鋰離子電池組的案例
車用鋰離子動力電池風冷散熱系統研究進展
來源 | 電源技術
作者 | 楊朝蓬，張寧，段志宇
單位 | 中國電子科技集團公司第十八研究所
摘要：鋰離子電池作為電動汽車動力電池首選，維持其工作在最佳溫度范圍需要應用散熱系統。針對常用的風冷散熱系統，闡述了不同類型的特點，綜述了國內外在電池內部流道、進出風口結構、冷卻空氣流體參數等方面開展的仿真與實驗研究，以及采用優化算法和優化策略，改善電池內部溫度和溫差的優化設計研究。為克服風冷散熱系統冷卻效率低及密封性不足的問題，基于風冷散熱系統的混合冷卻系統被研究者廣泛提出。
關鍵詞：鋰離子電池；風冷散熱系統；溫度；溫差；混合冷卻系統
隨著環境污染與能源緊缺問題加劇，世界各國加大了電動汽車的研發力度，而動力電池作為電動汽車的動力來源，受到各國政府和主要汽車制造廠商的重點關注。鋰離子電池具有比能量高、循環壽命長、自放電率低、無污染排放等特點，成為目前電動汽車首選的動力電池體系。鋰離子動力電池的性能和壽命在很大程度上與工作溫度有關，通常最佳工作溫度在 15～40℃，溫差低于 5℃。在充放電過程中電池自身產熱會導致溫度上升，適當的散熱冷卻技術可以減少溫度對電池組的負面影響，提高動力電池的效率和安全性，降低老化率，延長使用壽命。車用鋰離子動力電池散熱系統冷卻方式主要有：風冷、液冷、相變材料(PCM)冷卻、熱管(HP)冷卻等。風冷、液冷是應用最廣泛的冷卻方式，受技術水平限制，當前國內主要采用風冷，有少數電動車也開始采用系統更為復雜的液冷，如吉利帝豪 EV、江淮 iEV7S，而國外發達國家更多采用液冷，如美國特斯拉、雪佛蘭沃藍達。作為新型冷卻方式，相變材料和熱管冷卻還處于研究和小規模應用階段。
展開 鋰離子電池組液冷測試系統的數值-實驗方法設計
鋰離子電池（LIB）由于具有高能量容量、低自放電率和無記憶效應等優點，被廣泛用作電動汽車的儲能系統。然而，溫度嚴重影響鋰離子電池的容量和壽命。較低的溫度可能導致電池退化，而較高的溫度可能引發熱失控，從而造成安全隱患。
當前，對BTMS的研究根據冷卻方式主要分為風冷、液冷、相變材料（PCM）冷卻等三大類。風冷具有結構簡單、易于封裝、維護成本低、能耗低等特點。雖然提供相對較低的熱交換能力，但該冷卻系統在 LIB 系統中得到了很好的采用，對在較高電流速率下進行快速充電和放電操作的要求不高。液冷式一般傳熱系數較高，溫度分布均勻，根據電池表面是否與傳熱流體直接接觸，液冷方式一般分為直接接觸式和間接接觸式液冷。與間接接觸冷卻相比，直接接觸液體冷卻使用介電流體有效地去除電池熱量，具有很大的緊湊性和高冷卻速率，但在商業應用中可能不實用。另一方面，間接接觸冷卻更容易實施，并且使用較低粘度的流體以減少泵功率需求，并且已被廣泛采用和研究，具有液體冷板（LCP），波浪管和熱管。PCM 冷卻本身是一種被動熱管理類型，具有運行成本較低和溫度均勻性較高的優點。PCM 冷卻使用大量潛熱，這些潛熱可以存儲在材料中以維持電池溫度，并能夠降低 LIB 電池組的最高溫度和溫差。然而，純PCM由于導熱系數較低，容易產生過多的熱量積累，從而大大增加了熱系統的重量。將泡沫金屬和翅片應用于 PCM 被動冷卻中，以增強 PCM 的傳熱，證明 PCM、泡沫金屬和翅片的組合可以有效提高 LIB 的熱性能并將溫度保持在較低水平。在 PCM 壁上耦合了石墨烯增強的高導熱金屬隔板，該系統可以有效地將 4C 充電期間的最高溫度限制在 55°C 以下。
展開 一種用于鋰離子電池組熱管理的液體冷卻系統
