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能降溫的鋰電池才是行業(yè)的好電池
時間:2020-07-14 10:16來源:Nature自然科研 作者:綜合報道
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原文作者：Gregory Offer， Yatish Patel， Alastair Hales， Laura Bravo Diaz & Mohamed Marzook
鋰離子電池會發(fā)熱，而且很難使其保持涼爽。在過去的十年里，工業(yè)界對這個問題幾乎視而不見。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電池可以存儲的能量（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，如電動汽車和智能電網(wǎng)，一個電池組需要包含數(shù)千個電池。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)計復(fù)雜的系統(tǒng)來管理熱量。例如，電動汽車制造商特斯拉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，還會消耗它的能量。開發(fā)人員在這些低效的設(shè)計上浪費(fèi)了太多時間和金錢。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？一個原因是沒有標(biāo)準(zhǔn)的方法來評估電池組的熱性能。單個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)格表并未說明單個電池的散熱容易程度。因此，電池組的設(shè)計者無法預(yù)先知道單個電池會產(chǎn)生多少熱量。他們在設(shè)計上投入時間和金錢后才發(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)報告常規(guī)的熱管理。為此，我們開發(fā)了一個標(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)驗室中現(xiàn)成的設(shè)備進(jìn)行測量。在每個電池規(guī)格表里納入這一指標(biāo)將有利于競爭，進(jìn)而改善單電池設(shè)計和電池組性能。
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，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。這種方法對于固定的能量存儲可能足夠了，比如為家庭供電的電池，但它的散熱速率很低。未來的電動汽車、長途運(yùn)輸和重型越野車的電池組要求散熱更快，因為它們的性能在逐年提高。
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。因此，電動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消耗能量，因為需要冷卻液在電池周圍流動得足夠快。
相變冷卻。一些材料，如美國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時能夠吸收熱量，而不會自身變熱。電池可以浸入或涂上這種材料來吸熱。很多團(tuán)隊都在研究這種方法，因為它比空氣或液體冷卻耗能更少，散熱更均勻。然而，這種方法有一個基本的限制。相變材料不會傳導(dǎo)熱量，他們只是把它儲存起來而已。因此，所有的相變設(shè)計都需要一個額外的冷卻系統(tǒng)來將熱量從電池組中帶走。
設(shè)計難點(diǎn)
設(shè)計師需要為他們的應(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，因為較熱的層消耗能量的速度更快，會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，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，它們才可能有相同的熱條件。而表面冷卻做不到這一點(diǎn)，因為它會產(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)，同時又不揭露電池設(shè)計或制造等商業(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。
德國大眾的員工正在組裝ID。 3電動汽車的下半車身和電池。圖片來源：Ronny Hartman/AFP/Getty
這些方法都不能計算電池工作時的溫度梯度，因為電化學(xué)電池的整個體積都會產(chǎn)生自身熱量。如果不知道單個電池的溫度梯度，就不可能為包含1000個電池的電池組設(shè)計熱管理系統(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。一個電池采用表面冷卻或凸耳冷卻的電池冷卻系數(shù)不同，因為每種方法都會產(chǎn)生不同的溫度梯度。這個系數(shù)可以告訴設(shè)計師對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)驗室直接測量。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量。對于表面冷卻，即電池的一側(cè)已冷卻而另一側(cè)仍是熱的時，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)部僅有一個小的溫度梯度。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)不如競爭對手，一些電池制造商可能會反對使用熱性能指標(biāo)。有些反對者會說增加一個變量會使優(yōu)化電池設(shè)計的協(xié)議復(fù)雜化，增加時間和成本。但我們評估過，這個指標(biāo)只需要額外兩個小時的測試，而通常不同類型的電池的表征測試就要花費(fèi)數(shù)天。而且那些采用該指標(biāo)的制造商在競爭中也更占優(yōu)勢。
下一步
我們呼吁研究人員和工程師對電池冷卻系數(shù)進(jìn)行常規(guī)測量和報告。我們的指標(biāo)應(yīng)該和其他典型的電池報告指標(biāo)，如能量容量和放電率，一起納入發(fā)表文獻(xiàn)中。
設(shè)計人員在評估電池能量密度和功率時，應(yīng)同時評估其熱性能，以確定哪種電池最適合他們的電池組。他們應(yīng)該在設(shè)計確定前的早期階段這樣做。計算機(jī)模擬可能有助于評估電池的潛能。了解電池冷卻系數(shù)將有助于設(shè)計師評估熱管理和能量密度之間的權(quán)衡，提高整個電池組的工作性能。
在電池行業(yè)競爭如此激烈的情況下，能夠保持電池涼爽的制造商將會有光明的未來。
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