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Nature:电池界亟待改变!电池热管理关键指标颠覆行业?

微算云平台 | 做计算找华算,关注微算云平台 2020/06/25 03:32

2020年6月23日,Nature在线发表评论,将焦点聚集在锂离子电池的热管理上,这一决定电池安全性的重要因素,在学术界的研究中很少设计,却是工业界电池厂的重中之重,这篇评论能给我们带来什么启发呢?

新知图谱, Nature:电池界亟待改变!电池热管理关键指标颠覆行业?

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锂离子电池在运行过程中会发热,而且很难冷却下来。当温度升高到一定的时候,会引起热失控,接下来的连锁反应甚至会引起起火、爆炸,危及人身安全。

在过去的十年里,工业界对这个问题关注得太少,焦点已经转移到别处:削减成本和提高单个电池的能量密度,这种策略提高了移动电话的使用寿命和性能。未来的应用场景需要在一个电池组中包含数千个电池,这些都容易引发过热,如电动汽车和智能电网。

大型高能电池组的制造商必须设计复杂的系统来管理热量。以电动汽车制造商特斯拉Model 3的电池组为例,它所承载的电量超过6000部iPhone 11手机。冷却液通过管道网络泵送,将热量从单个电池中带走。但是,这些繁琐的附加物使电池组变得很重,而且会消耗电池的能量。开发人员在这些低效的设计上浪费了时间和金钱。为了使电池组既轻便又强大,必须改进散热策略。

为什么热管理会缺乏关注?原因之一是没有标准的方法来判断电池组的热性能。单体电池制造商通过追求更高的能量密度来竞争,他们的产品说明书没有说明电池散热的容易程度。因此,电池组的设计者无法预先知道单个电池会产生多少热量。在花了时间和金钱在设计上之后,他们发现的太晚了。锂离子电池行业的规模预计将在未来十年扩大三倍,在热管理方面,迫切需要一个彻底改变,使用成熟的技术可以迅速实现。

第一步是电池行业报告常规的热管理。我们为此开发了一个标准化的性能度量标准。它比较不同的电化学电池,可以使用电池实验室中现成的设备进行测量。在每个电池规格表上包括这一指标将推动竞争,从而导致单电池设计和电池组性能的改善。

热管理

领先的汽车公司正在大力投资开发更好的电池组,仅宝马一家就投入了2.3亿美元在其电池研究中心,该中心去年在德国慕尼黑附近开始运行。

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每家公司都使用不同的电池设计,并奉行自己的冷却策略。总的来说,有三种热管理系统:

空气冷却。 在雷诺佐伊(Renault ZOE)和尼桑聆风(Nissan LEAF)两款汽车的电池中,空气通过表面吹过来散热。这种方法对于固定的存贮装置可能足够了,比如为家庭供电的电池,但它以低速率散热,未来的电动汽车、长途运输和重型越野车的电池组需要更快地散热,因为它们的性能逐年提高。

液体冷却。 一定体积的液体的除热能力大约是同等体积的空气的1000倍。电池可以浸在流动的液体中,或通过包裹电池的通道中的液体间接冷却。浸泡是最有效的,但是需要昂贵的电介质液体来降低电池组短路的风险。因此,电动汽车倾向于采用冷却通道的方式。特斯拉将含有液态丙二醇的管道包裹在圆柱形电池上。浸液和冷却通道的方法都消耗能量,因为需要使冷却液在电池周围足够快地流动。

相变冷却。 一些材料,如美国3M科技公司生产的Novec流体,在其相变时(从固体变为液体或从液体变为气体)能够吸收热量,而不会自身变热。电池可以浸入或涂上这种材料来吸收热量。这种课题被大量研究,因为它比空气或液体冷却耗电更少,散热更均匀。然而,有一个基本的限制——相变材料不会传导热量,他们只是把它储存起来。因此,所有的相变设计都需要一个额外的冷却系统来将热量从电池组中带走。

设计挑战

设计师需要为他们的电池选择最好的冷却方法,并正确地部署它。如果他们不这样做,电池组将会效率低下,提供的有用能量更少,并且退化得更快。选择冷却电池的哪个区域是最困难的决定。