鋰離子電池因其能量密度高、自放電率低、維護要求低、循環壽命長、重量輕、結構緊湊等特點，是目前電動汽車使用最廣泛的電源。然而，鋰離子電池的性能受工作溫度的影響很大。鋰離子電池理想的工作溫度范圍為25 ~ 40℃，不同電池之間的最高溫差小于5℃。在低溫或高溫環境下工作都會導致電池性能下降，壽命縮短，甚至熱失控。因此，一個優秀的電池熱管理系統(BTMS)對于保證鋰離子電池安全高效的運行狀態是非常必要的。
根據冷卻策略的不同，BTMS可分為被動冷卻系統、主動冷卻系統和被動與主動相結合的混合系統。在被動冷卻系統中，沒有任何額外的功耗，但它們也不能控制冷卻系統來改變冷卻速率。在鋰離子電池表面實施特殊的材料或散熱結構，以實現電池與外部環境之間的高傳熱能力。典型的例子包括自然空氣對流，相變材料(PCM)和熱管。
被動空氣冷卻的冷卻能力很低，不適合冷卻高能量密度的鋰離子電池。PCM在融凍過程中能夠儲存和釋放大量的能量，近年來受到越來越多的關注。將PCM裝入BTMS的主要優點是可以實現良好的電池溫度均勻性和靈活的幾何形狀。然而，PCM的低導熱性阻礙了電池的散熱速率，在高速率充放電條件下存在嚴重的隱患。因此開發出具有優異的散熱性能的新能源電車的電池熱管理系統是非常重要的。
02
成果掠影
近期，哈爾濱工業大學馮宇教授團隊針對液冷電池熱管理系統(BTMS)取得新進展。由于常見的線性流道結構導致了嚴重的溫度分布不均勻。該團隊提出了一種具有多通道的新型錐形通道散熱器，以提高電池溫度均勻性，降低BTMS的功耗。團隊分析比較了8種不同設計的電池最高溫度和溫差、溫度不均分布參數和功耗性能，同時，分析了延遲冷卻策略對液冷系統溫度均勻性的影響。
展開 《ACS AMI》：鋰離子電池Si/C復合負極中鋰離子擴散機理的探討
首先，研究了Si/C復合材料在嵌鋰過程中的結構演變，然后研究了嵌鋰過程中鋰的體積變化和擴散速率，同時研究了不同碳層厚度對Li在Si/C復合材料中擴散的影響，揭示了碳材料增強Li在Si中擴散速率的機理。
我們發現碳層將Li在Si中的擴散速率從7.75×10?5提高至2.097×10?4cm2/s.。在簡單混合模型中，鋰離子擴散速率增加大約50%，而核殼模型中鋰離子擴散速率對碳層的原子結構有較大的依賴性。這些研究結果為Li在Si/C復合材料中的擴散行為提供了新的認識，揭示了Li在Si/C復合材料中擴散的增強機制。這種認識有助于鋰電池復合負極材料的建模，并指導相應的結構設計，以確保鋰電池的結構穩定性和高能量密度。（文：李澍）
圖1 (a) c-Si和 (b) a-C的原子結構；(c)、(d)和(e)是不同碳層厚度的Si/C復合材料（Si：紅點；C：灰點；和Li：藍點）；本研究中的兩種復合模型：（f）混合模型和（g）核殼模型（亮粒子為c-Si，暗粒子為a-C）
圖2 (a)Si/Si, (b) Si/Li和(c) Li/Li在不同嵌鋰階段的徑向分布函數；（d）c-Si和（e）a-C嵌鋰后的最終結構；在(d,e)中，粉色、灰色和藍色分別代表Si原子、C原子和Li原子
圖3 C層厚度為(a)2、(b)3和(c) 4?的Si/C復合材料（混合模型）在嵌鋰過程中不同模擬時間下的Li擴散的結構快照（粉色、灰色和藍色分別代表Si原子、C原子和Li原子）
圖4 C層厚度為(a)2、(b)3和(c) 4?的Si/C復合材料（核殼模型）在嵌鋰過程中不同模擬時間下的Li擴散的結構快照。
展開 
Lyten推出下一代鋰硫電池 能量密度是傳統鋰離子電池的三倍
蓋世汽車訊 據外媒報道，領先材料公司Lyten推出LytCell EV?鋰硫電池平臺。這一電池創新針對電動汽車市場進行優化，其設計旨在提供三倍于傳統鋰離子電池的重量能量密度。
（圖片來源：Lyten公司）
