如何高效地為電池散熱？
2020-08-05 新能源Leader鋰離子電池在工作過程由於歐姆熱、極化熱的存在，因此存在產熱的問題，特別是在大電流充放電的過程中，產熱現象更為明顯。這些熱量如果不能及時擴散，堆積在電池內部一方面會造成電池界面副反應的速度增加，另一方面熱量過度積累可能會引起電池熱失控，因此高效的散熱措施是功率型鋰離子電池設計必須要考慮的問題。
研究表明通過極耳散熱能夠更為高效的對電池進行散熱，但是這種散熱方式受到極耳與電芯之間的散熱瓶頸的限制。近日，英國帝國理工大學的Yan Zhao（第一作者）和Gregory J. Offer（通訊作者）等人建立了二維的電-熱多物理場熱模型對不同極耳尺寸的散熱效果進行了模擬，並採用不同的結構的商業電池進行了驗證，分析結果表明可以簡單的通過增加極耳的厚度和寬度的方式提升極耳散熱的效率。
實驗作者開發了上圖所示的二維熱-電多物理場模型，在模型中電池被分割為多個理想的單元電池塊，單元電池塊則採用等效電路模擬其電壓和電流反饋。
實驗中為了驗證模擬的結果，採用了 NCM622/石墨體系的16Ah軟包電池，電池的基本尺寸為117mm×101mm×11.5mm。為了模擬不同的散熱模式的效果，電池共計有下圖所示的幾種不同的極耳位置和尺寸。其中下圖a所示的為對照組電池S30，極耳的寬度為30mm，在電池的同一側，下圖b為實驗組電池，極耳寬度與對照組相同，但是極耳位於電池的兩端，下圖c為另外一種實驗組電池，極耳的寬度增加到70mm，並且分布在電池的兩端。
下圖為上述的三種極耳結構的電池在0.1C倍率下的放電曲線，可以看到在這一倍率下三種電池的放電容量和電壓曲線非常一致，這表明在這一較小的倍率下電池熱量積累較少，沒有對放電特性產生顯著的影響。
下圖為電池放電過程中電池極耳、表面和冷媒的溫度，下圖a為對負極極耳進行冷卻時的效果，從圖中能夠看到極耳寬度更寬的C70電池在放電的過程中，電池表面的溫度要比C30電池低2.3℃，負極耳的溫度則低1.5℃。當採用正極極耳散熱時（下圖b），C70電池中心表面溫度比C30電池低2℃，正極極耳處低0.7℃，這表明具有更寬極耳的電池具有更小的熱阻，能夠更快的通過極耳進行散熱。
下圖為採用不同的散熱方式下電池的平均溫度，其中對照組電池S30-S採用了其中一個表面的冷卻的方式，其餘的電池則採用了極耳冷卻的方式。電池充滿電後首先以5C倍率進行放電，然後以2C倍率再進行充電。
下圖中能夠看到採用電池表面冷卻的方式的電池平均溫度最低，在較低的電池溫度的影響下，該電池的放電時間也最短。採用極耳散熱的電池，當極耳寬度為30mm時電池的峰值溫度分別為45.5℃和44.5℃（S30和C30），而具有較寬極耳的C70電池的峰值溫度則明顯降低，相比於C30電池降低了約6℃，這也再次表明寬極耳能夠有效的提升電池的散熱效率。
為了進一步驗證不同的極耳結構對於電池散熱的影響，作者採用二維模型對於電池的產熱和散熱行為進行了模擬。下圖為擬合結果（紅色虛線）和實驗測試結果（黑線）的對比，從下圖a可以看到在表面冷卻的方式中，在S3點的最大誤差為1.5℃左右，對於採用極耳冷卻的C30電池在S1和S3位置的最大誤差分別為-1.5℃和1.9℃，這表明該模型能夠較為精確的預測電池內部的溫度分布。
下圖為採用上述模型預測的電池內部的溫度分布，擬合結果表明採用表面冷卻的電池在放電的過程中電池的平均溫度從20℃升高到了32℃，而採用極耳冷卻的電池則升高到了40℃，但是兩種電池在內部的溫度分布上存在著顯著的差異。對於表面冷卻的電池，表面和內部存在較大的溫度梯度，電池冷卻面和溫度最高點的溫度差達到11.6℃，而採用極耳冷卻的C70電池在整個放電的過程中最大溫差僅為2℃左右。
