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本文亮點(diǎn)：本文簡(jiǎn)要總結(jié)了液冷技術(shù)的分類并結(jié)合其工作原理討論了液冷技術(shù)中冷卻液的蓄熱機(jī)理，討論了液冷技術(shù)中冷卻液的關(guān)鍵性能要求并系統(tǒng)闡述了六種冷卻液的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，重點(diǎn)討論了冷板式、浸沒(méi)式和噴淋式液冷技術(shù)的最新研究進(jìn)展，并對(duì)液冷技術(shù)在鈉離子電池中應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行展望。
摘 要 以鋰/鈉離子電池為主的新型儲(chǔ)能技術(shù)是可再生清潔能源開發(fā)利用以及實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要支撐，但鋰/鈉離子電池在高集成度和高功率密度應(yīng)用場(chǎng)景下的熱安全問(wèn)題值得關(guān)注。液冷技術(shù)作為增強(qiáng)電池?zé)峁芾淼闹匾夹g(shù)成為解決電池?zé)岚踩珕?wèn)題的關(guān)鍵。本文首先從鋰/鈉離子電池發(fā)展現(xiàn)狀和電池?zé)峁芾硇枨蟪霭l(fā)，簡(jiǎn)要總結(jié)了液冷技術(shù)的分類(包括冷板式液冷、浸沒(méi)式液冷和噴淋式液冷)，并結(jié)合其工作原理討論了液冷技術(shù)中冷卻液的蓄熱機(jī)理；重點(diǎn)針對(duì)液冷技術(shù)中冷卻液的關(guān)鍵性能要求進(jìn)行詳細(xì)分析，并系統(tǒng)闡述了六種冷卻液(水基冷卻液、納米流體、碳?xì)浠衔锛坝袡C(jī)硅類、碳氟化合物類、沸騰液體和液態(tài)金屬)的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景；重點(diǎn)探討了冷板式液冷、浸沒(méi)式液冷和噴淋式液冷技術(shù)的最新研究進(jìn)展，并對(duì)液冷技術(shù)在鈉離子電池中應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行展望，旨在為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界提供參考。
關(guān)鍵詞 電池?zé)峁芾?；液冷；冷卻液；傳熱
全球能源供需與環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展需求之間的矛盾亟需系統(tǒng)性解決方案。在新型儲(chǔ)能技術(shù)中，電化學(xué)儲(chǔ)能因其配置靈活性、系統(tǒng)響應(yīng)速度快和節(jié)能環(huán)保等特性，在可再生能源并網(wǎng)、智能電網(wǎng)調(diào)頻以及電動(dòng)交通領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。鋰離子電池(LIB)雖因其高能量密度在消費(fèi)電子及新能源汽車領(lǐng)域獲得產(chǎn)業(yè)化的巨大成功，但受限于鋰資源分布不均和價(jià)格波動(dòng)等因素，在其規(guī)模化儲(chǔ)能特別是偏遠(yuǎn)地區(qū)風(fēng)光儲(chǔ)一體化應(yīng)用中面臨著挑戰(zhàn)?；阝c元素資源豐度高、原料成本低和本征安全特性等優(yōu)勢(shì)開發(fā)了鈉離子電池(SIB)，其“搖椅式”工作原理與鋰離子電池具有技術(shù)同源性。理論計(jì)算表明采用硬碳負(fù)極匹配層狀氧化物正極材料的鈉離子電池可實(shí)現(xiàn)140 Wh/kg以上的能量密度，且在-40℃低溫下具有80%的容量保持率。因此，鈉離子電池在分布式儲(chǔ)能及特定工況下電動(dòng)載具等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力，目前正逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，而且在成本敏感的市場(chǎng)上具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)(圖1)。
圖1 LIB和SIB發(fā)展歷史
鋰/鈉離子電池在使用過(guò)程中都存在安全性問(wèn)題，盡管鈉離子電池具有較高的本征熱穩(wěn)定性(熱失控觸發(fā)溫度較鋰離子電池提升50~80℃)，但其在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量會(huì)導(dǎo)致電池溫度升高，高溫加速電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而影響電池的性能和壽命，電解液大量分解和隔膜收縮破裂等會(huì)引發(fā)電池?zé)崾Э兀斐善鸹?、爆炸等?yán)重安全事故。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2017—2024年全球累計(jì)發(fā)生電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全事故約89起，而儲(chǔ)能電站的火災(zāi)事故通常是單個(gè)電池發(fā)生熱失控，瞬間釋放大量熱量繼而蔓延至鄰近電池造成系統(tǒng)連鎖反應(yīng)，引發(fā)大面積電池組熱失控造成嚴(yán)重的火災(zāi)或爆炸事故。因此，有效的熱管理技術(shù)對(duì)于鋰/鈉離子電池的性能釋放和安全運(yùn)行至關(guān)重要。其中，液冷技術(shù)以其高效的散熱性能和優(yōu)異的溫度均勻性成為目前電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的研究熱點(diǎn)。
冷卻液是液冷技術(shù)的關(guān)鍵組成，其性能直接影響液冷系統(tǒng)的散熱效果和安全性能。本綜述探討了液冷技術(shù)的分類和工作原理，并分析了液冷技術(shù)中冷卻液的蓄熱機(jī)理、基本特性及其在各類液冷技術(shù)中的應(yīng)用，重點(diǎn)討論了冷板式、浸沒(méi)式和噴淋式液冷技術(shù)的近期研究進(jìn)展，最后對(duì)液冷技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望，期望為液冷電池冷卻液的研發(fā)和技術(shù)應(yīng)用提供參考，推動(dòng)鋰/鈉離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。
1 液冷技術(shù)簡(jiǎn)介
風(fēng)冷技術(shù)是最早使用的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)，基于自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流換熱原理利用空氣流動(dòng)實(shí)現(xiàn)散熱，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本等優(yōu)勢(shì)。但空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較低，導(dǎo)致電池溫度受到空氣流道等因素的影響大且電池組溫度均勻性差，一般應(yīng)用于低產(chǎn)熱場(chǎng)景的電池組。液體具有比空氣更高的比熱容和更優(yōu)異的導(dǎo)熱性，以液體作為冷卻介質(zhì)的液冷技術(shù)具有更好的散熱效率和溫度均一性，可以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)熱場(chǎng)景下的電池組熱管理，在近些年受到廣泛關(guān)注。