該鋰硫架構基于Lyten 3D石墨烯?（Lyten 3D Graphene?），其重量能量密度有望達到900 Wh/kg，明顯超過傳統鋰離子電池和固態電池。Lyten硫磺籠?（Lyten Sulfur Caging?）是LytCell? 電池中使用的一項技術，通過阻止“多硫化物穿梭”來釋放硫的性能潛力。穿梭效應影響電池電動汽車的使用壽命，一直阻礙著鋰硫電池在電動汽車中的實際應用。根據美國國防部（DoD）測試協議，LytCell?原型設計已證明超過1400次循環。
該公司首席執行官Dan Cook表示：“LytCell EV?電池的性能、續航里程和安全性都得到了改善。通過提供最環保的電池和符合《美墨加協議》（USMCA）的供應鏈，我們相信汽車制造商將更有信心實現電氣化藍圖。”
展開 河北工業大學張旭教授課題組《Chem. Eng. J.》: 具有碳涂層的竹節狀SiOx/C納米管作為鋰離子電池的耐用高性能負極
這種竹子狀結構有望擴展到其他類型的儲能系統，例如全氣候電池、鋰硫電池和鈉離子電池。
羅?羅致力于打造全球最快的全電動飛機
1、高功率高能量電池設計技術
該團隊希望電推進系統的質量與NXT發動機和燃油系統的質量相同，這樣就不需要因調整起飛重量對飛機進行重新認證。項目團隊對次級電池系統的早期測試結果與預期相符，目前正在擴大電池系統，繼續進行測試。
最終，ACCEL的目標是使用一種高密度鋰離子電池組，其中有6000個電池，能夠提供750千瓦的功率。這種電池類似于電動汽車和電動工具上的電池，旨在提供高功率輸出，但飛行的需求也要求電池能夠提供一定程度的續航能力。
既需要高功率，也需要高能量，這是電池設計中面臨的挑戰之一，也正是航空航天的需求。這些電池為YASA開發的3個輕型電動機提供動力，螺旋槳與3個輕型電動機同軸安裝，這是首次在航空領域采用這種方法，也是羅·羅所擁有的電機的獨特優勢之一。然而，當ACCEL項目在范堡羅航展首次亮相時，使用對轉螺旋槳的計劃被認為“跨越太大”。
電池和電機由一個工作電壓為750伏的機載電源系統連接，效率高達90%。該項目還包括一個航空電子系統，該系統將能夠監測電池狀況并向飛行員報告，飛行還可使研究小組更好地了解電池的健康狀況和退化情況，在傳統飛機20-30年的使用壽命中，電動飛機可能需要更換幾次電池。機載監測系統每秒鐘監測2萬個數據點，測量電池電壓、溫度和動力系統的整體健康狀況。
2、電池將采用定制的液體冷卻系統進行冷卻
為了保證飛機在設定的航線上（4個3公里航段）均持較高的平均速度，還需研究如何對電池進行冷卻。降溫冷卻是電池系統設計技術的關鍵創新之一。采用定制的液體冷卻系統使電池在整個飛行期間保持在約40℃（104°F）的最佳工作溫度。
該項目還將使羅?羅回歸其初心，除了實現300英里/小時的飛行速度記錄，開發團隊還將目光投向了1931年贏得施耐德獎杯的超級馬林（Supermarine）S.6B水上飛機所達到的343英里/小時的速度。
展開 鋰電池的圣杯：崔屹課題組揭示金屬鋰在二次電池中的循環機理
剝離過程中鋰的極化行為
本文的機理分析清晰地指出了鋰負極進一步優化的若干可能策略，包括最小化界面空隙，提高SEI層的離子導電性，改善鋰負極的制造工藝以減少非均一性等。
點評
馬里蘭大學莫一非教授向知社介紹：
實現可循環的鋰金屬電極一直被認為是鋰電池的圣杯，也是實現下一代高能量密度充電電池的關鍵。如何有效的沉積鋰金屬而不導致鋰枝晶的生長是一個十分重要而又懸而未決的問題。盡管文獻中報道了許多的實驗嘗試，但鋰金屬沉積和剝離的機理仍不清楚。
