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本文亮點：本文簡要總結了液冷技術的分類并結合其工作原理討論了液冷技術中冷卻液的蓄熱機理，討論了液冷技術中冷卻液的關鍵性能要求并系統闡述了六種冷卻液的特點和應用場景，重點討論了冷板式、浸沒式和噴淋式液冷技術的最新研究進展，并對液冷技術在鈉離子電池中應用和發(fā)展進行展望。
摘 要 以鋰/鈉離子電池為主的新型儲能技術是可再生清潔能源開發(fā)利用以及實現“雙碳”目標的重要支撐，但鋰/鈉離子電池在高集成度和高功率密度應用場景下的熱安全問題值得關注。液冷技術作為增強電池熱管理的重要技術成為解決電池熱安全問題的關鍵。本文首先從鋰/鈉離子電池發(fā)展現狀和電池熱管理需求出發(fā)，簡要總結了液冷技術的分類(包括冷板式液冷、浸沒式液冷和噴淋式液冷)，并結合其工作原理討論了液冷技術中冷卻液的蓄熱機理；重點針對液冷技術中冷卻液的關鍵性能要求進行詳細分析，并系統闡述了六種冷卻液(水基冷卻液、納米流體、碳氫化合物及有機硅類、碳氟化合物類、沸騰液體和液態(tài)金屬)的特點和應用場景；重點探討了冷板式液冷、浸沒式液冷和噴淋式液冷技術的最新研究進展，并對液冷技術在鈉離子電池中應用和發(fā)展進行展望，旨在為學術界和產業(yè)界提供參考。
關鍵詞 電池熱管理；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性解決方案。在新型儲能技術中，電化學儲能因其配置靈活性、系統響應速度快和節(jié)能環(huán)保等特性，在可再生能源并網、智能電網調頻以及電動交通領域展現出獨特的優(yōu)勢。鋰離子電池(LIB)雖因其高能量密度在消費電子及新能源汽車領域獲得產業(yè)化的巨大成功，但受限于鋰資源分布不均和價格波動等因素，在其規(guī)模化儲能特別是偏遠地區(qū)風光儲一體化應用中面臨著挑戰(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同源性。理論計算表明采用硬碳負極匹配層狀氧化物正極材料的鈉離子電池可實現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能及特定工況下電動載具等領域具有應用潛力，目前正逐漸從實驗室走向產業(yè)化應用，而且在成本敏感的市場上具有明顯的競爭優(yōu)勢(圖1)。
圖1 LIB和SIB發(fā)展歷史
鋰/鈉離子電池在使用過程中都存在安全性問題，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℃)，但其在充放電過程中產生的大量熱量會導致電池溫度升高，高溫加速電池內部化學反應進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引發(fā)電池熱失控，造成起火、爆炸等嚴重安全事故。據不完全統計，2017—2024年全球累計發(fā)生電化學儲能電站安全事故約89起，而儲能電站的火災事故通常是單個電池發(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連鎖反應，引發(fā)大面積電池組熱失控造成嚴重的火災或爆炸事故。因此，有效的熱管理技術對于鋰/鈉離子電池的性能釋放和安全運行至關重要。其中，液冷技術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熱管理技術的研究熱點。
冷卻液是液冷技術的關鍵組成，其性能直接影響液冷系統的散熱效果和安全性能。本綜述探討了液冷技術的分類和工作原理，并分析了液冷技術中冷卻液的蓄熱機理、基本特性及其在各類液冷技術中的應用，重點討論了冷板式、浸沒式和噴淋式液冷技術的近期研究進展，最后對液冷技術的發(fā)展進行展望，期望為液冷電池冷卻液的研發(fā)和技術應用提供參考，推動鋰/鈉離子電池在儲能領域的進一步發(fā)展和應用。
1 液冷技術簡介
風冷技術是最早使用的電池熱管理技術，基于自然對流和強制對流換熱原理利用空氣流動實現散熱，具有結構簡單、低成本等優(yōu)勢。但空氣的導熱系數較低，導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，一般應用于低產熱場景的電池組。液體具有比空氣更高的比熱容和更優(yōu)異的導熱性，以液體作為冷卻介質的液冷技術具有更好的散熱效率和溫度均一性，可以實現高產熱場景下的電池組熱管理，在近些年受到廣泛關注。
1.1 液冷技術種類及工作原理
