船用电池市场高速增长态势与电池模组电芯的散热挑战

       全球船用电池市场呈现高速增长态势。根据行业报告，2022 年全球电动船市场规模为 52.6 亿美元，预计 2028 年将达 113.5 亿美元，复合年增长率 13.7%。其中，船舶磷酸铁锂电池市场规模预计 2025 年将突破 200 亿元，系统能量密度已从 100Wh/kg 提升至 160Wh/kg。锂离子电池因高能量密度（如 NMC 电池比能量达 200-300Wh/kg）和长寿命（循环次数超 2000 次），成为主流选择，占据全球船用电池市场主导地位。

 

预计到2032年，欧盟的船用电池市场将从2023年的4.2亿美元，增长至超过17亿美元，全球需求将超过50亿美元。欧洲船用电池市场规模，2019-2032（十亿美元）。锂离子电池占所有已部署船用储能的约35%，紧随其后的是铅酸电池和燃料电池。应用领域包括为辅助负载和／或推进系统提供能源，适用于从渡轮到游艇的各种船只。

 

电池应用于三种主要类型的系统中：

半混动：电池作为船舶辅助系统的一部分，以提供混合或全电网。

全混动：电池与船舶的主引擎一同安装，提供支持或允许船只在短时间内以电力驱动。

全电动：电池是船只的唯一动力来源提供动力。一些全电动游艇使用水翼将船只抬出水面，与排水船相比，能效提高约80%。

 

船用电池散热问题是保障船舶电力系统安全、高效运行的关键挑战，尤其随着船舶电动化、智能化发展，高能量密度电池（如锂离子电池、固态电池）的应用普及，散热需求更加严峻。

一、船用电池散热面临的核心问题：

1. 严苛环境下的散热需求

• 高功率密度与产热集中：船用电池（尤其锂电池）在充放电过程中能量转换效率有限，约 10%-20% 的能量以热量形式释放，高倍率充放电（如船舶启动、急加速）时产热激增，易导致局部温度超过 60℃（锂电池安全阈值），引发热失控风险。
• 复杂环境工况：船舶运行中面临剧烈振动、盐雾腐蚀、高湿度（相对湿度＞90%）、温度波动（-20℃~50℃）等环境，传统散热材料（如金属导热件）易受腐蚀失效，散热系统可靠性要求极高。
• 空间与重量限制：船舶电池舱空间紧凑，需在有限体积内布置散热结构（如液冷管路、风冷通道），同时需控制散热系统重量（避免影响船舶载重与续航）。

2. 散热不均与安全隐患

• 电池组温差过大：串联 / 并联电池模块间散热效率差异导致温度不一致（温差＞5℃），加速电池衰减，甚至引发热失控连锁反应。
• 热管理系统响应滞后：传统被动散热（如自然对流）难以应对突发高负荷工况，主动散热（如液冷、风冷）依赖传感器与控制系统，若温控策略不当，易导致散热不足或过度能耗。

 

 

二、关键技术挑战：

1. 散热技术与材料适配性

• 被动散热技术：
  • 导热界面材料（TIM）：电池与壳体间需高导热、耐振动、耐候的材料（如硅基导热垫片、相变材料 PCM），但盐雾环境易导致材料老化、接触热阻上升。
  • 结构设计：轻量化散热壳体（如铝合金、碳纤维复合材料）需兼顾导热性与耐腐蚀性，海洋环境中金属氧化会降低散热效率。

三、现有解决方案与技术突破：

1. 材料层面创新

• 高导热耐腐蚀材料：
  • 散热壳体：采用表面阳极氧化铝合金、石墨烯改性复合材料（导热率＞200 W/mK，耐盐雾寿命＞10 年）。
  • TIM 升级：使用硅脂 + 氮化硼填料（导热率＞15 W/mK）、有机硅弹性体垫片（耐温 - 50℃~200℃，抗振动疲劳）。
• 相变材料（PCM）应用：在电池间布置石蜡 / 脂肪酸类 PCM，吸收突发热量（潜热＞150 kJ/kg），抑制温度骤升。

2. 散热结构优化

• 一体化液冷设计：
  • 微通道液冷板集成于电池托盘，减小流阻与压降，采用分布式流道设计（如蛇形、叉流）提升均温性（温差＜3℃）。
  • 海水冷却系统增加离子交换器、防腐涂层（如聚四氟乙烯），降低结垢与腐蚀风险。
• 风冷与相变耦合：在密闭电池舱内结合热管（导热率＞10^4 W/mK）与强制风冷，快速导出局部热点热量。

3. 智能热管理系统

• 多传感器融合：部署热电偶、红外传感器、光纤测温，实时监测电池表面与内部温度，结合 AI 算法预测热失控风险。
• 能量回收技术：利用船舶发动机废热（50℃~100℃）预热低温电池，或通过热泵回收散热废能，提升系统能效（节能 10%-15%）。

 

      锂离子电池组在运行中面临显著的热管理挑战：充放电过程中产生的热量若无法及时均匀散逸，将导致电池组内部温差扩大（通常超过5℃），加速局部老化并可能引发热失控风险。尤其在高温或高倍率工况下，传统风冷、液冷等外部散热方式难以有效解决电池单体间的温度梯度问题。

 

        聚酰亚胺（PI）/氮化硼（BN）纳米复合薄膜为解决这一难题提供了创新方案。聚酰亚胺本身具有优异的绝缘性和耐高温性，但导热系数较低（约0.2 W/(m·K)）。通过引入氮化硼纳米片（BNNS）作为导热填料，可显著提升材料的热导率。例如，采用聚多巴胺改性BNNS与聚酰亚胺复合，其导热系数可达0.64 W/(m·K)，同时保持高绝缘性（击穿电场强度＞200 MV/m）。

 

      该复合薄膜的均热机制体现在两方面：1.导热网络优化：BNNS在聚酰亚胺基体中形成三维导热路径，当填料含量超过15wt%时，导热网络逐步完善，热传导效率显著提升；2.界面热阻降低：聚多巴胺改性后的BNNS与聚酰亚胺基体结合更紧密，减少界面热阻，进一步改善热量传递效率。广东晟鹏科技有限公司的SPA-SPK30复合材料为电池均热问题提供了更高效的解决方案。

 

     该材料通过独特的各向异性导热设计：水平热导率高达20 W/(m·K)，可快速沿电池模块平面方向扩散热量，减少横向温差；垂直热导率控制在1 W/(m·K)，避免热量在层叠方向过度积聚，优化三维热流分布。实验数据表明，在液冷与风冷混合系统中集成SPA-SPK30后，电池组最大温差可降至2.5℃以内，较传统方案温差缩减50%。

 

     此外，其耐穿刺性（≥300 N/mm²）和阻燃等级（UL94 V-0）可适配高安全要求的动力电池场景。实际应用效果显示SPA-SPK30可构建多层级热管理架构：SPA-SPK30作为电芯间绝缘导热层，解决局部热点问题。

SPA-SPK30用于模组间大面均热，平衡系统级温度场。例如，某储能电池项目中，该方案将温差从初始的8.2℃压缩至2.1℃，循环寿命提升至6000次以上（容量衰减＜10%）。同时，SPA-SPK30的轻量化特性（密度1.8 g/cm³）较传统铝制散热件减重40%，进一步优化了电池系统能效。

 

    通过材料创新（如PI/BN复合薄膜），锂电池组均热问题得以系统性解决，为高能量密度电池的安全应用提供了可靠路径。

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