1.1 液冷技術(shù)種類及工作原理
液冷技術(shù)主要包括冷板式、浸沒(méi)式和噴淋式三類，相應(yīng)的液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。冷板式液冷技術(shù)[圖2(a)]屬于間接冷卻技術(shù)(電池-液冷板-冷卻液)，采用內(nèi)部集成流道的液冷板與電池表面接觸，常用乙二醇和水混合溶液作為冷卻液在液冷板流道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)帶走電池產(chǎn)生的熱量。冷板式液冷技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高、維護(hù)簡(jiǎn)單以及適配現(xiàn)有的電池組設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)，但存在空間占用大和接觸熱阻大導(dǎo)致的溫度均勻性差等問(wèn)題。浸沒(méi)式液冷技術(shù)[圖2(b)]屬于直接冷卻技術(shù)，通過(guò)將電池組直接浸沒(méi)在絕緣冷卻液中，冷卻液與電池直接進(jìn)行熱交換快速將電池產(chǎn)熱帶走。浸沒(méi)式液冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是散熱效率高和溫度均勻性好，缺點(diǎn)是高性能冷卻液的價(jià)格昂貴且存在冷卻液泄漏風(fēng)險(xiǎn)。噴淋式液冷技術(shù)[圖2(c)]在直接和間接冷卻中均可以應(yīng)用，常在電池模組上方或側(cè)面布置噴頭，冷卻液直接噴淋在產(chǎn)熱的電池組上實(shí)現(xiàn)電池散熱，隨后經(jīng)導(dǎo)流板收集回流實(shí)現(xiàn)循環(huán)。噴淋式液冷相對(duì)冷板式和浸沒(méi)式液冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是用液量較少和靈活性高，但系統(tǒng)緊湊性困難、液體管理和對(duì)噴頭的要求較高。
圖2 (a) 冷板式；(b) 浸沒(méi)式和 (c) 噴淋式液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
1.2 液冷技術(shù)冷卻液換熱機(jī)理
材料吸收熱量時(shí)會(huì)使自身溫度升高或發(fā)生相轉(zhuǎn)變，如[圖3(a)]所示：固態(tài)材料吸收熱量溫度升高(OA段)；到達(dá)熔點(diǎn)時(shí)發(fā)生固-液相變(AB段)；完全轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)后溫度繼續(xù)升高(BC段)；到達(dá)沸點(diǎn)時(shí)發(fā)生液-氣相變(CD段)；完全轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)后溫度繼續(xù)升高(DE段)。相應(yīng)的熱量在存儲(chǔ)過(guò)程中存在兩種形式：顯熱存儲(chǔ)(OA段、BC段和DE段)和潛熱存儲(chǔ)(AB段和CD段)，且潛熱儲(chǔ)存量遠(yuǎn)高于顯熱儲(chǔ)存。固-液相變由于相變潛熱大、相變前后體積變化小、過(guò)冷度低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)常用作相變材料冷卻系統(tǒng)，也是鋰/鈉離子電池常見的熱管理系統(tǒng)之一。依靠材料的吸熱特性，液冷技術(shù)主要通過(guò)BC段和CD段液體作為冷卻液，吸收熱量實(shí)現(xiàn)電池組溫度的降低。根據(jù)冷卻液在散熱過(guò)程中是否發(fā)生液-氣相變，浸沒(méi)式液冷技術(shù)可分為單相浸沒(méi)式液冷和兩相浸沒(méi)式液冷，這兩種系統(tǒng)在工作原理和應(yīng)用場(chǎng)景等方面存在一定的差異，表1中直觀地對(duì)比了兩種浸沒(méi)式液冷技術(shù)。
圖3 (a) 材料加熱過(guò)程中的溫度-時(shí)間關(guān)系；(b) 單相和 (c) 兩相浸沒(méi)式液冷結(jié)構(gòu)示意圖
表1 兩種浸沒(méi)式液冷技術(shù)對(duì)比
單相浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)的工作原理是基于液體介質(zhì)的顯熱傳遞[圖3(a)BC段，圖3(b)]，浸沒(méi)在高沸點(diǎn)冷卻液中電池產(chǎn)熱時(shí)冷卻液溫度升高，利用強(qiáng)制對(duì)流將局部溫度升高的冷卻液輸運(yùn)到換熱器中降溫后循環(huán)到電池周圍，重復(fù)該過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)電池組溫度的降低。單相浸沒(méi)式液冷技術(shù)具有以下特點(diǎn)。①熱力學(xué)穩(wěn)定。冷卻介質(zhì)全程維持液態(tài)，避免相變引發(fā)的壓力和流動(dòng)不穩(wěn)定等影響。②介質(zhì)適配性好?？筛鶕?jù)工況需求選擇不同黏度和介電強(qiáng)度的冷卻液。③能效優(yōu)化潛力高。在低產(chǎn)熱或低溫環(huán)境中利用溫差實(shí)現(xiàn)零功耗散熱，提升系統(tǒng)能效比。然而，該技術(shù)存在明顯的局限性，顯熱傳遞主導(dǎo)的散熱效率低于兩相冷卻液，在高溫工況需提升流量以滿足散熱需求，增加循環(huán)泵的功損耗占比。
兩相浸沒(méi)式液冷技術(shù)的工作原理基于液體的相變潛熱[圖3(a)CD段，圖3(c)]，電池浸沒(méi)在低沸點(diǎn)的絕緣冷卻液中，冷卻液吸收熱量到達(dá)沸點(diǎn)時(shí)發(fā)生液-氣轉(zhuǎn)變，在此過(guò)程中冷卻液吸收大量相變潛熱快速將電池產(chǎn)熱帶走實(shí)現(xiàn)高效散熱。氣態(tài)冷卻液經(jīng)冷凝管冷卻重新凝結(jié)成液體回流至電池周圍完成循環(huán)。兩相浸沒(méi)式液冷技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)。①傳熱效率更高。兩相冷卻液的對(duì)流換熱系數(shù)是單相冷卻液的2倍以上。②溫度均一性好。相變過(guò)程中溫度穩(wěn)定，電池溫度均一性更好。③低溫適應(yīng)性好。兩相冷卻液的沸點(diǎn)更低，相應(yīng)的熱管理系統(tǒng)能夠在較低的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，有利于提高電池的性能和使用壽命。然而，兩相浸沒(méi)式液冷技術(shù)也面臨一些挑戰(zhàn)，如冷卻液的相變過(guò)程對(duì)系統(tǒng)的密閉性要求高，冷卻液泄漏和揮發(fā)存在安全隱患；液冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制相對(duì)復(fù)雜，對(duì)冷卻液的流量、溫度和壓力等參數(shù)需要精確控制以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；氟化液等低沸點(diǎn)冷卻液的成本較高難以在儲(chǔ)能系統(tǒng)中規(guī)模使用。
