MFC推荐—非流体控温的锂电高效热管理新策略

近年来，锂离子电池（LIBs）用于电动汽车（EV），无人机以及住宅和电网规模的能量存储设备的占有率正在稳步增长，此外在更成熟的消费电子市场中的使用率也在日益增加。然而，LIBs在炎热和寒冷极端气候下的不良表现严重阻碍了其广泛应用。在高温下，电池性能会以更快的速度衰减（电池温度每增加13°C，寿命大约减少一半），导致电池更换成本增加。当温度降至15°C以下时，LIB容量，功率和效率都会受到影响，这将导致电动车的巡航范围缩短以及智能手机自动关闭。许多现实世界的应用场景都不适合其应用。
无论环境条件如何，将电池温度保持在最佳范围内对于基于LIB的任何能量存储系统的性能都至关重要。随着快速充放电的倍率的增加，电池热管理变得更具挑战性。一方面，电池在低温下失去功率能力，使得实现高倍率更加困难。最近的研究表明，内部加热可以迅速预热LIB并帮助其恢复功率。然而，为了实现这一策略，必须采用良好的隔热措施，以防止热量泄漏到周围环境。另一方面，高倍率显著增加电池内的产热。如果电池组温度不合适，电池温度会升高200°C以上，因此，高热导率对于避免电池在高温环境中过热至关重要。
由于电池热管理系统（BTMS）的这些相互矛盾的要求（即低温下的隔热和高温下的热传导），使用传统的线性热元件（热通量和温度）对两种极端条件下的电池温度进行管理是很困难的。虽然受控的流体回路可以在一定程度上执行此热功能，但热流体开/关所产生的效果对比并不十分明显。另外，这些系统会导致更高的成本和重量，并且对于便携式应用来说是不实用的。近日，加州大学Chris Dames报道了一种非流体的被动式热调节器，可以在极热和极冷的环境中稳定电池温度。在没有任何电源或指令的情况下，热调节器根据电池温度切换自身热导，在冷时保存电池热量，并在热时促进电池冷却。其用于商用18650锂离子电池模组时，可使其在-20°C至45°C的大范围环境温度下稳定工作。

图1. 用于电池热管理的被动式热调节器概念。 a）将热调节器用作电池与其散热器之间的热连接。 b）温度权衡的示意图。 由于低功率能力和低可用容量，电池在低温下表现不佳，而高温有害于电池寿命并导致安全问题。 c）理想的热管理策略应该在电池温度过高时将电池热量耗散到环境中，并且当电池温度过低时内部加热并使电池热隔离。 因此，用于此应用的理想热调节器应具有高导热性G，在高温下有效冷却，并在低温下切换到低G以保持热能并提高电池温度。

图2. 使用两个商用18650 LIB模块演示热调节器。 a）实验装置的示意图;拆分视图显示OFF和ON状态。b）测试组件照片。 c，d）电池性能的比较，对于代表性冷（-20°C，（c））和热（45°C，（d））环境温度。e）放电循环后自由冷却过程中的瞬态温度响应在-20℃完成。 F）配备有热调节器的电池模块的温度在五种不同的环境温度下放电。 g，h）分别研究Tambient = -20°C和Tambient = 45°C时热调节器的循环特性。
在-20°C的冷环境中，如果没有快速预热，电池会损失很大一部分容量（只有21％的额定容量）。在“永远关闭”BTMS策略下，电池自身产生的热量泄露可被有效阻挡，模块的温度迅速上升到大约20℃，电池的可用容量增加了三倍以上。在热调节器存在的情况下，模块温度降至-10°C以下只需要20分钟，这有利于冬季的动态EV驱动循环，包括短暂停止。虽然“永远关闭”BTMS策略在低温下有其优点，但对于高温环境来说这是不可接受的，因为它在需要冷却电池时会阻止散热。
在热环境（Tambient = 45°C）中，热调节器可以有效冷却模块并将温度上升限制在5°C左右。可以看到，BTMS可以从-20°C完全关闭到45°C完全开启的逐渐过渡，热调节器已经成功实现了在低温下对模块进行热绝缘并在高温下冷却模块的目的，同时，热调节器在电池滥用条件下也能表现出强大的性能，包括高温下的5C速率和临时短路。即使经过1,000次热循环，热调节器的“ON”状态性能也没有受到影响，温度增加误差不到1°C。在真实的室外环境中，灰尘颗粒预计会对热接触和通态性能构成威胁。因此，热调节器可能需要气密密封以保持这种水平的循环稳定性。
商用18650锂离子电池组成的电池模块的演示表明，这种热调节器仅通过保留电池自身产生的热量就可以将寒冷天气容量提高三倍以上，同时也保持模块在炎热环境中不会过热，即使在高2C放电率下也是如此。这项研究可为在更广泛的气候条件下对电池进行热管理提供更简单，更节能的方法，这对于更快地采用电动汽车和基于电池的能量存储非常重要。
【说明】
本文开辟了电池热管理的另一条途径，即非流体热管理策略，利用基于记忆合金的热调节器对电池模组进行热调节。本文的一大重点在于材料：形状记忆合金。因学识有限，对本文整体理解不深，欢迎懂行的朋友留言评论，给予指导！
Menglong Hao, Jian Li, Saehong Park, Scott Moura and Chris Dames, Efficient thermal management of Li-ion batteries with a passive interfacial thermal regulator based on a shape memory alloy,Nature Energy, 2018, DOI: 10.1038/s41560-018-0243-8