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(guó)慕尼黑附近的寶馬汽車研究中心，技術(shù)人員正在處理電池材料。來源：寶馬集團(tuán)

　　鋰離子電池會(huì)發(fā)熱，而且很難使其保持涼爽。在過去的十年里，工業(yè)界對(duì)這個(gè)問題幾乎視而不見。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(chǔ)的能量（能量密度）。這種策略提高了手機(jī)的使用壽命和性能。但是在未來的應(yīng)用中，如電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)，一個(gè)電池組需要包含數(shù)千個(gè)電池。電池容易過熱的問題值得重視。

　　大型高能電池組的制造商必須設(shè)計(jì)復(fù)雜的系統(tǒng)來管理熱量。例如，電動(dòng)汽車制造商特斯拉Model 3車型的電池組所承載的能量超過了6000部iPhone 11。冷卻液通過管道網(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。開發(fā)人員在這些低效的設(shè)計(jì)上浪費(fèi)了太多時(shí)間和金錢。為了使電池組既輕便又強(qiáng)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)原因是沒有標(biāo)準(zhǔn)的方法來評(píng)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(guī)格表并未說明單個(gè)電池的散熱容易程度。因此，電池組的設(shè)計(jì)者無法預(yù)先知道單個(gè)電池會(huì)產(chǎn)生多少熱量。他們?cè)谠O(shè)計(jì)上投入時(shí)間和金錢后才發(fā)現(xiàn)散熱問題，但已經(jīng)太晚了。

　　鋰離子電池行業(yè)的規(guī)模預(yù)計(jì)將在未來10年擴(kuò)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(xiàn)這一目標(biāo)。

　　第一步是讓電池行業(yè)報(bào)告常規(guī)的熱管理。為此，我們開發(fā)了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的性能度量標(biāo)準(zhǔn)。它可以比較不同的電化學(xué)電池，可以使用電池實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)成的設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。在每個(gè)電池規(guī)格表里納入這一指標(biāo)將有利于競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)而改善單電池設(shè)計(jì)和電池組性能。

熱管理

　　行業(yè)領(lǐng)先的汽車企業(yè)正在大力投資和開發(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(guó)慕尼黑附近開設(shè)電池研究中心。每家公司都采用不同的電池設(shè)計(jì)，并探索自己的冷卻策略。

　　總的來說，有三種熱管理系統(tǒng)。

　　空氣冷卻。雷諾ZOE和日產(chǎn)LEAF這兩款汽車的電池通過空氣吹過其表面來散熱。這種方法對(duì)于固定的能量存儲(chǔ)可能足夠了，比如為家庭供電的電池，但它的散熱速率很低。未來的電動(dòng)汽車、長(zhǎng)途運(yùn)輸和重型越野車的電池組要求散熱更快，因?yàn)樗鼈兊男阅茉谥鹉晏岣摺?/p>

　　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)液體來降低電池組短路的風(fēng)險(xiǎn)。因此，電動(dòng)汽車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?yàn)樾枰鋮s液在電池周圍流動(dòng)得足夠快。

　　相變冷卻。一些材料，如美國(guó)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吸熱。很多團(tuán)隊(duì)都在研究這種方法，因?yàn)樗瓤諝饣蛞后w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(dǎo)熱量，他們只是把它儲(chǔ)存起來而已。因此，所有的相變?cè)O(shè)計(jì)都需要一個(gè)額外的冷卻系統(tǒng)來將熱量從電池組中帶走。

設(shè)計(jì)難點(diǎn)

　　設(shè)計(jì)師需要為他們的應(yīng)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(qū)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“保持涼爽”）。

來源：Claire Welsh/《自然》

　　電流通過集流器流入和流出電池，集流器連接到電池的正極和負(fù)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。換句話說，平行于這些層的熱傳遞比穿過它們的熱傳遞要快[1]。

　　電池的電化學(xué)性能對(duì)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(wěn)定，每一層都應(yīng)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每一層的運(yùn)作略有不同。這種情況下，從電池中輸出的能量更少，因?yàn)檩^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(dāng)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(dāng)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?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生溫度梯度。