2 液冷技術(shù)冷卻液的關(guān)鍵性能
液冷技術(shù)的散熱效果、系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性高度依賴?yán)鋮s液的物理化學(xué)性質(zhì)。冷卻液不僅需要在熱力學(xué)、電化學(xué)及材料兼容性等方面滿足嚴(yán)苛要求，同時(shí)還需要兼顧環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。近些年，隨著高能量密度電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的推廣，冷卻液體系優(yōu)化與新型流體的開發(fā)成為液冷技術(shù)研究的熱點(diǎn)。
2.1 熱性能要求
冷卻液的熱性能是影響電池散熱效率的關(guān)鍵，主要參數(shù)包括比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和運(yùn)動(dòng)黏度等，這些參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，共同決定冷卻液在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的散熱效果，具體的熱性能要求如下。①高比熱容。比熱容直接影響單位質(zhì)量冷卻液升高單位溫度吸收的熱量，高比熱容冷卻液在吸收相同熱量時(shí)自身溫度升高幅度較小，能夠更有效地帶走電池產(chǎn)生的熱量，有利于電池在高倍率充放電維持溫度穩(wěn)定。水基冷卻液的比熱容約為4.2 kJ/(kg K)，遠(yuǎn)高于油基液體。②高導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)是衡量冷卻液導(dǎo)熱能力的物理量，反映熱量在冷卻液中的傳遞效率。導(dǎo)熱系數(shù)越高越有利于熱量的快速傳遞，是實(shí)現(xiàn)電池溫度均一性的關(guān)鍵指標(biāo)。水的導(dǎo)熱系數(shù)約0.6 W/(m·K)，優(yōu)于大多數(shù)油類。③寬工作溫度范圍。冷卻液的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)直接影響液冷技術(shù)的使用范圍，低熔點(diǎn)可以防止冷卻液在低溫下凝固而無(wú)法使用；高沸點(diǎn)能避免冷卻液在高溫下沸騰，如乙二醇水溶液沸點(diǎn)可達(dá)105~130℃，滿足高產(chǎn)熱場(chǎng)景的散熱需求。④低運(yùn)動(dòng)黏度。運(yùn)動(dòng)黏度對(duì)冷卻液的流動(dòng)性和散熱效果具有重要影響。低黏度冷卻液在流動(dòng)時(shí)阻力小，更容易降低循環(huán)泵能耗和實(shí)現(xiàn)熱量的快速傳輸；而高黏度冷卻液流動(dòng)困難，容易在局部形成高溫區(qū)，無(wú)法發(fā)揮冷卻液的散熱作用，導(dǎo)致最高溫度較高和電池溫差較大。
2.2 化學(xué)穩(wěn)定性和材料相容性
冷卻液化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和與材料的兼容性是冷卻液的基本特性。穩(wěn)定的冷卻液要避免因分解、氧化或與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生雜質(zhì)、腐蝕性物質(zhì)以及出現(xiàn)性能下降，確保系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。冷卻液的穩(wěn)定性與本身成分密切相關(guān)，如氟化液的化學(xué)鍵強(qiáng)，化學(xué)穩(wěn)定性明顯高于碳?xì)漕惱鋮s液。此外，冷卻液在高溫、高壓以及高濕度等環(huán)境下容易發(fā)生化學(xué)變化。基于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)和冷卻液使用場(chǎng)景，冷卻液不僅需要對(duì)金屬(銅、鋁、鋼等)、橡膠密封件、塑料管道等無(wú)化學(xué)侵蝕性，還需要耐高溫氧化、紫外線降解，避免產(chǎn)生酸性物質(zhì)或沉淀。
2.3 安全性和環(huán)保性
冷卻液需具備無(wú)毒無(wú)害、不易燃和可降解等特性。冷卻液在生產(chǎn)、使用和廢棄處理等過(guò)程中需盡量減少冷卻液對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，如碳氟化合物冷卻液的揮發(fā)性和毒性對(duì)生態(tài)環(huán)境及人體健康有不利影響，一些含重金屬的冷卻液泄漏對(duì)水體和土壤造成破壞，不適合用于電池管理系統(tǒng)中的冷卻液。不易燃和高閃點(diǎn)能降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，如氟化液的閃點(diǎn)高于200℃，而礦物油的閃點(diǎn)約150℃，使用時(shí)需注意高溫使用場(chǎng)景的安全性。冷卻液的可降解性是衡量冷卻液環(huán)境友好性的核心指標(biāo)。在冷卻系統(tǒng)意外泄漏時(shí)，可快速生物降解的冷卻液能大大減輕對(duì)土壤和水體的污染負(fù)擔(dān)；冷卻液在壽命結(jié)束時(shí)可以簡(jiǎn)化廢棄處理流程，降低成本。
2.4 電絕緣性
電絕緣性是浸沒(méi)式液冷技術(shù)的一項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)，對(duì)于確保電池正常工作和系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要的作用。電絕緣性主要通過(guò)電阻率和介電常數(shù)來(lái)衡量，材料的電阻率越高則電絕緣性越好，而介電常數(shù)則需要在合適的范圍內(nèi)。電池在充放電過(guò)程中存在電壓差，冷卻液直接與電氣部件接觸，冷卻液的電絕緣性不佳會(huì)導(dǎo)致電池自放電和短路等嚴(yán)重問(wèn)題，引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全事故。為了確保冷卻液的絕緣性能，在冷卻液的研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制原材料的純度和雜質(zhì)含量，金屬離子和水分等會(huì)顯著降低冷卻液的電絕緣性能。
2.5 其他實(shí)用要求
除了以上特性，冷卻液在實(shí)際應(yīng)用中還必須滿足一系列關(guān)鍵的實(shí)用性要求，如易維護(hù)性、長(zhǎng)壽命、消泡性好、成本低和易獲取等，這些要求共同決定了其市場(chǎng)接受度和全生命周期。易維護(hù)性意味著冷卻系統(tǒng)無(wú)需頻繁、復(fù)雜的維護(hù)操作，降低系統(tǒng)維護(hù)成本；長(zhǎng)壽命是降低冷卻液成本的關(guān)鍵指標(biāo)，延長(zhǎng)冷卻液更換周期；氣泡的產(chǎn)生會(huì)影響冷卻液循環(huán)和熱傳遞效率，可通過(guò)添加消泡劑抑制泡沫產(chǎn)生或快速消除；合理的成本和易于獲取是推動(dòng)冷卻液規(guī)模應(yīng)用的基石，利于建立穩(wěn)定的供應(yīng)鏈和具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
3 冷卻液的種類及特點(diǎn)
3.1 水基冷卻液
