电池热管理技术或将改善单电池设计和电池组性能

佚名 发表于 2020-07-01 15:53:00 收藏 已收藏
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电池热管理技术或将改善单电池设计和电池组性能

佚名 发表于 2020-07-01 15:53:00
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锂离子电池工作时会变热,很难保持其凉爽。在过去的十年中,工业界对此问题的关注很少。一般都将研究重点放在其他地方:降低成本和提高电池中单个电池可以存储的能量(能量密度)。虽然这些方法增加了手机的寿命和功能,诸如电动汽车和智能电网之类的未来应用程序需要电池组中的数千个电池单元,但是这些电池组很容易变热。

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。例如,电动汽车制造商特斯拉的Model 3汽车中的电池组比6,000部iPhone 11手机拥有更多的能量。冷却液通过通道泵送以将热量从各个单元中带走。但是这些繁琐的附加操作会使电池组沉重并消耗掉能量。开发人员在这些低效的设计上浪费了时间和金钱。所以必须改进散热策略,以使电池组既轻巧又强大。

为什么这样缺乏关注?原因之一是没有标准的方法来判断电池组的热性能。单个电池的制造商通过追求更高的能量密度来竞争。他们的产品规格表没有涵盖从电池中去除热量的难易程度。因此,电池组的设计人员无法事先知道单个电池将产生多少热量。在花了大量时间和金钱在设计上之后,他们发现为时已晚。

锂离子电池行业的规模有望在未来十年内翻三番。因此电池热管理技术急需改变。

电池行业的第一步是定期报告热管理。我们已经制定了标准化的性能指标用于此目的。它比较了不同的电化学电池,可以使用电池实验室中容易获得的设备进行测量。在每个电池规格表中都包含该指标将推动竞争,从而改善单电池设计和电池组性能。

热管理

领先的汽车公司正在大力投资开发更好的电池组。仅宝马一家就向其电池研究中心投入了2.3亿美元,该中心于去年在德国慕尼黑附近开业。每个公司都使用不同的电池设计并遵循自己的散热策略。

广义上讲,存在三种热管理系统。

空气冷却。在雷诺ZOE和日产LEAF汽车模型的电池中,空气吹过表面以除热。这种方法对于固定的能量存储(例如,为家庭供电的电池)可能就足够了,但是它以较低的速率散热。随着性能的逐年提高,未来的电动汽车,长途运输和重型越野汽车的电池组将需要更快地散热。

液体冷却。一定体积的液体的散热能力比相同体积的空气强1000倍左右。电池可以浸泡在流动的液体中,或通过环绕电池的通道流动的液体间接冷却。浸泡是最有效的,但需要昂贵的电介质液体来降低电池组短路的风险。因此,电动汽车往往采用冷却通道的方法。特斯拉将含有液态丙二醇的管子包裹在圆柱形电池周围。浸没法和冷却通道法都会消耗电力,因为需要足够快地将冷却液泵送到电池周围。

相变冷却。某些材料(例如,美国3M技术公司生产的Novec流体)被设计为在相变时吸收热量-从固体变为液体,或从液体变为气体,而不会变热。电池可以浸入或涂有此类材料以吸收热量。与空气或液体冷却相比,此方法使用的功率更少,并且热量散发更均匀,因此是大量研究的主题。但是,有一个基本限制,相变材料不会散走热量,他们只是存储它。因此,所有相变设计都需要额外的冷却系统来将热量带出电池组。

设计挑战

设计人员需要为他们的应用选择最佳的冷却方法并正确部署。如果不这样做,电池组将效率低下,提供的有用能量更少,并且降解速度更快。选择要冷却的电池区域是最困难的决定。

所有电池均由不同材料的层组成:电极,电解质,隔膜和集电器。这些层可以像夹在小袋中一样被夹在中间,也可以像圆柱形和棱柱形中那样被卷曲成“果冻卷”。

电池热管理技术或将改善单电池设计和电池组性能

电流通过集电器流入和流出电池,集电器连接到电池的正极和负极端子或“接线片”。集电器由非常容易导热的金属制成。但是,由于电极,电解质和隔板是绝热体,因此热量在电池各层之间的传递缓慢。换句话说,平行于各层的热传递比跨它们的热传递1更快。

