近年來，市場對鋰電池的容量需求越來越大，但其應(yīng)用空間有限，這就促使了鋰電池容量向高單位發(fā)展，布置也向緊湊化發(fā)展。而高容量的鋰電池在使用過程中會產(chǎn)生大量的熱，這些熱量長時(shí)間積聚，會導(dǎo)致鋰電池內(nèi)部溫度升高，從而加快電池容量的衰減，降低電池的使用壽命。如果溫度繼續(xù)升高到一定程度，甚至?xí)��?dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生分解反應(yīng)，從而可能產(chǎn)生爆炸和火災(zāi)。2019 年4 月21 日，一輛特斯拉電動汽車發(fā)生自燃現(xiàn)象，引起了車庫內(nèi)多輛汽車串聯(lián)爆炸，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失；2020 年一輛奇瑞艾瑞澤深夜充電時(shí)自燃，索性未造成人員傷亡。

       中國科學(xué)院院士歐陽明高對于國內(nèi)頻繁發(fā)生的電動汽車起火事故明確指出“電池?zé)崾Э厥鞘鹿实闹饕?rdquo;。此外，當(dāng)電池組的溫度低于安全工作溫度極限時(shí)，電池的反應(yīng)效率降低，功率隨之下降，進(jìn)而會達(dá)不到目標(biāo)的電壓使用要求。當(dāng)電池處于0 至25℃范圍內(nèi)，電池溫度每下降一度，電容量就會下降1％。而當(dāng)電池所在環(huán)境溫度處于0℃以下，溫度每下降一度，電容量下降會超過1％。因此，在充分認(rèn)識鋰電池的溫度特性和熱釋放特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究及開發(fā)安全高效的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)，對鋰電池的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

     現(xiàn)有鋰電池?zé)峁芾砑夹g(shù)

       無論是電動汽車中的動力電池，還是電站中的儲能電池，采用一種或多種熱管理技術(shù)來控制電池的內(nèi)外溫度，使電池處于安全、高效的運(yùn)行狀態(tài)，對鋰電池的發(fā)展具有重要作用。目前，鋰電池?zé)峁芾砑夹g(shù)主要有以下幾種。

       1.空氣冷卻技術(shù)

       以空氣為傳熱介質(zhì)的熱管理技術(shù)簡稱空氣冷卻技術(shù)或空冷。該技術(shù)利用空氣介質(zhì)，通過熱對流和熱傳導(dǎo)將熱量從電池表面帶走，從而實(shí)現(xiàn)冷卻電池的目的�？绽浼夹g(shù)以其系統(tǒng)簡單、成本低、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。目前，鋰電池空冷技術(shù)的主要研究方向是空氣流量、電池布局和風(fēng)道布置的優(yōu)化等方面。

       2 液體冷卻技術(shù)

       以液體為傳熱介質(zhì)的熱管理技術(shù)簡稱液體冷卻技術(shù)或液冷。該技術(shù)一般是以換熱系數(shù)高、比熱容大的液體通過管道或者將熱源浸沒其中的方式將熱量傳遞出去。冷卻液的種類通常有水、硅油、乙二醇、丙二醇、空調(diào)制冷劑等。相比于空冷，液冷的冷卻介質(zhì)換熱系數(shù)更高、比熱容更大、冷卻速度也更快，可更加有效地降低電池溫度并提高溫度分布均勻性，此外，液冷系統(tǒng)也更加緊湊。目前，鋰電池液冷技術(shù)的主要研究方向是冷卻介質(zhì)的研發(fā)、流道和流速的優(yōu)化以及熱電耦合模型的構(gòu)建與優(yōu)化等。

半螺旋導(dǎo)管式電池液體冷卻技術(shù)原理

       3 熱管冷卻技術(shù)

        熱管冷卻技術(shù)就是利用工質(zhì)在管殼內(nèi)的吸熱端蒸發(fā)，放熱端冷凝，通過管芯完成循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)冷卻電池的目的。相比于空冷和液冷，熱管技術(shù)在導(dǎo)熱性、恒溫性等方面更具突出優(yōu)勢，此外其熱流密度和方向還具有可變性，因此在核電、航天、精密電子器件等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，在電池系統(tǒng)中的研究也有所報(bào)道，主要研究方向是熱管冷卻性能評估、與其他冷卻方式耦合、構(gòu)建熱-電化學(xué)模型并優(yōu)化分析。

      4 相變材料冷卻技術(shù)

       相變材料冷卻技術(shù)是利用材料(phase changematerial，PCM)相態(tài)轉(zhuǎn)換過程中吸收電池箱內(nèi)熱量，以達(dá)到冷卻目的。該技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，近年來成為研究熱點(diǎn)之一，主要研究方向是相變材料的選擇和優(yōu)化，相變材料冷卻與其他冷卻系統(tǒng)耦合等。

     未來展望

       相比于其他電池，鋰電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在對工作溫度要求苛刻的問題。在電動汽車中，動力鋰電池長時(shí)間中小倍率放電，或者在啟動時(shí)以及不良路況時(shí)大倍率放電過程會產(chǎn)生大量的熱。這些熱量如果沒有被及時(shí)帶走，就會導(dǎo)致電池性能降低，甚至產(chǎn)生安全事故。而在電站儲能系統(tǒng)中，儲能鋰電池通常數(shù)量特別多，電池的總?cè)萘亢凸β室蔡貏e大，存放在有限空間中，非常容易出現(xiàn)電池箱內(nèi)溫度過高，溫度分布不均勻等問題，嚴(yán)重危害儲能電池的安全、高效使用�，F(xiàn)有的熱管理技術(shù)如空冷、液冷、熱管冷卻相變材料冷卻在一定程度改善了鋰電池的散熱問題，但其自身也存在著如系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大、冷卻介質(zhì)易泄露、價(jià)格昂貴等挑戰(zhàn)。根據(jù)目前熱管理技術(shù)的研究現(xiàn)狀，未來的研究可重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面開展。

       （1）針對電動汽車使用的動力型鋰電池，重點(diǎn)開發(fā)體積更小，結(jié)構(gòu)更加緊湊的熱管理系統(tǒng)，便于汽車整體設(shè)計(jì)和安裝。大力開發(fā)緊湊型熱管冷卻技術(shù)；研發(fā)新型相變材料，通過骨架負(fù)載、添加改性元素等方法提高材料的導(dǎo)熱性、循環(huán)穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)和優(yōu)化更合理的熱管冷卻與相變冷卻耦合系統(tǒng)。

       （2）針對電站儲能所使用的儲能型鋰電池，重點(diǎn)開發(fā)更加經(jīng)濟(jì)高效的熱管理系統(tǒng)。繼續(xù)加大空氣冷卻技術(shù)的優(yōu)化力度，除了已有的流道、流量等方面的研究，還可以通過增加額外裝置來提高溫度的均勻性；開發(fā)新型的液冷介質(zhì)，提高介質(zhì)的電絕緣性、導(dǎo)熱性，降低介質(zhì)黏度，解決介質(zhì)泄露等問題；研發(fā)更加經(jīng)濟(jì)的熱管，以克服目前熱管冷卻技術(shù)應(yīng)用于大容量儲能電池系統(tǒng)中成本過高的問題。