去離子水具有較高的比熱容[約4.2 kJ/(kg·K)]和導(dǎo)熱系數(shù)[約0.6 W/(m·K)]，且成本較低。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中冷卻液常以去離子水為基液，然后添加防凍劑(如乙二醇、丙二醇)、緩蝕劑、表面活性劑等添加劑。添加乙二醇或丙二醇可有效降低冷卻液的冰點(diǎn)，使其適用于低溫環(huán)境，但冷卻液的熱導(dǎo)率隨著醇類冷卻液的比例增加而降低。水基冷卻液常作為間接接觸式液冷熱管理系統(tǒng)，電池和冷卻液間增加液冷板等冷卻部件將電池產(chǎn)生的熱量吸收并通過(guò)水基冷卻液流動(dòng)將熱量帶走，在目前的商用電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域廣泛使用。此外，當(dāng)電池表面經(jīng)過(guò)特殊的表面處理后，水也可以作為浸沒(méi)式液冷技術(shù)的冷卻液。Zhou等采用表面絕緣涂層并設(shè)計(jì)了對(duì)稱的冷卻液蛇形通道，結(jié)果表明，10 μm厚的聚氨酯涂層提供了出色的電氣保護(hù)且吸水率僅為0.07%。鋰離子電池在快速充放電循環(huán)測(cè)試下電池最高溫度保持在低于35℃，最大溫差在4℃以內(nèi)。Li等將硅酮密封膠(SS)和高導(dǎo)熱、低電導(dǎo)氮化硼(BN)結(jié)合作為水冷卻液和18650鋰電池之間的隔離層，并對(duì)比了自然空氣冷卻[圖4(a)]、純SS冷卻[圖4(b)]和SS/BN(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%)混合冷卻[圖4(c)]3種散熱模式。SS/BN復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)明顯增加，有效地將熱量傳遞給周圍環(huán)境，降低電池溫度。此外，實(shí)驗(yàn)表明浸沒(méi)式SS/BN系統(tǒng)可以顯著降低電池模塊的最高溫度，并在不同的放電速率下平衡模塊中的溫度。在3 C放電過(guò)程中，三種浸沒(méi)式SS模塊的最高溫度低于35℃。此外，浸入式SS/BN模塊的溫度差可保持在0.5℃之內(nèi)。Sourirajan等選擇6種冷卻液(包括乙二醇、丙二醇、甘油、乙醇、水、水/乙二醇)研究流速對(duì)電池?zé)峁芾硇Ч挠绊?，結(jié)果表明冷卻液在1 m/s流速下效果最好。其中乙醇和丙二醇在5318 W/m3的產(chǎn)熱速率下效果最好，其他冷卻液在19452 W/m3的產(chǎn)熱速率下效果最好。研究還發(fā)現(xiàn)液冷系統(tǒng)中使用低速流體可以通過(guò)提高傳熱效率、確保結(jié)構(gòu)完整性、延長(zhǎng)熱交換持續(xù)時(shí)間、增強(qiáng)溫度均勻性和降低能耗來(lái)增強(qiáng)熱管理。這些因素共同助力鋰離子電池在一系列應(yīng)用中更安全、更有效。
圖4 電池的不同散熱模式：(a)空氣冷卻模式；(b)純SS冷卻模式和(c) SS/BN冷卻模式
3.2 納米流體
納米流體是指金屬或非金屬納米粉分散到水、醇和油等傳統(tǒng)換熱介質(zhì)中，制備成均勻、穩(wěn)定和高導(dǎo)熱的新型換熱介質(zhì)。在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域，Cu、Al、CuO、Al2O3、TiO2、SiO2、CNTs等納米顆粒常添加到水和醇混合溶液中，以提高冷卻液的導(dǎo)熱系數(shù)。Zakaria等研究了在乙二醇和水混合溶液中添加Al2O3對(duì)其熱導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明乙二醇和水混合溶液的熱導(dǎo)率會(huì)隨著乙二醇含量的增加而降低[圖5(a)]；然而，對(duì)于特定的乙二醇和水混合溶液(50∶50，體積比)，當(dāng)Al2O3納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.3%和0.5%時(shí)，熱導(dǎo)率分別提升約2%、4.2%和7.5%。Das研究了普通納米流體和混合納米流體的熱導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)混合納米流體熱導(dǎo)率是納米顆粒體積分?jǐn)?shù)的增函數(shù)。即當(dāng)Al2O3、TiO2和SiO2的添加量(φ)在0~6%之間時(shí)，混合納米流體的熱導(dǎo)率提升量可以用1+3φ來(lái)近似表示[圖5(b)]。Kumar等人開發(fā)了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)的三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型，該模型包含2×2排列的圓柱形鋰離子電池。該BTMS的CFD使用空氣、水、Al2O3-水納米流體和HFE7100四種冷卻介質(zhì)進(jìn)行模擬。設(shè)置所有冷卻劑的入口溫度為298K，風(fēng)冷、水冷、納米流體和HFE7100電池組在5 C放電速率下最高溫度分別為341.61、300.91、300.29和309.13K[圖5(c)]，表明水和Al2O3-水納米流體是高倍率運(yùn)行時(shí)BTMS的最佳冷卻劑，而空氣冷卻會(huì)導(dǎo)致電池組熱失控。
圖5 (a) 乙二醇/水混合溶液的熱導(dǎo)率變化；(b) 混合納米流體的熱導(dǎo)率線性關(guān)系；(c) 不同冷卻介質(zhì)的溫度變化
3.3 碳?xì)浠衔锛坝袡C(jī)硅類
碳?xì)浠衔镱惱鋮s液在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用歷史，在浸沒(méi)式液冷鈉離子電池系統(tǒng)中也備受關(guān)注，主要包括天然礦物油、合成油和有機(jī)硅油三類。天然礦物油來(lái)自石油中蒸餾提取并經(jīng)過(guò)深度氫化處理，具有成本低的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于室外變壓器冷卻。但天然礦物油存在一些明顯的缺點(diǎn)，如使用過(guò)程中烴類分子氧化分解導(dǎo)致冷卻液酸性增強(qiáng)而產(chǎn)生污染物，影響冷卻液熱導(dǎo)率和流動(dòng)性，降低電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的使用壽命。合成油是在烷烴類或酯類化合物的基礎(chǔ)上人工合成的，主要有聚烯烴、天然氣合成油和合成酯等。與天然礦物油相比，合成油的雜質(zhì)含量低，抗氧化性、導(dǎo)熱性和與材料的兼容性更好，但同樣存在閃點(diǎn)低的問(wèn)題，在較高溫度下使用存在起火爆炸等安全風(fēng)險(xiǎn)。有機(jī)硅油因結(jié)構(gòu)中含有硅氧鍵而具有較高的閃點(diǎn)，在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但有機(jī)硅油的閃點(diǎn)與黏度正相關(guān)，高閃點(diǎn)的有機(jī)硅油黏度較高，導(dǎo)致有機(jī)硅油流動(dòng)性較差，影響相應(yīng)熱管理系統(tǒng)的散熱性能。此外，有機(jī)硅油在潮濕環(huán)境中容易發(fā)生水解和沉淀等問(wèn)題，增加冷卻液黏度而導(dǎo)致散熱效果下降。Liu等綜述了基于單相絕緣油的油浸式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究進(jìn)展。介紹了絕緣油的發(fā)展歷程并對(duì)它們的基本冷卻性能進(jìn)行了比較分析。然后從浸沒(méi)程度、流道配置、熱性能參數(shù)等方面分析了多種因素對(duì)油浸式電池冷卻系統(tǒng)有效性的影響。最后，討論了使用絕緣油作為鋰電池浸沒(méi)式冷卻介質(zhì)的挑戰(zhàn)，并概述了未來(lái)潛在的研究方向。
