能降溫的鋰電池才是行業的好電池
2020年07月13日13:49

  來源:Nature自然科研

  原文作者:Gregory Offer, Yatish Patel, Alastair Hales, Laura Bravo Diaz & Mohamed Marzook

在德國慕尼黑附近的寶馬汽車研究中心,技術人員正在處理電池材料。來源:寶馬集團
在德國慕尼黑附近的寶馬汽車研究中心,技術人員正在處理電池材料。來源:寶馬集團

  鋰離子電池會發熱,而且很難使其保持涼爽。在過去的十年里,工業界對這個問題幾乎視而不見。他們的研究重點放在其他地方:如何降低成本並提高電池組中單個電池可以存儲的能量(能量密度)。這種策略提高了手機的使用壽命和性能。但是在未來的應用中,如電動汽車和智能電網,一個電池組需要包含數千個電池。電池容易過熱的問題值得重視。

  大型高能電池組的製造商必須設計複雜的系統來管理熱量。例如,電動汽車製造商TeslaModel 3車型的電池組所承載的能量超過了6000部iPhone 11。冷卻液通過管道網絡泵送,將熱量從單個電池中帶走。但這些笨重的附加組件不僅增加了電池組重量,還會消耗它的能量。開發人員在這些低效的設計上浪費了太多時間和金錢。為了使電池組既輕便又強大,必須改進其散熱策略。

  為什麼散熱策略如此缺乏關注呢?一個原因是沒有標準的方法來評估電池組的熱性能。單個電池的製造商不斷追求更高的能量密度。他們的產品規格表並未說明單個電池的散熱容易程度。因此,電池組的設計者無法預先知道單個電池會產生多少熱量。他們在設計上投入時間和金錢後才發現散熱問題,但已經太晚了。

  鋰離子電池行業的規模預計將在未來10年擴大兩倍。在熱管理方面迫切需要循序式改進。使用成熟的技術可以迅速實現這一目標。

  第一步是讓電池行業報告常規的熱管理。為此,我們開發了一個標準化的性能度量標準。它可以比較不同的電化學電池,可以使用電池實驗室中現成的設備進行測量。在每個電池規格表裡納入這一指標將有利於競爭,進而改善無反池設計和電池組性能。

  熱管理

  行業領先的汽車企業正在大力投資和開發更好的電池組。去年僅寶馬一家就投入了2.3億美元,在德國慕尼黑附近開設電池研究中心。每家公司都採用不同的電池設計,並探索自己的冷卻策略。

  總的來說,有三種熱管理系統。

  空氣冷卻。雷諾ZOE和日產LEAF這兩款汽車的電池通過空氣吹過其表面來散熱。這種方法對於固定的能量存儲可能足夠了,比如為家庭供電的電池,但它的散熱速率很低。未來的電動汽車、長途運輸和重型越野車的電池組要求散熱更快,因為它們的性能在逐年提高。

  液體冷卻。特定體積液體的散熱能力大約是同等體積空氣的1000倍。電池可以浸入流動的液體中,或液體通過包裹電池的通道間接冷卻。浸泡是最有效的,但是需要昂貴的介電介質液體來降低電池組短路的風險。因此,電動汽車一般採用冷卻通道的方式。譬如,Tesla就採用將裝有液態丙二醇的管道包裹在圓柱形電池上。浸液和冷卻通道的方法都會消耗能量,因為需要冷卻液在電池周圍流動得足夠快。

  相變冷卻。一些材料,如美國3M科技公司生產的Novec流體,在從固體變為液體或從液體變為氣體時能夠吸收熱量,而不會自身變熱。電池可以浸入或塗上這種材料來吸熱。很多團隊都在研究這種方法,因為它比空氣或液體冷卻耗能更少,散熱更均勻。然而,這種方法有一個基本的限製。相變材料不會傳導熱量,他們只是把它儲存起來而已。因此,所有的相變設計都需要一個額外的冷卻系統來將熱量從電池組中帶走。

  設計難點

  設計師需要為他們的應用選擇最好的冷卻方法,並用到正確的地方。如果他們不這樣做,電池組就會非常低效,提供的有用能量減少,並且迅速退化。而選擇冷卻電池的哪個區域是最困難的決定。