液冷技術主要包括冷板式、浸沒式和噴淋式三類，相應的液冷系統結構示意圖如圖2。冷板式液冷技術[圖2(a)]屬于間接冷卻技術(電池-液冷板-冷卻液)，采用內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循環(huán)流動帶走電池產生的熱量。冷板式液冷技術具有結構簡單、安全性高、維護簡單以及適配現有的電池組設計等優(yōu)勢，但存在空間占用大和接觸熱阻大導致的溫度均勻性差等問題。浸沒式液冷技術[圖2(b)]屬于直接冷卻技術，通過將電池組直接浸沒在絕緣冷卻液中，冷卻液與電池直接進行熱交換快速將電池產熱帶走。浸沒式液冷技術的優(yōu)勢是散熱效率高和溫度均勻性好，缺點是高性能冷卻液的價格昂貴且存在冷卻液泄漏風險。噴淋式液冷技術[圖2(c)]在直接和間接冷卻中均可以應用，常在電池模組上方或側面布置噴頭，冷卻液直接噴淋在產熱的電池組上實現電池散熱，隨后經導流板收集回流實現循環(huán)。噴淋式液冷相對冷板式和浸沒式液冷技術的優(yōu)勢是用液量較少和靈活性高，但系統緊湊性困難、液體管理和對噴頭的要求較高。
圖2 (a) 冷板式；(b) 浸沒式和 (c) 噴淋式液冷系統結構示意圖
1.2 液冷技術冷卻液換熱機理
材料吸收熱量時會使自身溫度升高或發(fā)生相轉變，如[圖3(a)]所示：固態(tài)材料吸收熱量溫度升高(OA段)；到達熔點時發(fā)生固-液相變(AB段)；完全轉變?yōu)橐簯B(tài)后溫度繼續(xù)升高(BC段)；到達沸點時發(fā)生液-氣相變(CD段)；完全轉變?yōu)闅鈶B(tài)后溫度繼續(xù)升高(DE段)。相應的熱量在存儲過程中存在兩種形式：顯熱存儲(OA段、BC段和DE段)和潛熱存儲(AB段和CD段)，且潛熱儲存量遠高于顯熱儲存。固-液相變由于相變潛熱大、相變前后體積變化小、過冷度低、化學性質穩(wěn)定和成本低廉等優(yōu)點常用作相變材料冷卻系統，也是鋰/鈉離子電池常見的熱管理系統之一。依靠材料的吸熱特性，液冷技術主要通過BC段和CD段液體作為冷卻液，吸收熱量實現電池組溫度的降低。根據冷卻液在散熱過程中是否發(fā)生液-氣相變，浸沒式液冷技術可分為單相浸沒式液冷和兩相浸沒式液冷，這兩種系統在工作原理和應用場景等方面存在一定的差異，表1中直觀地對比了兩種浸沒式液冷技術。
圖3 (a) 材料加熱過程中的溫度-時間關系；(b) 單相和 (c) 兩相浸沒式液冷結構示意圖
表1 兩種浸沒式液冷技術對比
單相浸沒式液冷系統的工作原理是基于液體介質的顯熱傳遞[圖3(a)BC段，圖3(b)]，浸沒在高沸點冷卻液中電池產熱時冷卻液溫度升高，利用強制對流將局部溫度升高的冷卻液輸運到換熱器中降溫后循環(huán)到電池周圍，重復該過程可以實現電池組溫度的降低。單相浸沒式液冷技術具有以下特點。①熱力學穩(wěn)定。冷卻介質全程維持液態(tài)，避免相變引發(fā)的壓力和流動不穩(wěn)定等影響。②介質適配性好。可根據工況需求選擇不同黏度和介電強度的冷卻液。③能效優(yōu)化潛力高。在低產熱或低溫環(huán)境中利用溫差實現零功耗散熱，提升系統能效比。然而，該技術存在明顯的局限性，顯熱傳遞主導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。
兩相浸沒式液冷技術的工作原理基于液體的相變潛熱[圖3(a)CD段，圖3(c)]，電池浸沒在低沸點的絕緣冷卻液中，冷卻液吸收熱量到達沸點時發(fā)生液-氣轉變，在此過程中冷卻液吸收大量相變潛熱快速將電池產熱帶走實現高效散熱。氣態(tài)冷卻液經冷凝管冷卻重新凝結成液體回流至電池周圍完成循環(huán)。兩相浸沒式液冷技術具有以下優(yōu)勢。①傳熱效率更高。兩相冷卻液的對流換熱系數是單相冷卻液的2倍以上。②溫度均一性好。相變過程中溫度穩(wěn)定，電池溫度均一性更好。③低溫適應性好。兩相冷卻液的沸點更低，相應的熱管理系統能夠在較低的溫度范圍內運行，有利于提高電池的性能和使用壽命。然而，兩相浸沒式液冷技術也面臨一些挑戰(zhàn)，如冷卻液的相變過程對系統的密閉性要求高，冷卻液泄漏和揮發(fā)存在安全隱患；液冷系統的設計和控制相對復雜，對冷卻液的流量、溫度和壓力等參數需要精確控制以保證系統的穩(wěn)定運行；氟化液等低沸點冷卻液的成本較高難以在儲能系統中規(guī)模使用。
2 液冷技術冷卻液的關鍵性能
液冷技術的散熱效果、系統可靠性和經濟性高度依賴冷卻液的物理化學性質。冷卻液不僅需要在熱力學、電化學及材料兼容性等方面滿足嚴苛要求，同時還需要兼顧環(huán)保性和經濟性。近些年，隨著高能量密度電池在儲能領域的推廣，冷卻液體系優(yōu)化與新型流體的開發(fā)成為液冷技術研究的熱點。