3.4 碳氟化合物類
碳氟化合物與碳?xì)浠衔锵啾纫肓舜罅糠?，分子間作用力相對(duì)較弱，具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)和較低的黏度。高導(dǎo)熱系數(shù)能夠更快傳輸熱量而提高散熱效率，低黏度有利于冷卻液流動(dòng)，減少泵輸送功率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)冷卻液快速傳輸而提高熱交換效率。強(qiáng)電負(fù)性的氟原子引入使碳氟鍵能增強(qiáng)，分子結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，具有無(wú)閃點(diǎn)和不可燃的特性。同時(shí)碳氟化合物具有化學(xué)惰性，不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因而與其他材料具有良好的兼容性。根據(jù)碳氟化合物的組成和結(jié)構(gòu)不同，可將其分為氯氟烴(CFC)、氫氯氟烴(HCFC)、氫氟烴(HFC)、全氟碳化合物(PFC)和氫氟醚(HFE)等。CFC和HCFC對(duì)大氣環(huán)境特別是臭氧層有破壞作用，被《蒙特利爾議定書》中認(rèn)定為禁止使用的冷卻劑。HFC是家用冰箱和空調(diào)中廣泛使用的制冷劑，盡管沒(méi)有臭氧層破壞作用，但會(huì)加劇溫室效應(yīng)，在浸沒(méi)式液冷技術(shù)中使用也受到一定限制。PFC包含全氟烷烴、全氟胺和全氟聚醚等類型，在沸點(diǎn)和介電常數(shù)方面的特性較為適合半導(dǎo)體設(shè)備冷卻場(chǎng)景，但由于溫室效應(yīng)而被限制推廣。HFE是具有應(yīng)用前景的浸沒(méi)式液冷冷卻液，對(duì)臭氧層無(wú)破壞作用、溫室效應(yīng)較小、具有較高的介電常數(shù)，其已廣泛用于數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，隨著碳氟化合物類冷卻液的價(jià)格的降低，將會(huì)逐漸應(yīng)用到電動(dòng)汽車和電池儲(chǔ)能等領(lǐng)域。
3.5 沸騰液體
沸騰液體利用在沸騰過(guò)程中吸收大量汽化熱來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的高效冷卻，常見的沸騰液體主要有含氯氟烴、全氟碳和氫氟醚等。與傳統(tǒng)冷卻方式相比，沸騰液體冷卻具有明顯的優(yōu)勢(shì)。Wang等提出一種新型的SF33流體冷卻(兩相)浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)并通過(guò)18650電池的冷卻性能評(píng)估熱管理對(duì)電池組性能的影響。結(jié)果表明電池的有效熱均勻化和冷卻可以通過(guò)與沸騰介質(zhì)的熱交換來(lái)實(shí)現(xiàn)[圖6(c)]。在電池產(chǎn)熱的初始階段，冷卻劑的溫度低于其沸點(diǎn)，此時(shí)為顯熱吸收。隨著電池溫度略高于沸點(diǎn)，周圍流體通過(guò)自然對(duì)流吸收顯熱[圖6(a)]。當(dāng)電池溫度繼續(xù)升高時(shí)，冷卻液達(dá)到部分沸騰，最終穩(wěn)定在全核沸騰階段[圖6(b)]。Li等進(jìn)一步研究了SF33流體在4680電池組中的冷卻效果，討論了影響池冷卻傳熱的影響因素，包括電池表面結(jié)構(gòu)、腔內(nèi)壓力、冷卻劑特性等。研究表明，兩相浸沒(méi)式液體冷卻系統(tǒng)的使用能夠在整個(gè)交替充電/放電過(guò)程中始終將電池溫度保持在33~35℃。Tang等為商用圓柱形鋰離子電池組提出了一種采用兩相冷卻液(R141b)的新型間接沸騰冷卻電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。采用導(dǎo)熱塊擴(kuò)大電池與直圓管之間的傳熱面積，R141b冷卻液在管內(nèi)流動(dòng)沸騰，帶走電池產(chǎn)生的熱量。建立三維仿真模型，研究部分結(jié)構(gòu)參數(shù)(導(dǎo)熱塊高度、圓管數(shù)量和直徑)、流型布局、冷卻液流量和電池放電速率對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻性能的影響。結(jié)果表明，錯(cuò)流布局顯著提高了電池的溫度均勻性，最大溫差較并流減小了30%。同時(shí)，適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)可以進(jìn)一步提高BTMS的冷卻能力和電池的溫度均勻性。
圖6 (a) 沸騰曲線；(b) 4 C放電時(shí)的溫度演變過(guò)程以及 (c) 沸騰傳熱行為的示意圖
3.6 液態(tài)金屬
液態(tài)金屬泛指熔點(diǎn)在室溫附近的金屬或合金材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性且集金屬和流體特性于一體，典型的液態(tài)金屬包括稼基合金、鉍基合金和錫基合金等。Muhammad等人對(duì)承受恒定熱通量的微通道散熱器中的單相流和共軛傳熱進(jìn)行了3D數(shù)值模擬。使用不同的鎵合金(EGaInSn、EGaIn、GaSn和GaIn)和各種襯底材料(銅合金、鋁、鎢和硅)對(duì)溫度分布、泵功率、壓降、最大熱通量等的影響對(duì)一系列雷諾數(shù)(300~1900)的熱阻進(jìn)行了全面研究。在所有考慮的冷卻劑中，發(fā)現(xiàn)EGaIn最有效地降低了流動(dòng)阻力。襯底材料的電導(dǎo)率顯著影響微通道的熱阻，較高的電導(dǎo)率導(dǎo)致較低的熱阻。此外，與其他鎵合金相比，具有更高熱導(dǎo)率和比熱的GaIn合金具有更好的熱性能。Yang等提出了一種新型液態(tài)金屬冷卻劑，可用于電池組的熱管理。通過(guò)數(shù)學(xué)分析和數(shù)值模擬評(píng)估液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)的冷卻能力、泵功耗和模塊溫度均勻性，并與水冷進(jìn)行比較。結(jié)果表明，在相同流量條件下，液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)可以獲得更低、更均勻的模塊溫度，所需的泵功耗更少。
綜上所述，表2中總結(jié)了這六類冷卻液的特點(diǎn)及代表性物質(zhì)。水/乙二醇體系具有成本低、易制備、熱傳導(dǎo)性好、比熱容大和不易燃易爆等優(yōu)勢(shì)，但由于電絕緣性差和易變質(zhì)等特性常作為間接式液冷系統(tǒng)的冷卻劑；油類的成本低、閃點(diǎn)高、耐濕性強(qiáng)、電絕緣性好、耐熱性好、低凝固點(diǎn)、低毒性且抗腐蝕，黏度和密度較大，可作為直接式和浸沒(méi)式液冷的冷卻液；納米流體和液態(tài)金屬的導(dǎo)熱性好、熱穩(wěn)定高、可調(diào)性強(qiáng)且環(huán)保，但制備成本高，在電池?zé)峁芾砑夹g(shù)中應(yīng)用較少；沸騰液體具有自調(diào)節(jié)性、高效節(jié)能和高傳熱系數(shù)等優(yōu)勢(shì)，常用作浸沒(méi)式液冷的冷卻液。