崔屹老師這組工作系統表征了不同的電解液以及各個因素對鋰金屬沉積和剝離的影響。Shi（2017）發現在不同條件下沉積的鋰金屬有著顯著不同的晶向和織構，會對沉積的鋰金屬形貌以及電化學性能有很大影響。這個發現揭示了鋰金屬的原子結構與形貌性能之間存在的關聯，對進一步理解鋰金屬沉積的機理以及最終實現可控的鋰金屬沉積有重要的意義。而Shi（2018）進一步揭示了鋰金屬通過固態電解質膜（SEI）的剝離機制，指出了SEI膜的結構與性質對于鋰金屬剝離的重要影響。這個發現對通過優化SEI來提高鋰金屬電極性能有重要的啟示。
這兩篇文章對于理解鋰金屬沉積和剝離的機理和進一步的鋰金屬電極研究有十分積極的意義和啟發。尤其值得借鑒學習的是在電化學測試的基礎上結合系統仔細的表征工作來提升對機制的理解。這組工作也為進一步通過理論計算揭示鋰金屬沉積剝離的原子級尺度機制提供了重要的實驗參考。
來源：知社學術圈
展開 采用電池冷卻方法的鋰離子電池熱管理策略：現狀與挑戰
來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
由于全球變暖問題不斷加劇，對清潔能源替代品的需求持續增長，電動汽車電池憑借高效率、安全性和可靠性等特點，使電動汽車(EV)行業迎來了大幅增長。然而，這些電池也存在一些限制因素，盡管生產小型、安全、高性能、和可靠的電池有困難，但這也迫使電動汽車制造商在電池領域進行更多的投資。近年來，電動汽車越來越受歡迎，為人們提供更多的舒適性和節省成本。
02
成果掠影
近期，韓國嶺南大學Gyu Sang Choi和Sung Chul Kim老師團隊分析了各種電池熱管理系統(TMS-Bs)冷卻方法及其在可行性、成本和壽命方面的優缺點，討論了熱失控(TR)機制，模型和策略，以減輕TRS問題。有效的TMS-B可以減輕電池的TR，并提高其性能和壽命。總體而言，TMS-B對于維持電動汽車中使用的LBS的最佳溫度范圍至關重要。一個有效的TMS-B可以減輕TR，并提高性能和壽命，然而，需要進一步研究TMS-B的結構、工作介質、流道尺寸和液體填充能力，同時更好地理解電池、模塊和包裝如何應對快速充電情況是十分必要的。
展開 研發氟離子電池 能量密度比鋰電池高10倍
本田研究所（Honda Research Institute）科學家正與加州理工學院（Caltech）和美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）的研究人員合作，一起研發了一種新型電池化學物，可比現有電池中采用的材料能量密度更高、更環保。
研究團隊通過克服目前氟離子電池（FIB）技術的溫度限制，演示氟離子電池在室溫下操作的過程，為研發能夠滿足快速增長儲能需求的高能量密度電池開辟了新機會。
本田研究所首席科學家Christopher Brooks博士表示：“氟離子電池提供了一種前景廣闊的新型電池化學物質，其能量密度是目前鋰電池的十倍。與鋰離子電池不同，氟離子電池不會因過熱而造成安全風險，而且獲得氟離子電池原料所產生的環境影響遠小于提取鋰和鈷造成的環境影響。”
氟離子電池提供了一種具吸引力的替代方案，可以替代其他類型的高能量電池，例如基于鋰或金屬的氫化物化學的電池，此類電池通常受到電極固有特性的限制。由于氟的原子質量低，基于該元素的可充電電池的能量密度非常高，理論上比鋰離子電池高10倍。但是，雖然氟離子電池被認為是“下一代”高能量密度儲能設備，但是受溫度要求的限制。
目前，固態氟離子電池需要在150攝氏度以上的高溫下工作，才能使電解質具導電性。為了解決該問題，研究人員找到一種方法，使氟離子電池能夠在室溫下工作。研究人員利用溶解在有機氟化醚溶劑中的干燥的四烷基銨氟化物鹽開發出了此種電解質，當與具有銅、鑭和氟的核殼納米結構的復合陰極配對使用時，研究人員證明了室溫下可逆的電化學循環。