所有电池都由不同的材料层组成:电极、电解质、隔膜和集流体。这些层可以是三明治结构,就像在软包电池中一样,也可以卷曲成“果冻卷”,就像在圆柱形和棱形电池中一样。

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电流通过集流体流入和流出电池,集流体连接到电池的正极和负极,也就是“极耳”。集流体是由易传热的金属制成的。但是,由于电极、电解液和分离器都是绝热材料,电池各层之间的热量传递很慢。换句话说,平行于这些层的热传递比穿过它们的热传递要快。

电池的电化学性能对温度敏感;在高温下,电流的电阻要低得多。因此,为了电池的有效和稳定,每一层都应该暴露在相同的热条件下。一层和下一层之间的温度梯度意味着每一层的运作略有不同。从电池中吸收的能量更少,因为较热的层消耗能量的速度更快,一些能量留在较冷的层中。当每一层暴露在不同流速的电流中时,电池降解得更快。只有当热量以相同的速率从每一层中去除时,才可能有相同的热条件。表面冷却不能做到这一点,因为它会造成温度梯度。

通过连接到每一层的薄片散热可以均匀地冷却整个电池。不幸的是,极耳冷却不可能在今天的锂离子电池,因为极耳通常彼此靠得太近,太小,太薄,无法从每一层散热。因此,通过极耳冷却的电池仍然会变得很热。

关键指标

最大的问题是,世界上没有任何地方可以轻易复制的电池热性能指标,也没有揭示电池是如何设计或制造的商业敏感信息。在电池行业中,没有好的或通用的方法来测量电池的热性能。热传导专家青睐Biot数,它描述了人体通过和散发热量的能力。机械工程师更喜欢热导和导热系数的定义,这些定义了在给定的温度梯度下,材料所能达到的传热速率。

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这些方法都不能计算电池运行时的温度梯度,因为电池在整个体积中会自己产生热量。如果不知道单个电池的温度梯度,就不可能为包含1000个电池的电池组设计热管理系统。

我们已经开发了一种称为电池冷却系数的指标。它可用瓦特每开尔文(W K -1 )来描述整个单元运行中的温度梯度。由于每种方法都会导致不同的温度梯度,因此电池的表面冷却和极耳冷却的值也会不同。这样的系数会告诉设计师如何管理电池包中的电池的热量。

我们的冷却系数可以在实验室直接测量。研究人员可以使电池产生电化学热,然后使用温度传感器确定电池的温度梯度。电池的热量损失可以用热流传感器来测量。对于表面冷却,即电池的一侧冷却而另一侧保持热,单元的冷却系数可以通过用热散失率除以热侧到冷侧的温度梯度来计算。

一个大的电池冷却系数是希望得到的,这意味着更多的热量可以被移走,电池内部有一个小的温度梯度。 在我们研究的电池中,尼桑LEAF有最好的冷却系数,接近5 W K -1 。小圆柱电池,如那些在特斯拉Model 3中,表现较差,电池冷却系数低于0.5 W K -1 (不买特斯拉又多了个理由,哈哈)。

如果他们的产品不如竞争对手,一些电池制造商可能会反对使用热性能指标。有些人会反对增加另一个变量会使优化电池设计的原则复杂化,增加时间和成本。但我们估计,这只需要额外的两个小时的测试,而通常需要花费几天来描述不同类型的电池,而那些采用该指标的制造商可以获得竞争优势。

后续行动

我们呼吁研究人员和工程师定期测量和报告电池冷却系数。我们的指标应该和其他典型的电池报告指标一起包括在出版物中,如能量密度和放电倍率。

设计人员应该评估热性能,以及能量密度和倍率性能,以确定哪种电池最适合他们的电池组。他们应该在设计被锁定之前的早期阶段这样做。计算机模拟可能有助于评估电池的潜能。了解电池冷却系数将有助于设计师评估热管理和能量密度之间的权衡,提高整个电池组的工作性能。

在电池行业竞争如此激烈的情况下,能够保持电池凉爽的制造商将会有光明的未来。

来源:

Cool metric for lithium-ion batteries could spur progress. Nature 582, 485-487 (2020)

https://www.nature.com/articles/d41586-020-01813-8

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