表2 六種冷卻液的特點(diǎn)及典型代表
4 液冷技術(shù)近期研究進(jìn)展
4.1 冷板式液冷
冷板式液冷是目前研究最多和使用最廣泛的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，近期的研究主要集中在鋰離子電池組冷板式液冷熱管理系統(tǒng)的多種創(chuàng)新設(shè)計(jì)與優(yōu)化策略，這些策略主要圍繞提升冷卻效率、確保溫度均勻性和增強(qiáng)熱管理系統(tǒng)的安全性等。主要包括優(yōu)化冷卻液特性、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)流道設(shè)計(jì)、改進(jìn)熱管理系統(tǒng)和優(yōu)化系統(tǒng)層面的流量分配等。Jindal等基于有限元模型設(shè)計(jì)了一種三元鋰電池組并使用乙二醇(50%)和水(50%)混合溶液中添加體積分?jǐn)?shù)為0.001%和0.005%的石墨烯納米顆粒(GNPs)的冷卻液進(jìn)行模擬，模擬了電池組的單層、雙層和三層系統(tǒng)設(shè)計(jì)以優(yōu)化流動(dòng)冷卻液與電池的散熱效果和表面接觸。與乙二醇/水混合冷卻液相比，添加0.001%和0.005%GNP的冷卻液使電池組溫差分別降低12%~24%和24%~29%，液冷系統(tǒng)冷卻能力的提高得益于GNP高熱導(dǎo)率和大表面積等特性。Li等為提高電動(dòng)振動(dòng)鋰離子電池的安全性和延長(zhǎng)循環(huán)壽命，開發(fā)并評(píng)估了兩種類型的電池組的液冷結(jié)構(gòu)(單進(jìn)單出和雙進(jìn)雙出)。液冷結(jié)構(gòu)的熱性能通過(guò)整個(gè)電池組的最高溫度、單體之間的最大溫差和單體溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)系數(shù)三個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，單進(jìn)單出液冷結(jié)構(gòu)的最大溫差和SD系數(shù)分別為7.43℃和6.49%，不符合指標(biāo)。在雙進(jìn)雙出液冷結(jié)構(gòu)中，最高溫度隨著冷卻劑入口溫度的增加而線性增加。當(dāng)冷卻液入口溫度低于33.9℃、冷卻液流速大于350 g/s時(shí)，可以達(dá)到電池包的熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)(圖7)。此外，電動(dòng)震源現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，雙進(jìn)雙出結(jié)構(gòu)完全可以達(dá)到冷卻要求。
圖7 不同入口流量下電池組的溫度分布: (a) 250 g/s；(b) 300 g/s；(c) 350 g/s；(d) 500 g/s；(e) 700 g/s；(f) 950 g/s
Liu等受楓葉葉脈和流線型啟發(fā)設(shè)計(jì)了一種新型仿生液冷板[圖8(a)]，為了評(píng)估葉形通道的冷卻性能，使用經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的電池模型模擬了鋰離子電池在充電和放電過(guò)程中的熱行為。將葉形通道的冷卻性能與直線、魚骨和蛇形通道進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在相同的熱交換區(qū)域和邊界條件下，葉形通道在熱管理和能源效率方面優(yōu)于同類產(chǎn)品，并更有效地優(yōu)化了電池極耳的影響。充電時(shí)，葉形通道的平均電池溫度比直線和魚骨通道分別降低0.4℃和0.14℃。進(jìn)一步優(yōu)化葉形通道使電池組溫差和能耗分別降低了11%和13%，增強(qiáng)液冷系統(tǒng)的制造和應(yīng)用的實(shí)用性。Yang等受人體血管結(jié)構(gòu)啟發(fā)設(shè)計(jì)了一種新型仿生血管流道液冷板。通過(guò)與傳統(tǒng)的V形和蛇形對(duì)比，驗(yàn)證了新穎設(shè)計(jì)在散熱性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[圖8(b)]。Yang等設(shè)計(jì)了一種新型蛇形液冷板(NSCP)結(jié)構(gòu)[圖8(c)]以提高液冷板的冷卻性能。利用數(shù)值模擬研究了電池組在2 C放電速率下乙二醇(50%)溶液冷卻液質(zhì)量流速、入口溫度、流向和流道數(shù)對(duì)液冷板性能的影響，NSCP的冷卻性能優(yōu)于傳統(tǒng)蛇形液冷板(SCP)。Han等提出了一種基于冷板-阻燃板-冷板(CFCP)的電池間接冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了液冷板的良好冷卻性能和阻燃材料的防火性能，抑制電池?zé)崾Э氐膫鞑?。研究了三種典型冷卻流道結(jié)構(gòu)和三種典型的阻燃材料(玻璃棉、氣凝膠和聚酰亞胺泡沫)的使用效果。結(jié)果表明，基于CFCP的冷卻系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更好的冷卻性能，當(dāng)流速為0.05 m/s時(shí)可以有效抑制熱失控池向鄰近池的傳熱；基于氣凝膠的冷卻系統(tǒng)和具有5個(gè)垂直通道結(jié)構(gòu)的冷板可以達(dá)到最佳冷卻效果。劉帆等提出了一種耦合歧管式進(jìn)出液結(jié)構(gòu)、分布式射流和微針翅的新型歧管式微通道散熱器實(shí)現(xiàn)了高效散熱。Qi等設(shè)計(jì)了一種瑞士卷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)并研究了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、冷卻液入口流量、冷卻液類型和入口溫度對(duì)電池散熱性能的影響。結(jié)果表明，冷卻液入口流量是電池模塊散熱性能的主要控制因素，優(yōu)化后瑞士卷式電池模組的最高溫度和溫差分別為300.4K和3.3K，與其他研究人員優(yōu)化的蛇形流道BTMS相比，瑞士卷電池模塊的最高溫度和溫差分別降低了1.2K和0.2K。Xian等提出調(diào)控不同的孔板尺寸來(lái)改變?nèi)?jí)管道中的壓降和改變二級(jí)管道支路來(lái)設(shè)計(jì)不同的流支，這兩種方法使單個(gè)電池簇的流場(chǎng)分布均勻，從而將誤差控制在10%以內(nèi)。改變二次管路的管徑可以使從一次管路分流到各次級(jí)管路的流量均勻，實(shí)現(xiàn)液冷系統(tǒng)中每個(gè)電池組入口處流量的均勻分布。
圖8 (a) 葉形通道結(jié)構(gòu)的BTMS；(b) 具有不同流道結(jié)構(gòu)的電池模塊的溫度和流道壓力圖；(c) NSCP和SCP液冷板流道示意圖
4.2 浸沒(méi)式液冷