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鍵，主要參數包括比熱容、導熱系數和運動黏度等，這些參數相互關聯，共同決定冷卻液在電池熱管理系統中的散熱效果，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自身溫度升高幅度較小，能夠更有效地帶走電池產生的熱量，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)，遠高于油基液體。②高導熱系數。導熱系數是衡量冷卻液導熱能力的物理量，反映熱量在冷卻液中的傳遞效率。導熱系數越高越有利于熱量的快速傳遞，是實現電池溫度均一性的關鍵指標。水的導熱系數約0.6 W/(m·K)，優(yōu)于大多數油類。③寬工作溫度范圍。冷卻液的熔點和沸點直接影響液冷技術的使用范圍，低熔點可以防止冷卻液在低溫下凝固而無法使用；高沸點能避免冷卻液在高溫下沸騰，如乙二醇水溶液沸點可達105~130℃，滿足高產熱場景的散熱需求。④低運動黏度。運動黏度對冷卻液的流動性和散熱效果具有重要影響。低黏度冷卻液在流動時阻力小，更容易降低循環(huán)泵能耗和實現熱量的快速傳輸；而高黏度冷卻液流動困難，容易在局部形成高溫區(qū)，無法發(fā)揮冷卻液的散熱作用，導致最高溫度較高和電池溫差較大。
2.2 化學穩(wěn)定性和材料相容性
冷卻液化學性質穩(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、氧化或與其他物質發(fā)生反應而產生雜質、腐蝕性物質以及出現性能下降，確保系統長期穩(wěn)定運行。冷卻液的穩(wěn)定性與本身成分密切相關，如氟化液的化學鍵強，化學穩(wěn)定性明顯高于碳氫類冷卻液。此外，冷卻液在高溫、高壓以及高濕度等環(huán)境下容易發(fā)生化學變化?；陔姵責峁芾硐到y的結構和冷卻液使用場景，冷卻液不僅需要對金屬(銅、鋁、鋼等)、橡膠密封件、塑料管道等無化學侵蝕性，還需要耐高溫氧化、紫外線降解，避免產生酸性物質或沉淀。
2.3 安全性和環(huán)保性
冷卻液需具備無毒無害、不易燃和可降解等特性。冷卻液在生產、使用和廢棄處理等過程中需盡量減少冷卻液對環(huán)境的負面影響，如碳氟化合物冷卻液的揮發(fā)性和毒性對生態(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水體和土壤造成破壞，不適合用于電池管理系統中的冷卻液。不易燃和高閃點能降低火災風險，如氟化液的閃點高于200℃，而礦物油的閃點約150℃，使用時需注意高溫使用場景的安全性。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。在冷卻系統意外泄漏時，可快速生物降解的冷卻液能大大減輕對土壤和水體的污染負擔；冷卻液在壽命結束時可以簡化廢棄處理流程，降低成本。
2.4 電絕緣性
電絕緣性是浸沒式液冷技術的一項關鍵性能指標，對于確保電池正常工作和系統安全運行具有重要的作用。電絕緣性主要通過電阻率和介電常數來衡量，材料的電阻率越高則電絕緣性越好，而介電常數則需要在合適的范圍內。電池在充放電過程中存在電壓差，冷卻液直接與電氣部件接觸，冷卻液的電絕緣性不佳會導致電池自放電和短路等嚴重問題，引發(fā)火災、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)和生產過程中，需要嚴格控制原材料的純度和雜質含量，金屬離子和水分等會顯著降低冷卻液的電絕緣性能。
2.5 其他實用要求
除了以上特性，冷卻液在實際應用中還必須滿足一系列關鍵的實用性要求，如易維護性、長壽命、消泡性好、成本低和易獲取等，這些要求共同決定了其市場接受度和全生命周期。易維護性意味著冷卻系統無需頻繁、復雜的維護操作，降低系統維護成本；長壽命是降低冷卻液成本的關鍵指標，延長冷卻液更換周期；氣泡的產生會影響冷卻液循環(huán)和熱傳遞效率，可通過添加消泡劑抑制泡沫產生或快速消除；合理的成本和易于獲取是推動冷卻液規(guī)模應用的基石，利于建立穩(wěn)定的供應鏈和具備市場競爭力。
3 冷卻液的種類及特點
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)]和導熱系數[約0.6 W/(m·K)]，且成本較低。電池熱管理系統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，使其適用于低溫環(huán)境，但冷卻液的熱導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，電池和冷卻液間增加液冷板等冷卻部件將電池產生的熱量吸收并通過水基冷卻液流動將熱量帶走，在目前的商用電動汽車和儲能領域廣泛使用。此外，當電池表面經過特殊的表面處理后，水也可以作為浸沒式液冷技術的冷卻液。Zhou等采用表面絕緣涂層并設計了對稱的冷卻液蛇形通道，結果表明，10 μm厚的聚氨酯涂層提供了出色的電氣保護且吸水率僅為0.07%。鋰離子電池在快速充放電循環(huán)測試下電池最高溫度保持在低于35℃，最大溫差在4℃以內。