  所有電池都由不同的材料層組成:電極、電解質、分離器和電流收集器。這些層可以被夾在一起,如軟包電池;也可以捲曲成“果凍卷”,如圓柱形和方形電池(見“保持涼爽”)。

來源:Claire Welsh/《自然》
來源:Claire Welsh/《自然》

  電流通過集流器流入和流出電池,集流器連接到電池的正極和負極,或“凸耳”。集流器是由易傳熱的金屬製成的。但是,由於電極、電解液和分離器都是絕熱材料,電池各層之間的熱量傳遞很慢。換句話說,平行於這些層的熱傳遞比穿過它們的熱傳遞要快[1]。

  電池的電化學性能對溫度敏感;在高溫下,電流的電阻要低得多。因此,為了電池的有效和穩定,每一層都應該暴露在相同的熱條件下。每一層與下一層之間的溫度梯度意味著每一層的運作略有不同。這種情況下,從電池中輸出的能量更少,因為較熱的層消耗能量的速度更快,會有一些能量留在較冷的層中。而且當每一層暴露在不同流速的電流中時,電池退化得更快。

  只有當熱量以相同的速率從每一層中去除時,它們才可能有相同的熱條件。而表面冷卻做不到這一點,因為它會產生溫度梯度。

  通過連接到每一層的凸耳進行散熱可以使整個電池均勻冷卻。不幸的是,凸耳冷卻無法應用到現在的鋰離子電池中。凸耳通常彼此靠得太近,而且太小、太薄,無法為每一層帶走足夠的熱量。因此,通過凸耳散熱的電池仍然會過熱,存在隱患。

  關鍵指標

  最大的問題也是最實際的:世界上還不存在能在任何地方輕易複製的電化學電池的熱性能指標,同時又不揭露電池設計或製造等商業敏感信息。

  在電池行業中,沒有好的或通用的方法來測量電池的熱性能。傳熱專家青睞畢渥數,它描述了物體通過和散發熱量的能力。機械工程師更喜歡熱傳導和導熱係數的定義;它們定義了在給定的溫度梯度下,某種材料所能達到的傳熱速率。

德國大眾的員工正在組裝ID。 3電動汽車的下半車身和電池。圖片來源:Ronny Hartman/AFP/Getty
德國大眾的員工正在組裝ID。 3電動汽車的下半車身和電池。圖片來源:Ronny Hartman/AFP/Getty

  這些方法都不能計算電池工作時的溫度梯度,因為電化學電池的整個體積都會產生自身熱量。如果不知道單個電池的溫度梯度,就不可能為包含1000個電池的電池組設計熱管理系統。

  我們提出了一種稱為電池冷卻係數(cell cooling coefficient)的指標,可以用來描述工作中的電池的溫度梯度,單位是瓦特每開爾文。一個電池採用表面冷卻或凸耳冷卻的電池冷卻係數不同,因為每種方法都會產生不同的溫度梯度。這個係數可以告訴設計師對電池組中選定的電池熱量進行管理的難度。

  我們的冷卻係數可以在實驗室直接測量。研究人員可以讓電池產生電化學熱,然後使用溫度傳感器確定電池的溫度梯度。電池的熱量損失可以用熱流傳感器來測量。對於表面冷卻,即電池的一側已冷卻而另一側仍是熱的時,電池的冷卻係數可以通過用熱散失率除以熱側到冷側的溫度梯度來計算。

  電池的冷卻係數越大越好。這意味著更多的熱量可以被移走,電池內部僅有一個小的溫度梯度。在我們研究的電池中,大的軟包電池表現最好,如日產LEAF的電池的冷卻係數接近5 W K-1(參考文獻9)。小的圓柱形電池差一點,如TeslaModel 3中的電池,冷卻係數低於0.5 W K-1(結果尚未發表)。

  如果產品表現不如競爭對手,一些電池製造商可能會反對使用熱性能指標。有些反對者會說增加一個變量會使優化電池設計的協議複雜化,增加時間和成本。但我們評估過,這個指標只需要額外兩個小時的測試,而通常不同類型的電池的表徵測試就要花費數天。而且那些採用該指標的製造商在競爭中也更占優勢。

  下一步

  我們呼籲研究人員和工程師對電池冷卻係數進行常規測量和報告。我們的指標應該和其他典型的電池報告指標,如能量容量和放電率,一起納入發表文獻中。

  設計人員在評估電池能量密度和功率時,應同時評估其熱性能,以確定哪種電池最適合他們的電池組。他們應該在設計確定前的早期階段這樣做。計算機模擬可能有助於評估電池的潛能。瞭解電池冷卻係數將有助於設計師評估熱管理和能量密度之間的權衡,提高整個電池組的工作性能。

  在電池行業競爭如此激烈的情況下,能夠保持電池涼爽的製造商將會有光明的未來。

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