浸沒(méi)式液冷是現(xiàn)今最具應(yīng)用前景的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)，多項(xiàng)研究通過(guò)對(duì)比和仿真一致證明，浸沒(méi)式液冷在降溫效果和穩(wěn)定均勻性方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的空氣冷卻。Tian等對(duì)比研究了空氣冷卻、HFE7100靜流浸沒(méi)式冷卻(SFIC)、強(qiáng)制流浸沒(méi)式冷卻(FFIC)和浸入耦合直接冷卻(ICDC)的性能。結(jié)果表明，與自然對(duì)流條件相比，SFIC、FFIC和ICDC的最高溫度分別降低了4.23%、5.70%和13.29%[圖9(a)]。FFIC模式對(duì)冷卻液的流動(dòng)參數(shù)具有最高的敏感性，調(diào)控冷卻液的流速可以提高冷卻液熱導(dǎo)率和比熱容，降低電池模塊的最高溫度。Koster等對(duì)比研究了空氣冷卻和新型浸沒(méi)式冷卻系統(tǒng)對(duì)18650電池組的冷卻性能影響。發(fā)現(xiàn)浸沒(méi)冷卻電池組中最大溫差為1.5℃，遠(yuǎn)低于風(fēng)冷(15℃)，在600次循環(huán)后浸沒(méi)式液冷電池組的容量保持率提高了3.3%。Wu等建立了60節(jié)浸沒(méi)式液冷電池組的三維模型，仿真結(jié)果表明在2 C放電倍率下采用0.2 L/min的低流量下電池組最高溫度為34.22℃，內(nèi)部沒(méi)有出現(xiàn)局部異常過(guò)熱現(xiàn)象，隨著冷卻液流量的增加，電池組內(nèi)的溫度均勻性得到明顯改善，建議保持流量高于0.5 L/min以確保電池溫差低于5℃。Li等提出并測(cè)試了一種基于FS49的新型BTMS用于在快速充電條件下圓柱形鋰離子電池的液冷模塊。比較了強(qiáng)制風(fēng)冷(FAC)和液體浸沒(méi)式冷卻(LIC)下電池模塊在2 C和3 C倍率充電下的溫度響應(yīng)。結(jié)果表明LIC模塊比FAC在2 C和3 C倍率充電時(shí)的峰值溫度分別降低7.7℃和19.6℃[圖9(b)]，而LIC相應(yīng)的冷卻能量和消耗量?jī)H為FAC的14.41%和40.37%，同時(shí)LIC下電池組具有更好的溫度均勻性。Gao等提出了一種基于共形映射技術(shù)和仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)的帶有魚形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的浸沒(méi)式液冷電池冷卻系統(tǒng)[LIBCS，圖9(c)]。與不使用導(dǎo)流器的情況相比，3 C放電倍率的鋰離子電池使用普通導(dǎo)流器的LIBCS在質(zhì)量流量為0.00273 kg/s時(shí)，電池最高溫度降低了5.3%，但泵功耗增加了81.4%，而使用帶有圓形孔和魚形孔的導(dǎo)流件可將最高LIB溫度分別降低9.2%和12.2%，同時(shí)將最大溫差保持在5℃以內(nèi)。此外，在相同工況下采用魚形孔導(dǎo)流器的LIBCS與普通導(dǎo)流器和圓孔導(dǎo)流器相比，泵功耗分別降低了42.1%和11.8%，在質(zhì)量流量為0.00273 kg/s時(shí)，使用魚形孔導(dǎo)流器的LIBCS綜合性能因子比不使用導(dǎo)流器、普通導(dǎo)流器和帶有圓孔的導(dǎo)流件的情況分別提高了24%、39.3%和7.3%，在實(shí)際工程中具有更大的應(yīng)用價(jià)值。上述研究揭示了浸沒(méi)式液冷技術(shù)的性能優(yōu)化方向：一方面，提高冷卻液流速能有效提升散熱能力并改善溫度均勻性；另一方面，在流道結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)是提升能效的關(guān)鍵。
圖9 (a) 四種模式的截面溫度分布云圖；(b) FAC和LIC模塊在2 C和3 C的溫度；(c) 魚形洞結(jié)構(gòu)
4.3 噴淋式液冷
噴淋式液冷技術(shù)因其高效散熱和抑制熱失控的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為電池?zé)峁芾硌芯康囊粋€(gè)重要方向，該技術(shù)的研究主要集中在兩個(gè)方面。一是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)常規(guī)散熱，包括通過(guò)噴嘴結(jié)構(gòu)、布置方式、噴嘴參數(shù)和冷卻液性質(zhì)來(lái)提升流程均勻性和冷卻效率，從而顯著降低電池組的最高溫度和溫差。二是卓越的熱安全防護(hù)能力，多項(xiàng)研究證實(shí)其能有效切斷電池?zé)崾Э氐膫鞑ヂ窂?。Chen等總結(jié)了噴淋式液冷系統(tǒng)的典型噴嘴布置、系統(tǒng)配置和更高效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)等研究進(jìn)展，提出未來(lái)的噴淋式液冷技術(shù)發(fā)展方向是通過(guò)噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置方式實(shí)現(xiàn)均勻的流量分布，同時(shí)必須研究合理的排水方案，避免液體積聚和方向限制。Shi等介紹了一種單相噴霧技術(shù)以優(yōu)化電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中流場(chǎng)并增強(qiáng)熱特性[圖10(a)]。使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真分析了介電流體類型、噴嘴直徑、噴霧角度和噴嘴位置等關(guān)鍵因素。指出導(dǎo)熱系數(shù)和黏度是冷卻液的關(guān)鍵指標(biāo)(Novec7500效果較好)，并確定了噴淋式液冷的最佳條件：噴嘴直徑和噴淋角度分別為0.47 mm和88.16°，該條件下電池組的最高溫度和溫差分別為25.43℃和3.41℃。此外，該系統(tǒng)將36個(gè)電芯模塊的最高溫度和溫差分別降低了27.28%和69.39%。Dhuchakallaya等將非導(dǎo)電液體氫氟醚(HFE)和強(qiáng)制空氣流動(dòng)相結(jié)合[圖10(b)]，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件(ANSYS Fluent)建立了圓柱形鋰離子電池模塊的三維瞬態(tài)傳熱模型研究液體噴射速率和噴射器布置對(duì)電池模塊冷卻性能的影響。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的空氣冷卻相比，該技術(shù)有效降低了電池模塊內(nèi)的最高溫度和溫差。優(yōu)化后的系統(tǒng)需要將噴嘴放置在電池模塊的第1排和第2排之間并保持20 g/s的流量，使電池組最高溫度和溫差分別降低約6℃和4℃。Liu等使用R410A冷卻液研究噴淋式液冷對(duì)電池組內(nèi)傳播過(guò)熱的抑制效果，并通過(guò)增加噴嘴數(shù)量和提前噴淋等方式有效降低了過(guò)熱電池的平均溫度，抑制了過(guò)熱分解反應(yīng)。同時(shí)，噴淋式液冷有效抑制電池組內(nèi)過(guò)熱電池的熱傳播，防止和延緩電池組熱失控的發(fā)生。Qin等研究了4×4排列的18650圓柱電池組噴淋式液冷技術(shù)(C6F12O冷卻液)的散熱效果。結(jié)果表明對(duì)于6 cm噴霧高度和2.05 g/s流速的條件下液膜帶走的熱量約占總散熱量的30%，而直接噴淋冷卻約占70%，有效切斷了電池?zé)崾Э氐膫鞑?。Huang等研究了電池?zé)崾Э貍鞑ヌ匦圆⒃跓崾Э貍鞑サ母鱾€(gè)階段應(yīng)用了不同冷卻時(shí)間的應(yīng)急噴霧技術(shù)。結(jié)果表明連續(xù)噴霧有效降低電池最高溫度并延遲熱失控在多個(gè)電池之間的擴(kuò)散。