Li等將硅酮密封膠(SS)和高導熱、低電導氮化硼(BN)結合作為水冷卻液和18650鋰電池之間的隔離層，并對比了自然空氣冷卻[圖4(a)]、純SS冷卻[圖4(b)]和SS/BN(質量分數10%)混合冷卻[圖4(c)]3種散熱模式。SS/BN復合材料的導熱系數明顯增加，有效地將熱量傳遞給周圍環(huán)境，降低電池溫度。此外，實驗表明浸沒式SS/BN系統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放電過程中，三種浸沒式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。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)研究流速對電池熱管理效果的影響，結果表明冷卻液在1 m/s流速下效果最好。其中乙醇和丙二醇在5318 W/m3的產熱速率下效果最好，其他冷卻液在19452 W/m3的產熱速率下效果最好。研究還發(fā)現液冷系統中使用低速流體可以通過提高傳熱效率、確保結構完整性、延長熱交換持續(xù)時間、增強溫度均勻性和降低能耗來增強熱管理。這些因素共同助力鋰離子電池在一系列應用中更安全、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、醇和油等傳統換熱介質中，制備成均勻、穩(wěn)定和高導熱的新型換熱介質。在電池熱管理領域，Cu、Al、CuO、Al2O3、TiO2、SiO2、CNTs等納米顆粒常添加到水和醇混合溶液中，以提高冷卻液的導熱系數。Zakaria等研究了在乙二醇和水混合溶液中添加Al2O3對其熱導率的影響。結果表明乙二醇和水混合溶液的熱導率會隨著乙二醇含量的增加而降低[圖5(a)]；然而，對于特定的乙二醇和水混合溶液(50∶50，體積比)，當Al2O3納米顆粒的體積分數分別為0.1%、0.3%和0.5%時，熱導率分別提升約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率，發(fā)現混合納米流體熱導率是納米顆粒體積分數的增函數。即當Al2O3、TiO2和SiO2的添加量(φ)在0~6%之間時，混合納米流體的熱導率提升量可以用1+3φ來近似表示[圖5(b)]。Kumar等人開發(fā)了電池熱管理系統(BTMS)的三維計算流體動力學(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HFE7100四種冷卻介質進行模擬。設置所有冷卻劑的入口溫度為298K，風冷、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行時BTMS的最佳冷卻劑，而空氣冷卻會導致電池組熱失控。
圖5 (a) 乙二醇/水混合溶液的熱導率變化；(b) 混合納米流體的熱導率線性關系；(c) 不同冷卻介質的溫度變化
3.3 碳氫化合物及有機硅類
碳氫化合物類冷卻液在工業(yè)領域具有廣泛的應用歷史，在浸沒式液冷鈉離子電池系統中也備受關注，主要包括天然礦物油、合成油和有機硅油三類。天然礦物油來自石油中蒸餾提取并經過深度氫化處理，具有成本低的優(yōu)勢，廣泛應用于室外變壓器冷卻。但天然礦物油存在一些明顯的缺點，如使用過程中烴類分子氧化分解導致冷卻液酸性增強而產生污染物，影響冷卻液熱導率和流動性，降低電池熱管理系統的使用壽命。合成油是在烷烴類或酯類化合物的基礎上人工合成的，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，合成油的雜質含量低，抗氧化性、導熱性和與材料的兼容性更好，但同樣存在閃點低的問題，在較高溫度下使用存在起火爆炸等安全風險。有機硅油因結構中含有硅氧鍵而具有較高的閃點，在電池熱管理系統中應用具有明顯的優(yōu)勢。但有機硅油的閃點與黏度正相關，高閃點的有機硅油黏度較高，導致有機硅油流動性較差，影響相應熱管理系統的散熱性能。此外，有機硅油在潮濕環(huán)境中容易發(fā)生水解和沉淀等問題，增加冷卻液黏度而導致散熱效果下降。Liu等綜述了基于單相絕緣油的油浸式電池熱管理系統的研究進展。介紹了絕緣油的發(fā)展歷程并對它們的基本冷卻性能進行了比較分析。然后從浸沒程度、流道配置、熱性能參數等方面分析了多種因素對油浸式電池冷卻系統有效性的影響。最后，討論了使用絕緣油作為鋰電池浸沒式冷卻介質的挑戰(zhàn)，并概述了未來潛在的研究方向。
3.4 碳氟化合物類