　　通過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，凸耳冷卻無法應(yīng)用到現(xiàn)在的鋰離子電池中。凸耳通常彼此靠得太近，而且太小、太薄，無法為每一層帶走足夠的熱量。因此，通過凸耳散熱的電池仍然會(huì)過熱，存在隱患。

關(guān)鍵指標(biāo)

　　最大的問題也是最實(shí)際的：世界上還不存在能在任何地方輕易復(fù)制的電化學(xué)電池的熱性能指標(biāo)，同時(shí)又不揭露電池設(shè)計(jì)或制造等商業(yè)敏感信息。

　　在電池行業(yè)中，沒有好的或通用的方法來測(cè)量電池的熱性能。傳熱專家青睞畢渥數(shù)，它描述了物體通過和散發(fā)熱量的能力。機(jī)械工程師更喜歡熱傳導(dǎo)和導(dǎo)熱系數(shù)的定義；它們定義了在給定的溫度梯度下，某種材料所能達(dá)到的傳熱速率。

德國(guó)大眾的員工正在組裝ID。 3電動(dòng)汽車的下半車身和電池。圖片來源：Ronny Hartman/AFP/Getty

　　這些方法都不能計(jì)算電池工作時(shí)的溫度梯度，因?yàn)殡娀瘜W(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(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)。

　　我們提出了一種稱為電池冷卻系數(shù)（cell cooling coefficient）的指標(biāo)，可以用來描述工作中的電池的溫度梯度，單位是瓦特每開爾文。一個(gè)電池采用表面冷卻或凸耳冷卻的電池冷卻系數(shù)不同，因?yàn)槊糠N方法都會(huì)產(chǎn)生不同的溫度梯度。這個(gè)系數(shù)可以告訴設(shè)計(jì)師對(duì)電池組中選定的電池?zé)崃窟M(jìn)行管理的難度。

　　我們的冷卻系數(shù)可以在實(shí)驗(yàn)室直接測(cè)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測(cè)量。對(duì)于表面冷卻，即電池的一側(cè)已冷卻而另一側(cè)仍是熱的時(shí)，電池的冷卻系數(shù)可以通過用熱散失率除以熱側(cè)到冷側(cè)的溫度梯度來計(jì)算。

　　電池的冷卻系數(shù)越大越好。這意味著更多的熱量可以被移走，電池內(nèi)部?jī)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(xiàn)最好，如日產(chǎn)LEAF的電池的冷卻系數(shù)接近5 W K-1（參考文獻(xiàn)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(shù)低于0.5 W K-1（結(jié)果尚未發(fā)表）。

　　如果產(chǎn)品表現(xiàn)不如競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，一些電池制造商可能會(huì)反對(duì)使用熱性能指標(biāo)。有些反對(duì)者會(huì)說增加一個(gè)變量會(huì)使優(yōu)化電池設(shè)計(jì)的協(xié)議復(fù)雜化，增加時(shí)間和成本。但我們?cè)u(píng)估過，這個(gè)指標(biāo)只需要額外兩個(gè)小時(shí)的測(cè)試，而通常不同類型的電池的表征測(cè)試就要花費(fèi)數(shù)天。而且那些采用該指標(biāo)的制造商在競(jìng)爭(zhēng)中也更占優(yōu)勢(shì)。

下一步

　　我們呼吁研究人員和工程師對(duì)電池冷卻系數(shù)進(jìn)行常規(guī)測(cè)量和報(bào)告。我們的指標(biāo)應(yīng)該和其他典型的電池報(bào)告指標(biāo)，如能量容量和放電率，一起納入發(fā)表文獻(xiàn)中。

　　設(shè)計(jì)人員在評(píng)估電池能量密度和功率時(shí)，應(yīng)同時(shí)評(píng)估其熱性能，以確定哪種電池最適合他們的電池組。他們應(yīng)該在設(shè)計(jì)確定前的早期階段這樣做。計(jì)算機(jī)模擬可能有助于評(píng)估電池的潛能。了解電池冷卻系數(shù)將有助于設(shè)計(jì)師評(píng)估熱管理和能量密度之間的權(quán)衡，提高整個(gè)電池組的工作性能。

　　在電池行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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。