能降溫的鋰電池才是行業(yè)的好電池

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

在德國慕尼黑附近的寶馬汽車(chē)研究中心，技術(shù)人員正在處理電池材料。來(lái)源：寶馬集團

　　鋰離子電池會(huì )發(fā)熱，而且很難使其保持涼爽。在過(guò)去的十年里，工業(yè)界對這個(gè)問(wèn)題幾乎視而不見(jiàn)。他們的研究重點(diǎn)放在其他地方：如何降低成本并提高電池組中單個(gè)電池可以存儲的能量（能量密度）。這種策略提高了手機的使用壽命和性能。但是在未來(lái)的應用中，如電動(dòng)汽車(chē)和智能電網(wǎng)，一個(gè)電池組需要包含數千個(gè)電池。電池容易過(guò)熱的問(wèn)題值得重視。

　　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Model 3車(chē)型的電池組所承載的能量超過(guò)了6000部iPhone 11。冷卻液通過(guò)管道網(wǎng)絡(luò )泵送，將熱量從單個(gè)電池中帶走。但這些笨重的附加組件不僅增加了電池組重量，還會(huì )消耗它的能量。開(kāi)發(fā)人員在這些低效的設計上浪費了太多時(shí)間和金錢(qián)。為了使電池組既輕便又強大，必須改進(jìn)其散熱策略。

　　為什么散熱策略如此缺乏關(guān)注呢？一個(gè)原因是沒(méi)有標準的方法來(lái)評估電池組的熱性能。單個(gè)電池的制造商不斷追求更高的能量密度。他們的產(chǎn)品規格表并未說(shuō)明單個(gè)電池的散熱容易程度。因此，電池組的設計者無(wú)法預先知道單個(gè)電池會(huì )產(chǎn)生多少熱量。他們在設計上投入時(shí)間和金錢(qián)后才發(fā)現散熱問(wèn)題，但已經(jīng)太晚了。

　　鋰離子電池行業(yè)的規模預計將在未來(lái)10年擴大兩倍。在熱管理方面迫切需要循序式改進(jìn)。使用成熟的技術(shù)可以迅速實(shí)現這一目標。

　　第一步是讓電池行業(yè)報告常規的熱管理。為此，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)標準化的性能度量標準。它可以比較不同的電化學(xué)電池，可以使用電池實(shí)驗室中現成的設備進(jìn)行測量。在每個(gè)電池規格表里納入這一指標將有利于競爭，進(jìn)而改善單電池設計和電池組性能。

熱管理

　　行業(yè)領(lǐng)先的汽車(chē)企業(yè)正在大力投資和開(kāi)發(fā)更好的電池組。去年僅寶馬一家就投入了2.3億美元，在德國慕尼黑附近開(kāi)設電池研究中心。每家公司都采用不同的電池設計，并探索自己的冷卻策略。

　　總的來(lái)說(shuō)，有三種熱管理系統。

　　空氣冷卻。雷諾ZOE和日產(chǎn)LEAF這兩款汽車(chē)的電池通過(guò)空氣吹過(guò)其表面來(lái)散熱。這種方法對于固定的能量存儲可能足夠了，比如為家庭供電的電池，但它的散熱速率很低。未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)、長(cháng)途運輸和重型越野車(chē)的電池組要求散熱更快，因為它們的性能在逐年提高。

　　液體冷卻。特定體積液體的散熱能力大約是同等體積空氣的1000倍。電池可以浸入流動(dòng)的液體中，或液體通過(guò)包裹電池的通道間接冷卻。浸泡是最有效的，但是需要昂貴的介電介質(zhì)液體來(lái)降低電池組短路的風(fēng)險。因此，電動(dòng)汽車(chē)一般采用冷卻通道的方式。譬如，特斯拉就采用將裝有液態(tài)丙二醇的管道包裹在圓柱形電池上。浸液和冷卻通道的方法都會(huì )消耗能量，因為需要冷卻液在電池周?chē)鲃?dòng)得足夠快。

　　相變冷卻。一些材料，如美國3M科技公司生產(chǎn)的Novec流體，在從固體變?yōu)橐后w或從液體變?yōu)闅怏w時(shí)能夠吸收熱量，而不會(huì )自身變熱。電池可以浸入或涂上這種材料來(lái)吸熱。很多團隊都在研究這種方法，因為它比空氣或液體冷卻耗能更少，散熱更均勻。然而，這種方法有一個(gè)基本的限制。相變材料不會(huì )傳導熱量，他們只是把它儲存起來(lái)而已。因此，所有的相變設計都需要一個(gè)額外的冷卻系統來(lái)將熱量從電池組中帶走。

設計難點(diǎn)

　　設計師需要為他們的應用選擇最好的冷卻方法，并用到正確的地方。如果他們不這樣做，電池組就會(huì )非常低效，提供的有用能量減少，并且迅速退化。而選擇冷卻電池的哪個(gè)區域是最困難的決定。

　　所有電池都由不同的材料層組成：電極、電解質(zhì)、分離器和電流收集器。這些層可以被夾在一起，如軟包電池；也可以卷曲成“果凍卷”，如圓柱形和方形電池（見(jiàn)“保持涼爽”）。