碳氟化合物與碳氫化合物相比引入了大量氟原子，分子間作用力相對較弱，具有更高的導熱系數和較低的黏度。高導熱系數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，減少泵輸送功率的同時實現冷卻液快速傳輸而提高熱交換效率。強電負性的氟原子引入使碳氟鍵能增強，分子結構更加穩(wěn)定，具有無閃點和不可燃的特性。同時碳氟化合物具有化學惰性，不易與其他物質發(fā)生反應，因而與其他材料具有良好的兼容性。根據碳氟化合物的組成和結構不同，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》中認定為禁止使用的冷卻劑。HFC是家用冰箱和空調中廣泛使用的制冷劑，盡管沒有臭氧層破壞作用，但會加劇溫室效應，在浸沒式液冷技術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，在沸點和介電常數方面的特性較為適合半導體設備冷卻場景，但由于溫室效應而被限制推廣。HFE是具有應用前景的浸沒式液冷冷卻液，對臭氧層無破壞作用、溫室效應較小、具有較高的介電常數，其已廣泛用于數據中心領域，隨著碳氟化合物類冷卻液的價格的降低，將會逐漸應用到電動汽車和電池儲能等領域。
3.5 沸騰液體
沸騰液體利用在沸騰過程中吸收大量汽化熱來實現電池的高效冷卻，常見的沸騰液體主要有含氯氟烴、全氟碳和氫氟醚等。與傳統冷卻方式相比，沸騰液體冷卻具有明顯的優(yōu)勢。Wang等提出一種新型的SF33流體冷卻(兩相)浸沒式液冷系統并通過18650電池的冷卻性能評估熱管理對電池組性能的影響。結果表明電池的有效熱均勻化和冷卻可以通過與沸騰介質的熱交換來實現[圖6(c)]。在電池產熱的初始階段，冷卻劑的溫度低于其沸點，此時為顯熱吸收。隨著電池溫度略高于沸點，周圍流體通過自然對流吸收顯熱[圖6(a)]。當電池溫度繼續(xù)升高時，冷卻液達到部分沸騰，最終穩(wěn)定在全核沸騰階段[圖6(b)]。Li等進一步研究了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，包括電池表面結構、腔內壓力、冷卻劑特性等。研究表明，兩相浸沒式液體冷卻系統的使用能夠在整個交替充電/放電過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熱管理系統。采用導熱塊擴大電池與直圓管之間的傳熱面積，R141b冷卻液在管內流動沸騰，帶走電池產生的熱量。建立三維仿真模型，研究部分結構參數(導熱塊高度、圓管數量和直徑)、流型布局、冷卻液流量和電池放電速率對電池熱管理系統的冷卻性能的影響。結果表明，錯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，適當的幾何參數可以進一步提高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放電時的溫度演變過程以及 (c) 沸騰傳熱行為的示意圖
3.6 液態(tài)金屬
液態(tài)金屬泛指熔點在室溫附近的金屬或合金材料，具有優(yōu)異的導電、導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行了3D數值模擬。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)對溫度分布、泵功率、壓降、最大熱通量等的影響對一系列雷諾數(300~1900)的熱阻進行了全面研究。在所有考慮的冷卻劑中，發(fā)現EGaIn最有效地降低了流動阻力。襯底材料的電導率顯著影響微通道的熱阻，較高的電導率導致較低的熱阻。此外，與其他鎵合金相比，具有更高熱導率和比熱的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。通過數學分析和數值模擬評估液態(tài)金屬冷卻系統的冷卻能力、泵功耗和模塊溫度均勻性，并與水冷進行比較。結果表明，在相同流量條件下，液態(tài)金屬冷卻系統可以獲得更低、更均勻的模塊溫度，所需的泵功耗更少。
綜上所述，表2中總結了這六類冷卻液的特點及代表性物質。水/乙二醇體系具有成本低、易制備、熱傳導性好、比熱容大和不易燃易爆等優(yōu)勢，但由于電絕緣性差和易變質等特性常作為間接式液冷系統的冷卻劑；油類的成本低、閃點高、耐濕性強、電絕緣性好、耐熱性好、低凝固點、低毒性且抗腐蝕，黏度和密度較大，可作為直接式和浸沒式液冷的冷卻液；納米流體和液態(tài)金屬的導熱性好、熱穩(wěn)定高、可調性強且環(huán)保，但制備成本高，在電池熱管理技術中應用較少；沸騰液體具有自調節(jié)性、高效節(jié)能和高傳熱系數等優(yōu)勢，常用作浸沒式液冷的冷卻液。
表2 六種冷卻液的特點及典型代表
4 液冷技術近期研究進展