未來，氟離子電池可為電池驅動的電動汽車提供動力，該電池容量高的特性使其成為電力產品的理想選擇。
來源：蓋世汽車網
展開 羅羅要打造的全球最快全電動飛機，將突破哪些關鍵技術
1、高功率高能量電池設計技術
該團隊希望電推進系統的質量與NXT發動機和燃油系統的質量相同，這樣就不需要因調整起飛重量對飛機進行重新認證。項目團隊對次級電池系統的早期測試結果與預期相符，目前正在擴大電池系統，繼續進行測試。
最終，ACCEL的目標是使用一種高密度鋰離子電池組，其中有6000個電池，能夠提供750千瓦的功率。這種電池類似于電動汽車和電動工具上的電池，旨在提供高功率輸出，但飛行的需求也要求電池能夠提供一定程度的續航能力。
既需要高功率，也需要高能量，這是電池設計中面臨的挑戰之一，也正是航空航天的需求。這些電池為YASA開發的3個輕型電動機提供動力，螺旋槳與3個輕型電動機同軸安裝，這是首次在航空領域采用這種方法，也是羅·羅所擁有的電機的獨特優勢之一。然而，當ACCEL項目在范堡羅航展首次亮相時，使用對轉螺旋槳的計劃被認為“跨越太大”。
電池和電機由一個工作電壓為750伏的機載電源系統連接，效率高達90%。該項目還包括一個航空電子系統，該系統將能夠監測電池狀況并向飛行員報告，飛行還可使研究小組更好地了解電池的健康狀況和退化情況，在傳統飛機20-30年的使用壽命中，電動飛機可能需要更換幾次電池。機載監測系統每秒鐘監測2萬個數據點，測量電池電壓、溫度和動力系統的整體健康狀況。
2、電池將采用定制的液體冷卻系統進行冷卻
為了保證飛機在設定的航線上（4個3公里航段）均持較高的平均速度，還需研究如何對電池進行冷卻。降溫冷卻是電池系統設計技術的關鍵創新之一。采用定制的液體冷卻系統使電池在整個飛行期間保持在約40℃（104°F）的最佳工作溫度。
展開 
本田研發出新電池技術 能量密度是鋰離子電池10倍
據汽車新聞網站Left Lane News報道，本田一科學家團隊表示已經研發出了一種新型電池技術，能量密度是鋰離子電池技術的10倍以上，今后新技術可以代替鋰離子電池，成為電動汽車能量來源的新選擇。
本田研究所（Honda Research）、加州理工學院（California Institute of Technology）與NASA噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Lab）的科學家們周四宣布，他們研發出了一種更為溫度穩定型的氟化物離子（fluoride-ion）電池技術。新技術生產的電池不僅是當前鋰離子電池能量密度的10倍以上，而且它還可以更好的適應環境。
氟化物離子電池技術其實并不是新技術，但是本田及其合作伙伴研發出了該技術的一種更為穩定版本。先前的氟化物離子電池技術的運行溫度需要超過300度；而本田研發的氟化物離子電池技術在室溫條件下即可有效運轉。此外，技術所需的原料可以從土地中直接提取，環境影響非常小。
本田研究所首席科學家克里斯托夫·布魯克斯博士（Dr. Christopher Brooks）表示：“氟化物離子電池技術提供了一種前景可觀的全新電池化學技術，其能量密度要比現有鋰離子電池高10倍之多。與鋰離子電池相比，氟化物離子電池并不用擔心過熱的問題，對原料提取也沒有太多的要求，與鋰和鈷等電池原料的獲取相比，其環境影響非常的小。”
雖然技術還需要繼續改進，但是本田認為氟化物離子電池技術將是未來技術，可以應用于電動汽車以及其他更小的能源產品。
來源：網易汽車