Jia等探討了一種噴淋式液冷控制三元鋰電池?zé)崾Э氐膭?chuàng)新方法，系統(tǒng)研究了兩種冷卻液(R134a、R227ea)和三種不同噴射模式對(duì)緊急冷卻效率的影響。結(jié)果表明冷卻介質(zhì)噴霧顯著降低了熱失控電芯的溫度，對(duì)相鄰電池具有明顯的熱抑制作用，且間隔較短的間歇噴灑的冷卻性能優(yōu)于連續(xù)噴灑。當(dāng)R134a冷卻液的入口溫度為0℃并采用間歇噴涂時(shí)，電池溫度以相對(duì)較快的速度下降。Liu等提出了一種針對(duì)鋰離子三元電池過(guò)熱階段的冷卻液緊急噴淋冷卻方法以防止熱失控。通過(guò)建立鋰離子電池過(guò)熱行為和緊急噴淋冷卻的耦合計(jì)算模型，分別對(duì)四個(gè)電池過(guò)熱階段的噴霧冷卻效果進(jìn)行了研究[圖10(c)]。研究結(jié)果表明，在固體電解質(zhì)界面(SEI)分解階段，施加0.8 MPa的最小噴霧壓力即可防止電池過(guò)熱分解反應(yīng)；在負(fù)極-溶劑反應(yīng)階段，最大噴射壓力為2.4 MPa、噴射持續(xù)時(shí)間增加到5.4 s，可以中斷過(guò)熱分解反應(yīng)；在正極-溶劑反應(yīng)階段，將噴嘴數(shù)量從兩個(gè)增加到四個(gè)，可以成功阻止反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行；在電解質(zhì)分解反應(yīng)階段，制冷劑噴霧冷卻雖然不能阻止反應(yīng)，但可以減緩電池的升溫速度和熱失控時(shí)間，使電池達(dá)到160、200、240℃的時(shí)間分別延遲10.4、14.3、18.7 s。
圖10 (a) 噴淋浸沒(méi)式液冷示意圖；(b) HFE液滴在電池模塊中的運(yùn)動(dòng)軌跡和分散情況；(c) 模擬電池過(guò)熱階段的溫度變化
隨著鈉離子電池技術(shù)的快速發(fā)展及其在儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用潛力的凸顯，其熱管理需求也日益受到關(guān)注。因此鈉離子電池的液冷技術(shù)也受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，該領(lǐng)域的研究已從基礎(chǔ)散熱向精準(zhǔn)化、系統(tǒng)化和混合化發(fā)展。①產(chǎn)熱特性研究與精準(zhǔn)控溫。彭宇翔等采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，研究了單體210 Ah(172 mm×71.6 mm×202 mm)組成的1并52串(1P52S)電池組產(chǎn)熱特性及內(nèi)置液冷流道的冷板式液冷。結(jié)果表明電池產(chǎn)熱功率呈現(xiàn)顯著的階段性變化特征，基于相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了分階段流量控制策略，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試、建模分析和多工況仿真證實(shí)了該策略的有效性。聞?dòng)袨榈柔槍?duì)170 Ah和185 Ah兩種方形電池在不同放電倍率下的電化學(xué)性能表現(xiàn)和產(chǎn)熱行為進(jìn)行研究，并建立了鈉離子電池系統(tǒng)液冷仿真模型。②混合式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究。王培志通過(guò)優(yōu)化電氣架構(gòu)提高了鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能，在電池?zé)峁芾矸矫娌捎美浒迨揭豪?乙醇-水混合介質(zhì))結(jié)合相變材料(十八烷)的混合散熱方案。Zhang等采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試和建模方法探討內(nèi)阻、比熱容和熱導(dǎo)率對(duì)電池發(fā)熱的影響，并開發(fā)了一種鋁板結(jié)合液冷板的液冷管理系統(tǒng)，鋁板的引入和液體流速的優(yōu)化有效地將電池組最高溫度降低了17℃。這些工作為未來(lái)開發(fā)高效、節(jié)能、可靠的鈉離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
5 展望
鋰/鈉離子電池作為新型儲(chǔ)能技術(shù)的核心，其熱安全問(wèn)題在高集成度、高功率密度場(chǎng)景中尤為關(guān)鍵，液冷技術(shù)憑借高效散熱能力和優(yōu)異的溫度均勻性，成為解決電池?zé)峁芾黼y題的核心方案。冷板式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適配性強(qiáng)，但存在接觸熱阻問(wèn)題；浸沒(méi)式散熱效率高、溫度均勻性好，卻受限于冷卻液成本和系統(tǒng)密封性；噴淋式靈活性高，但需優(yōu)化噴嘴設(shè)計(jì)與液流分布。此外，冷卻液作為液冷技術(shù)的核心，其性能直接決定系統(tǒng)能效，其未來(lái)發(fā)展將圍繞新型冷卻液研發(fā)和多技術(shù)融合。在高性能冷卻液體系開發(fā)方面，如通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)高性能冷卻液，提高熱導(dǎo)率的同時(shí)降低運(yùn)動(dòng)黏度；優(yōu)化冷卻液配方，添加導(dǎo)熱添加劑和穩(wěn)定劑，避免導(dǎo)熱材料在冷卻液中聚集和沉積；加快環(huán)保型冷卻液研發(fā)進(jìn)度，提高冷卻液的生物降解率和環(huán)境友好性。在多種冷卻技術(shù)融合方面，液冷與風(fēng)冷、相變材料冷卻、熱管冷卻等混合冷卻系統(tǒng)組合設(shè)計(jì)和開發(fā)具有重要價(jià)值，通過(guò)分級(jí)熱管理策略可降低能耗、降低熱阻和提高散熱效率等。
液冷技術(shù)在鋰離子電池中的成熟經(jīng)驗(yàn)為其向鈉離子電池的遷移提供了重要參考，未來(lái)發(fā)展需圍繞鈉離子電池的特性進(jìn)行針對(duì)性創(chuàng)新，重點(diǎn)聚焦在以下方向。
（1）結(jié)合鈉離子電池的電極體系、電芯結(jié)構(gòu)和充放電特性等方面開發(fā)適配的鈉離子電池液冷技術(shù)。
（2）匹配鈉離子電池的低成本核心優(yōu)勢(shì)，開發(fā)低成本、易獲取的冷卻液，如優(yōu)化水基冷卻液的絕緣性、改性碳?xì)浠衔镱惱鋮s液的抗氧化性與流動(dòng)性、降低高閃點(diǎn)硅油的黏度和提升散熱效率等。
（3）結(jié)合鈉離子電池產(chǎn)熱的階段性特征，開發(fā)多技術(shù)融合與智能化管理策略，如開發(fā)分階段流量控制策略，在低產(chǎn)熱階段降低泵耗，高熱階段提升流量，實(shí)現(xiàn)能效優(yōu)化；通過(guò)三維仿真模型實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)電池組溫度分布，動(dòng)態(tài)調(diào)整冷卻液流量、流速及流道切換，避免局部過(guò)熱。
綜上所述，液冷技術(shù)在鈉離子電池中的應(yīng)用需以低成本和高適配為核心，通過(guò)跨技術(shù)融合與精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，推動(dòng)鈉離子電池在規(guī)?；瘍?chǔ)能領(lǐng)域的安全高效應(yīng)用，為“雙碳”目標(biāo)下的能源轉(zhuǎn)型提供關(guān)鍵支撐。