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熱管理系統，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的多種創(chuàng)新設計與優(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熱管理系統的安全性等。主要包括優(yōu)化冷卻液特性、創(chuàng)新結構流道設計、改進熱管理系統和優(yōu)化系統層面的流量分配等。Jindal等基于有限元模型設計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數為0.001%和0.005%的石墨烯納米顆粒(GNPs)的冷卻液進行模擬，模擬了電池組的單層、雙層和三層系統設計以優(yōu)化流動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%，液冷系統冷卻能力的提高得益于GNP高熱導率和大表面積等特性。Li等為提高電動振動鋰離子電池的安全性和延長循環(huán)壽命，開發(fā)并評估了兩種類型的電池組的液冷結構(單進單出和雙進雙出)。液冷結構的熱性能通過整個電池組的最高溫度、單體之間的最大溫差和單體溫度的標準偏差(SD)系數三個指標來評價。結果表明，單進單出液冷結構的最大溫差和SD系數分別為7.43℃和6.49%，不符合指標。在雙進雙出液冷結構中，最高溫度隨著冷卻劑入口溫度的增加而線性增加。當冷卻液入口溫度低于33.9℃、冷卻液流速大于350 g/s時，可以達到電池包的熱性能評價指標(圖7)。此外，電動震源現場試驗表明，雙進雙出結構完全可以達到冷卻要求。
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)設計了一種新型仿生液冷板[圖8(a)]，為了評估葉形通道的冷卻性能，使用經過實驗驗證的電池模型模擬了鋰離子電池在充電和放電過程中的熱行為。將葉形通道的冷卻性能與直線、魚骨和蛇形通道進行比較，發(fā)現在相同的熱交換區(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)于同類產品，并更有效地優(yōu)化了電池極耳的影響。充電時，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%，增強液冷系統的制造和應用的實用性。Yang等受人體血管結構啟發(fā)設計了一種新型仿生血管流道液冷板。通過與傳統的V形和蛇形對比，驗證了新穎設計在散熱性能方面具有顯著優(yōu)勢[圖8(b)]。Yang等設計了一種新型蛇形液冷板(NSCP)結構[圖8(c)]以提高液冷板的冷卻性能。利用數值模擬研究了電池組在2 C放電速率下乙二醇(50%)溶液冷卻液質量流速、入口溫度、流向和流道數對液冷板性能的影響，NSCP的冷卻性能優(yōu)于傳統蛇形液冷板(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，該系統結合了液冷板的良好冷卻性能和阻燃材料的防火性能，抑制電池熱失控的傳播。研究了三種典型冷卻流道結構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。結果表明，基于CFCP的冷卻系統可以實現更好的冷卻性能，當流速為0.05 m/s時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和具有5個垂直通道結構的冷板可以達到最佳冷卻效果。劉帆等提出了一種耦合歧管式進出液結構、分布式射流和微針翅的新型歧管式微通道散熱器實現了高效散熱。Qi等設計了一種瑞士卷式電池熱管理系統并研究了系統結構參數、冷卻液入口流量、冷卻液類型和入口溫度對電池散熱性能的影響。結果表明，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等提出調控不同的孔板尺寸來改變三級管道中的壓降和改變二級管道支路來設計不同的流支，這兩種方法使單個電池簇的流場分布均勻，從而將誤差控制在10%以內。改變二次管路的管徑可以使從一次管路分流到各次級管路的流量均勻，實現液冷系統中每個電池組入口處流量的均勻分布。
圖8 (a) 葉形通道結構的BTMS；(b) 具有不同流道結構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 浸沒式液冷
浸沒式液冷是現今最具應用前景的電池熱管理技術，多項研究通過對比和仿真一致證明，浸沒式液冷在降溫效果和穩(wěn)定均勻性方面顯著優(yōu)于傳統的空氣冷卻。Tian等對比研究了空氣冷卻、HFE7100靜流浸沒式冷卻(SFIC)、強制流浸沒式冷卻(FFIC)和浸入耦合直接冷卻(ICDC)的性能。結果表明，與自然對流條件相比，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模式對冷卻液的流動參數具有最高的敏感性，調控冷卻液的流速可以提高冷卻液熱導率和比熱容，降低電池模塊的最高溫度。Koster等對比研究了空氣冷卻和新型浸沒式冷卻系統對18650電池組的冷卻性能影響。