展開 鋰離子電池膨脹分析
鋰離子電池作為電化學儲能的載體，在使用過程中不斷發生化學反應，導致鋰離子電池的內部結構和外部形狀發生變化。鋰離子電池在多次充放電循環過程中，一系列的物理化學變化會在電池內部形成壓力效應。
鋰離子電池膨脹分為可逆膨脹和不可逆膨脹：鋰離子的嵌入和脫嵌導致電池材料的膨脹與收縮引起的可逆膨脹；不可逆的反應沉淀物導致電池電極體積增加永久膨脹。實際工程應用中，鋰離子電池內部顆粒膨脹最終表現為宏觀的電芯體積變化，因而可以從電芯層級的膨脹入手，可減小模型的復雜程度。
那么如何測量電芯膨脹？
現階段常規方法是用千分尺測量電芯厚度變化，或者精確一點設備就是激光位移測量。
如何確定電芯膨脹系數？
在很多學者研究中，可將電芯膨脹和熱膨脹類似，因此模擬采用了熱膨脹分析，那么電芯膨脹系數的獲得就是熱膨脹系數的獲得，需要注意的是電芯膨脹包含了鋰離子嵌入負極產生的膨脹和熱膨脹兩方面。涉及內容很多，這里一時說不完。常規的實驗做法是測量電芯在充電在厚度方向的應變，同時觀測電芯溫升，有了這兩方面數據就可以得出等效熱膨脹系數，這是有研究論證的。
涉及學科：要做到精確的電芯膨脹那就涵蓋了電化學、熱、結構這三方面，電化學分析主要分析電芯內部反應變化，可獲得精確熱量分布；熱分析就是要確定電芯溫度分布，電芯實際發熱是不均勻的，特別是成組后；結構分析就是強度這些了
總之，膨脹對現在大容量電芯影響較大，特別是成組后，需要有合適的熱管理和結構防護。
展開 鋰離子電池的仿真模擬
以下綜述展示了針對鋰電池組件的仿真模擬實例，包括了陽極/陰極/電解質和制造過程。本文主要使用SIESTA(第一性原理計算引擎)，介紹了在全固態電池的固體電解質中插入鋰離子到陰極/陽極以及鋰離子擴散所引起的物理性質變化的實例。
1．用作陽極的石墨和非晶硅吸收和解吸鋰離子而引起的體積膨脹與收縮、彈性模量和電子態密度的變化。
2．評估用作陰極的LiCoO2的體積模量。
3．評估鋰離子在固體電解質 LiZr2(PO4)3 (LZP) 中的擴散系數。
4．評估溶解鋰鹽的溶劑的相對介電常數。
5．電極漿料涂覆
圖 1 固體電解質 LZP 結構（左）和不同溫度下擴散系數的 Arrhenius 圖（右）
圖 2：用于陽極的石墨（左）和吸附鋰的 LiC6（右）之間的電子態密度差異
隨著全固態電池的商業化快速發展，電動汽車電池的研究和開發正轉向探索更多材料的可能性。因此，從探索各種材料（包括所有固態電解質）的角度來看，人們對材料模擬的期望越來越高。欲獲取全文鏈接，請與我們聯系。
展開 鋰離子電池膨脹仿真
大多數鋰離子電池模型都利用了多孔電極的均質域公式，同時求解同一域中的電極相電位和電解質相電位，并通過使用源項來定義電極反應。在這些模型中，使用額外維度模擬鋰擴散到固體電極粒子中，該維度表示電極中某一特定位置的平均粒子。在計算量相對較小時，這種建模方法具有很大優勢，大多數模型都可以僅用一維公式來表示電極厚度 （加上用于定義粒子擴散維度的額外維度）。但是，使用上述方法無法捕捉到某些現象。例如，上述粒子擴散模型本質上假定為笛卡爾對稱、圓柱形對稱或球形對稱，因此不允許模擬非常規粒子形狀的影響，也不允許模擬微觀和宏觀孔隙分布的影響。如果不對多孔電極執行均質化處理，而是在模型幾何中包含多孔電極的結構細節。這種模型稱為異構模型。本節描述使用三維幾何模擬的鋰離子單電池的特性，模型來自于層析成像數據，此模型可更真實的模擬電極狀態。在異構模型的基礎上，還可以將粒子中的鋰濃度分布與 “固體力學”接口中相應的體積膨脹以及由此產生的 von Mises 應力進行耦合，研究充放電此過程中鋰離子脫嵌導致的電芯膨脹。
展開 