由於電池的內阻受到溫度很大的影響，因此當電池內部存在溫度梯度時也會導致電池內部阻抗的差異，從而影響充放電過程中的電流分布，從下圖b的電流分布圖中能夠看到，採用表面冷卻的電池在靠近冷卻面的一側放電電流僅為2.9C，顯著低於平均放電電流5C，而較熱的部分的放電電流則達到了7.1C，表明採用表面冷卻的電池內部出現了顯著的電流分布不均。而採用極耳冷卻的C70電池，內部的電流分布差異僅為0.52C左右，電流分布更為均勻，因此放電過程中電池內部不同部分的SoC也更為均勻，有利於提升電池的使用壽命。
上面的研究表明寬極耳能夠提供較好的散熱效果，並使得電池內部的溫度分布更為均勻，但是相比於具有更大面積的表面散熱，極耳的散熱能力還是相對較弱，因此作者又模擬了不同尺寸極耳對於散熱能力的影響，主要包括極耳的寬度、厚度和集流體的厚度。
下圖a展示的為極耳寬度對於電池散熱能力的影響，從圖中能夠看到極耳寬度從10mm增加到90mm，電池的平均溫度從44.5℃降低到了39.5℃，而因為電池極耳寬度的增加，電池的能量密度也從210Wh/kg降低到了207Wh/kg，電池在長度方向上的最大溫差從1℃增加到了2.4℃。
從下圖c可以看到當極耳的厚度從0.2mm增加到1mm，電池的平均溫度從40.4℃降低到了34.4℃，在電池長度方向上的最大溫差也從2℃提高到了3.7℃，由於極耳重量的增加，電池的能量密度從210Wh/kg降低到了197Wh/kg。
下圖d展示了集流體厚度對於電池散熱效果的影響，其中基礎組電池採用10um銅箔和20um的鋁箔，當集流體的厚度提升90%，電池的平均溫度僅僅降低了0.25℃，電池最大溫差也僅從2℃降低到了1.5℃，但是集流體厚度的增加卻導致電池能量密度降低到了177Wh/kg，這表明在70mm寬、0.2mm厚的極耳尺寸下，集流體厚度並非散熱的瓶頸環節，而真正的散熱瓶頸為極耳的橫截面的面積，當極耳厚度增加到1mm後，電池的散熱效果就可以與更大面積的表面散熱相媲美，並且具有更低小的溫度梯度。
上述的研究都是基於接近正方形的軟包電池，但是近年來電池逐漸向著長條形發展，因此作者也對長條型的電池的散熱特性進行了研究。為了改善極耳散熱的性能，作者設計了厚度為1.5mm，寬度為100mm的極耳，相比於0.2mm厚的極耳，電池的能量密度會降低3.6%。
採用這一設計的電池在1C充電時相比於表面散熱的電池，平均溫度僅高0.8℃，5C放電時僅比表面散熱的電池高2.1℃，但是極耳散熱的電池內部溫度梯度更小，在1C下內部最大溫差僅為3℃，在5C放電倍率下最大溫差也僅為10℃，要明顯低於表面散熱的電池。
Yan Zhao的研究表明僅僅是通過簡單的調整極耳的尺寸就能夠有效的提升電池通過極耳散熱的能力，達到與表面散熱類似的效果，同時保留極耳散熱更小的內部溫度梯度的優點，能夠有效的提升電池的循環壽命。
本文主要參考以下文獻，文章僅用於對相關科學作品的介紹和評論，以及課堂教學和科學研究，不得作為商業用途。如有任何版權問題，請隨時與我們聯繫。
How to Cool Lithium Ion Batteries: Optimising Cell Design using a Thermally Coupled Model, Journal of The Electrochemical Society, 166 (13) A2849-A2859 (2019), Yan Zhao, Laura Bravo Diaz, Yatish Patel, Teng Zhang and Gregory J. Offer
文/憑欄眺
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