發(fā)現浸沒冷卻電池組中最大溫差為1.5℃，遠低于風冷(15℃)，在600次循環(huán)后浸沒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)浸沒式液冷電池組的三維模型，仿真結果表明在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℃，內部沒有出現局部異常過熱現象，隨著冷卻液流量的增加，電池組內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。比較了強制風冷(FAC)和液體浸沒式冷卻(LIC)下電池模塊在2 C和3 C倍率充電下的溫度響應。結果表明LIC模塊比FAC在2 C和3 C倍率充電時的峰值溫度分別降低7.7℃和19.6℃[圖9(b)]，而LIC相應的冷卻能量和消耗量僅為FAC的14.41%和40.37%，同時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和仿生學原理設計的帶有魚形孔導流結構的浸沒式液冷電池冷卻系統[LIBCS，圖9(c)]。與不使用導流器的情況相比，3 C放電倍率的鋰離子電池使用普通導流器的LIBCS在質量流量為0.00273 kg/s時，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流件可將最高LIB溫度分別降低9.2%和12.2%，同時將最大溫差保持在5℃以內。此外，在相同工況下采用魚形孔導流器的LIBCS與普通導流器和圓孔導流器相比，泵功耗分別降低了42.1%和11.8%，在質量流量為0.00273 kg/s時，使用魚形孔導流器的LIBCS綜合性能因子比不使用導流器、普通導流器和帶有圓孔的導流件的情況分別提高了24%、39.3%和7.3%，在實際工程中具有更大的應用價值。上述研究揭示了浸沒式液冷技術的性能優(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，在流道結構上進行創(chuàng)新設計是提升能效的關鍵。
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) 魚形洞結構
4.3 噴淋式液冷
噴淋式液冷技術因其高效散熱和抑制熱失控的獨特優(yōu)勢成為電池熱管理研究的一個重要方向，該技術的研究主要集中在兩個方面。一是對系統進行優(yōu)化設計以實現常規(guī)散熱，包括通過噴嘴結構、布置方式、噴嘴參數和冷卻液性質來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能力，多項研究證實其能有效切斷電池熱失控的傳播路徑。Chen等總結了噴淋式液冷系統的典型噴嘴布置、系統配置和更高效的系統設計等研究進展，提出未來的噴淋式液冷技術發(fā)展方向是通過噴嘴結構設計和布置方式實現均勻的流量分布，同時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以優(yōu)化電池熱管理系統中流場并增強熱特性[圖10(a)]。使用計算流體動力學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鍵因素。指出導熱系數和黏度是冷卻液的關鍵指標(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，該系統將36個電芯模塊的最高溫度和溫差分別降低了27.28%和69.39%。Dhuchakallaya等將非導電液體氫氟醚(HFE)和強制空氣流動相結合[圖10(b)]，利用計算流體力學軟件(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電池模塊冷卻性能的影響。研究結果表明，與傳統的空氣冷卻相比，該技術有效降低了電池模塊內的最高溫度和溫差。優(yōu)化后的系統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電池組內傳播過熱的抑制效果，并通過增加噴嘴數量和提前噴淋等方式有效降低了過熱電池的平均溫度，抑制了過熱分解反應。同時，噴淋式液冷有效抑制電池組內過熱電池的熱傳播，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(C6F12O冷卻液)的散熱效果。結果表明對于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%，有效切斷了電池熱失控的傳播。Huang等研究了電池熱失控傳播特性并在熱失控傳播的各個階段應用了不同冷卻時間的應急噴霧技術。結果表明連續(xù)噴霧有效降低電池最高溫度并延遲熱失控在多個電池之間的擴散。Jia等探討了一種噴淋式液冷控制三元鋰電池熱失控的創(chuàng)新方法，系統研究了兩種冷卻液(R134a、R227ea)和三種不同噴射模式對緊急冷卻效率的影響。