這意味著可以除去更多的熱量，并且電池內(nèi)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）性能似乎最好，并且電池冷卻系數(shù)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(shù)小于0.5 W K –1（未發(fā)表的結(jié)果）。
如果電池產(chǎn)品的價(jià)格不及競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，則某些電池制造商可能反對(duì)使用熱性能指標(biāo)。有些人會(huì)反對(duì)添加另一個(gè)變量會(huì)使優(yōu)化電池設(shè)計(jì)的協(xié)議復(fù)雜化，從而增加時(shí)間和成本。但是我們估計(jì)，在表征不同類型的電池通常需要花費(fèi)的幾天之外，這僅需要多花兩個(gè)小時(shí)進(jìn)行測(cè)試。那些接受該指標(biāo)的制造商可以獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
下一步
我們呼吁研究人員和工程師定期測(cè)量和報(bào)告電池冷卻系數(shù)。我們的指標(biāo)應(yīng)與其他通常報(bào)告的電池指標(biāo)（例如能量容量和放電速率）一起包含在出版物中。
設(shè)計(jì)人員應(yīng)評(píng)估熱性能以及能量密度和功率能力，以確定最適合其電池組的電池。他們應(yīng)該在鎖定設(shè)計(jì)之前的早期階段執(zhí)行此操作。計(jì)算機(jī)仿真可能有助于評(píng)估電池的潛力。了解電池冷卻系數(shù)將有助于設(shè)計(jì)人員評(píng)估熱管理和能量密度之間的權(quán)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(jìng)爭(zhēng)中，能夠保持電池涼爽的制造商將擁有最光明的未來(lái)。 |