电池的电化学性能对温度敏感。在高温下,对电流的阻力要低得多。因此,为了使电池有效且稳定,应将每一层暴露在相同的热条件下。一层与下一层之间的温度梯度意味着各层的操作略有不同。由于较热的层更快地耗尽了能量,因此可以从电池中获取更少的能量;一些能量留在较冷的层中。当每个层暴露于电流流动的不同的速率时电池劣化更快。

仅当以相同的速度从每一层中除去热量时,相同的热条件才有可能。表面冷却无法实现这一点,因为它会产生温度梯度。

通过连接到每一层的离子通道散热,可以使整个电池均匀冷却。不幸的是,在今天的锂离子电池中,离子通道冷却是不可能的。离子通道往往彼此太近,太小和太薄,无法从每一层去除足够的热量。结果,通过离子通道冷却的电池仍然会变得危险的热。

关键指标

最大的问题是开放共享。在世界上任何地方都没有可轻松复制的电化学电池热性能指标,也没有揭示有关电池设计或制造方式的商业敏感信息。

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。传热专家更喜欢用比奥号(Biot number),它描述了人体传递和散发热量的能力。机械工程师更喜欢导热系数和导热系数的定义。这些定义了在给定温度梯度下可以通过材料实现的传热速率。

这些方法都无法计算电池在工作时的温度梯度,因为电化学电池会在整个体积内产生自身的热量。如果一个电池的温度梯度未知,则不可能为包含1,000个电池的电池组设计热管理系统。

我们已经开发出一种度量称为电池冷却系数。它可用于描述运行中的整个电池的温度梯度,单位为瓦特/开尔文(W K –1)。电池的表面冷却和离子冷却将具有不同的值,因为每种方法都会导致不同的温度梯度。这样的系数将告诉设计人员管理电池组中选定电池中的热量有多困难。

我们的冷却系数很容易在实验室中测量。研究人员可以在电池中产生电化学热,然后使用温度传感器确定电池中的温度梯度。电池的热损失可以使用热通量传感器进行测量。对于表面冷却,在其中电池的一侧被冷却而另一侧保持热的情况下,可以通过将热损失率除以从热侧到冷侧的温度梯度来计算电池冷却系数。

从电动汽车回收锂离子电池

期望大的电池冷却系数,这意味着可以除去更多的热量,并且电池内部的温度梯度较小。在我们研究过的电池中,大型袋式电池(如日产LEAF中的电池)性能似乎最好,并且电池冷却系数接近5 W K –1。小型圆柱电池(例如,Tesla Model 3中的电池)性能较差,电池冷却系数小于0.5 W K –1(未发表的结果)。

如果电池产品的价格不及竞争对手,则某些电池制造商可能反对使用热性能指标。有些人会反对添加另一个变量会使优化电池设计的协议复杂化,从而增加时间和成本。但是我们估计,在表征不同类型的电池通常需要花费的几天之外,这仅需要多花两个小时进行测试。那些接受该指标的制造商可以获得竞争优势。

下一步

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。我们的指标应与其他通常报告的电池指标(例如能量容量和放电速率)一起包含在出版物中。

设计人员应评估热性能以及能量密度和功率能力,以确定最适合其电池组的电池。他们应该在锁定设计之前的早期阶段执行此操作。计算机仿真可能有助于评估电池的潜力。了解电池冷却系数将有助于设计人员评估热管理和能量密度之间的权衡,从而改善整个电池组的工作性能。

在电池行业如此激烈的竞争中,能够保持电池凉爽的制造商将拥有最光明的未来。

责任编辑:gt

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