結果表明冷卻介質噴霧顯著降低了熱失控電芯的溫度，對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R134a冷卻液的入口溫度為0℃并采用間歇噴涂時，電池溫度以相對較快的速度下降。Liu等提出了一種針對鋰離子三元電池過熱階段的冷卻液緊急噴淋冷卻方法以防止熱失控。通過建立鋰離子電池過熱行為和緊急噴淋冷卻的耦合計算模型，分別對四個電池過熱階段的噴霧冷卻效果進行了研究[圖10(c)]。研究結果表明，在固體電解質界面(SEI)分解階段，施加0.8 MPa的最小噴霧壓力即可防止電池過熱分解反應；在負極-溶劑反應階段，最大噴射壓力為2.4 MPa、噴射持續(xù)時間增加到5.4 s，可以中斷過熱分解反應；在正極-溶劑反應階段，將噴嘴數量從兩個增加到四個，可以成功阻止反應繼續(xù)進行；在電解質分解反應階段，制冷劑噴霧冷卻雖然不能阻止反應，但可以減緩電池的升溫速度和熱失控時間，使電池達到160、200、240℃的時間分別延遲10.4、14.3、18.7 s。
圖10 (a) 噴淋浸沒式液冷示意圖；(b) HFE液滴在電池模塊中的運動軌跡和分散情況；(c) 模擬電池過熱階段的溫度變化
隨著鈉離子電池技術的快速發(fā)展及其在儲能和電動汽車領域應用潛力的凸顯，其熱管理需求也日益受到關注。因此鈉離子電池的液冷技術也受到學者的廣泛關注。目前，該領域的研究已從基礎散熱向精準化、系統化和混合化發(fā)展。①產熱特性研究與精準控溫。彭宇翔等采用實驗和數值仿真相結合的方法，研究了單體210 Ah(172 mm×71.6 mm×202 mm)組成的1并52串(1P52S)電池組產熱特性及內置液冷流道的冷板式液冷。結果表明電池產熱功率呈現顯著的階段性變化特征，基于相關實驗數據建立了分階段流量控制策略，并通過實驗測試、建模分析和多工況仿真證實了該策略的有效性。聞有為等針對170 Ah和185 Ah兩種方形電池在不同放電倍率下的電化學性能表現和產熱行為進行研究，并建立了鈉離子電池系統液冷仿真模型。②混合式電池熱管理系統研究。王培志通過優(yōu)化電氣架構提高了鈉離子電池儲能系統的性能，在電池熱管理方面采用冷板式液冷(乙醇-水混合介質)結合相變材料(十八烷)的混合散熱方案。Zhang等采用實驗測試和建模方法探討內阻、比熱容和熱導率對電池發(fā)熱的影響，并開發(fā)了一種鋁板結合液冷板的液冷管理系統，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℃。這些工作為未來開發(fā)高效、節(jié)能、可靠的鈉離子電池熱管理系統奠定了堅實的基礎。
5 展望
鋰/鈉離子電池作為新型儲能技術的核心，其熱安全問題在高集成度、高功率密度場景中尤為關鍵，液冷技術憑借高效散熱能力和優(yōu)異的溫度均勻性，成為解決電池熱管理難題的核心方案。冷板式結構簡單、適配性強，但存在接觸熱阻問題；浸沒式散熱效率高、溫度均勻性好，卻受限于冷卻液成本和系統密封性；噴淋式靈活性高，但需優(yōu)化噴嘴設計與液流分布。此外，冷卻液作為液冷技術的核心，其性能直接決定系統能效，其未來發(fā)展將圍繞新型冷卻液研發(fā)和多技術融合。在高性能冷卻液體系開發(fā)方面，如通過分子結構設計開發(fā)高性能冷卻液，提高熱導率的同時降低運動黏度；優(yōu)化冷卻液配方，添加導熱添加劑和穩(wěn)定劑，避免導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。在多種冷卻技術融合方面，液冷與風冷、相變材料冷卻、熱管冷卻等混合冷卻系統組合設計和開發(fā)具有重要價值，通過分級熱管理策略可降低能耗、降低熱阻和提高散熱效率等。
液冷技術在鋰離子電池中的成熟經驗為其向鈉離子電池的遷移提供了重要參考，未來發(fā)展需圍繞鈉離子電池的特性進行針對性創(chuàng)新，重點聚焦在以下方向。
（1）結合鈉離子電池的電極體系、電芯結構和充放電特性等方面開發(fā)適配的鈉離子電池液冷技術。
（2）匹配鈉離子電池的低成本核心優(yōu)勢，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、改性碳氫化合物類冷卻液的抗氧化性與流動性、降低高閃點硅油的黏度和提升散熱效率等。
（3）結合鈉離子電池產熱的階段性特征，開發(fā)多技術融合與智能化管理策略，如開發(fā)分階段流量控制策略，在低產熱階段降低泵耗，高熱階段提升流量，實現能效優(yōu)化；通過三維仿真模型實時預測電池組溫度分布，動態(tài)調整冷卻液流量、流速及流道切換，避免局部過熱。
綜上所述，液冷技術在鈉離子電池中的應用需以低成本和高適配為核心，通過跨技術融合與精準設計，推動鈉離子電池在規(guī)模化儲能領域的安全高效應用，為“雙碳”目標下的能源轉型提供關鍵支撐。