來(lái)源：Claire Welsh/《自然》

　　電流通過(guò)集流器流入和流出電池，集流器連接到電池的正極和負極，或“凸耳”。集流器是由易傳熱的金屬制成的。但是，由于電極、電解液和分離器都是絕熱材料，電池各層之間的熱量傳遞很慢。換句話(huà)說(shuō)，平行于這些層的熱傳遞比穿過(guò)它們的熱傳遞要快[1]。

　　電池的電化學(xué)性能對溫度敏感；在高溫下，電流的電阻要低得多。因此，為了電池的有效和穩定，每一層都應該暴露在相同的熱條件下。每一層與下一層之間的溫度梯度意味著(zhù)每一層的運作略有不同。這種情況下，從電池中輸出的能量更少，因為較熱的層消耗能量的速度更快，會(huì )有一些能量留在較冷的層中。而且當每一層暴露在不同流速的電流中時(shí)，電池退化得更快。

　　只有當熱量以相同的速率從每一層中去除時(shí)，它們才可能有相同的熱條件。而表面冷卻做不到這一點(diǎn)，因為它會(huì )產(chǎn)生溫度梯度。

　　通過(guò)連接到每一層的凸耳進(jìn)行散熱可以使整個(gè)電池均勻冷卻。不幸的是，凸耳冷卻無(wú)法應用到現在的鋰離子電池中。凸耳通常彼此靠得太近，而且太小、太薄，無(wú)法為每一層帶走足夠的熱量。因此，通過(guò)凸耳散熱的電池仍然會(huì )過(guò)熱，存在隱患。

關(guān)鍵指標

　　最大的問(wèn)題也是最實(shí)際的：世界上還不存在能在任何地方輕易復制的電化學(xué)電池的熱性能指標，同時(shí)又不揭露電池設計或制造等商業(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。傳熱專(zhuān)家青睞畢渥數，它描述了物體通過(guò)和散發(fā)熱量的能力。機械工程師更喜歡熱傳導和導熱系數的定義；它們定義了在給定的溫度梯度下，某種材料所能達到的傳熱速率。

德國大眾的員工正在組裝ID。 3電動(dòng)汽車(chē)的下半車(chē)身和電池。圖片來(lái)源：Ronny Hartman/AFP/Getty

　　這些方法都不能計算電池工作時(shí)的溫度梯度，因為電化學(xué)電池的整個(gè)體積都會(huì )產(chǎn)生自身熱量。如果不知道單個(gè)電池的溫度梯度，就不可能為包含1000個(gè)電池的電池組設計熱管理系統。

　　我們提出了一種稱(chēng)為電池冷卻系數（cell cooling coefficient）的指標，可以用來(lái)描述工作中的電池的溫度梯度，單位是瓦特每開(kāi)爾文。一個(gè)電池采用表面冷卻或凸耳冷卻的電池冷卻系數不同，因為每種方法都會(huì )產(chǎn)生不同的溫度梯度。這個(gè)系數可以告訴設計師對電池組中選定的電池熱量進(jìn)行管理的難度。

　　我們的冷卻系數可以在實(shí)驗室直接測量。研究人員可以讓電池產(chǎn)生電化學(xué)熱，然后使用溫度傳感器確定電池的溫度梯度。電池的熱量損失可以用熱流傳感器來(lái)測量。對于表面冷卻，即電池的一側已冷卻而另一側仍是熱的時(shí)，電池的冷卻系數可以通過(guò)用熱散失率除以熱側到冷側的溫度梯度來(lái)計算。

　　電池的冷卻系數越大越好。這意味著(zhù)更多的熱量可以被移走，電池內部?jì)H有一個(gè)小的溫度梯度。在我們研究的電池中，大的軟包電池表現最好，如日產(chǎn)LEAF的電池的冷卻系數接近5 W K-1（參考文獻9）。小的圓柱形電池差一點(diǎn)，如特斯拉Model 3中的電池，冷卻系數低于0.5 W K-1（結果尚未發(fā)表）。

　　如果產(chǎn)品表現不如競爭對手，一些電池制造商可能會(huì )反對使用熱性能指標。有些反對者會(huì )說(shuō)增加一個(gè)變量會(huì )使優(yōu)化電池設計的協(xié)議復雜化，增加時(shí)間和成本。但我們評估過(guò)，這個(gè)指標只需要額外兩個(gè)小時(shí)的測試，而通常不同類(lèi)型的電池的表征測試就要花費數天。而且那些采用該指標的制造商在競爭中也更占優(yōu)勢。

下一步

　　我們呼吁研究人員和工程師對電池冷卻系數進(jìn)行常規測量和報告。我們的指標應該和其他典型的電池報告指標，如能量容量和放電率，一起納入發(fā)表文獻中。

　　設計人員在評估電池能量密度和功率時(shí)，應同時(shí)評估其熱性能，以確定哪種電池最適合他們的電池組。他們應該在設計確定前的早期階段這樣做。計算機模擬可能有助于評估電池的潛能。了解電池冷卻系數將有助于設計師評估熱管理和能量密度之間的權衡，提高整個(gè)電池組的工作性能。

　　在電池行業(yè)競爭如此激烈的情況下，能夠保持電池涼爽的制造商將會(huì )有光明的未來(lái)。