鋰離子電池熱管理策略的綜合評述：從熱生成機制到先進的冷卻解決方案

鋰電聯盟會長 2025-10-29 08:00

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論文摘要

鋰離子電池（LIBs）憑借其高能量密度和效率，在交通領域脫碳進程中至關重要。然而，其長期性能和安全性關鍵取決于有效的熱管理，因為過度的熱量積聚可能引發熱失控等災難性故障。本綜述系統分析了鋰離子電池的熱動力學，首先闡述基本運行原理和熱量產生機制，隨后深入探究熱失控的觸發因素。接著，我們提出熱管理的雙路徑方法：內部策略聚焦于材料層面的改性，以減少熱量產生并增強熱傳導；外部策略則評估四種先進的冷卻技術，包括液體冷卻、相變材料、熱電模塊和熱管，并詳細討論它們的傳熱物理機制、效率以及實施挑戰。此外，針對熱失控蔓延問題，本文提出了合理的應對措施。為實現電池行為預測，文章在最后部分介紹了電池管理系統（BMS）以及兩種預測方法（基于模型的方法和基于人工智能的方法），同時還為鋰離子電池以外的電池系統（以鈉離子電池為例）提供了熱管理解決方案。通過整合理論見解與實際應用，本綜述不僅總結了鋰離子電池熱管理的最新研究進展，還為研究人員和工程師優化下一代儲能系統中的電池安全性和耐久性提供了切實可行的指導。

論文結論

鋰離子電池熱管理領域的最新進展展現出了前所未有的散熱能力與潛力，使該技術成為當代代能源應用中不可或缺的組成部分。本綜述系統梳理了熱管理策略，涵蓋鋰離子電池的工作原理、產熱機制，同時詳細闡述了熱失控的觸發因素及危害。文中對內部材料優化方案，以及液體冷卻、相變材料、熱電制冷器和熱管這四類關鍵的外部熱管理技術（包括其工作原理與優化策略）進行了全面評估。此外，本文還詳細介紹了電池管理系統（BMS）以及基于模型和人工智能驅動的預測策略，這些均有助于更高效地管理和控制電池運行。同時，文章針對電池熱蔓延問題提出了簡明的解決方案，并對鋰離子電池以外的其他電池系統的發展前景進行了展望。目前，鋰離子電池由于復雜的運行環境和不成熟的技術，面臨著重大的安全挑戰，這在實際應用中造成了關鍵的技術瓶頸。因此，新型電池材料和外部熱管理系統的持續開發至關重要。在材料方面，當前的研究重點是用于更安全電池的含氟溶劑和阻燃添加劑，盡管這些物質往往會損害電化學性能。未來的研究必須在電化學性能和高溫安全性之間取得平衡。像基于磷的阻燃添加劑會降低電解質電導率和循環壽命，因此需要開發無副作用的替代品。智能熱開關材料在高溫下能快速降低熱導率，在緩解熱蔓延方面顯示出前景，值得進一步研究。外部熱管理系統面臨著效率和可靠性方面的挑戰。液體冷卻系統會增加復雜性和重量，且在極端條件下性能會下降。相變材料存在熱導率低以及循環后出現泄漏的問題。石墨烯等高價材料阻礙了其在經濟型車輛中的廣泛應用。未來的工作應優先開發更高效、更穩定的外部熱解決方案。隨著能量密度的增加，產熱加劇，常常超出單一熱管理技術的能力范圍。考慮到單個方法固有的局限性，未來的研究將強調先進的集成熱管理系統，以提高電動汽車的安全性，同時繼續探索輕量化設計，以滿足嚴格的尺寸和重量要求。除了熱管理，主動的熱失控預防和先進的滅火系統對于電池安全也同樣至關重要。超聲成像等無損監測技術能夠檢測早期故障（如鋰沉積和微短路），從而實現及時干預。傳統的滅火方法被證明無法應對電池火災，需要開發新型滅火技術。總之，未來的熱管理系統將把智能預警、先進的熱調節和高效的滅火整合到綜合解決方案中。這種集成方法旨在在安全性、效率和成本效益方面取得突破，最終為鋰離子電池應用提供強有力的保護。

圖文摘取

圖1.引發熱失控的三種機制示意圖。(a) 電池在擠壓測試時內部結構的變化。(b) 電池過充時內部結構的變化。(c) 電池過放時內部結構的變化。

圖2.(a) 三種觸發機制之間的關系。 (b) 電池熱失控過程示意圖。 (c) 模組內電池氣體生成及熱失控傳播。

圖3.當前主流的電池熱管理方法

圖4.直接和間接液體冷卻中的熱傳遞形式與過程

圖5.(a) 浸沒式液體冷卻中的單相傳熱。(b) 浸沒式液體冷卻中的兩相傳熱。(c) 顯示氣泡動力學及隨過熱度 (ΔT) 變化的熱通量 (q) 變化的示意圖。

圖6. (a) 噴霧冷卻裝置及冷卻過程示意圖。 (b) 噴霧冷卻系統的典型冷卻曲線。 (c) 噴霧冷卻性能影響因素示意圖。 (d) 隨接觸面溫度升高液滴狀態示意圖。 (e) 多層銅微網表面噴涂冷卻示意圖。多層銅微網表面改善氣泡成核并增強液體供應。 (f) 傳統圓柱表面結構與 Janus 蘑菇結構液滴運動示意圖。 (g) 可噴涂多孔水凝膠涂層的制備過程。 (h) 間歇噴霧冷卻機制示意圖。

圖7. (a) 仿生魚骨通道結構。 (b) 蜿蜒通道結構及其優化。 (c) 蜘蛛網通道結構。 (d) 蝴蝶通道結構。 (e) ANN神經網絡結構及三種不同電池結構的最大溫度變化。 (f) 三種液體冷板結構與性能對比圖。
圖8. (a) 液冷板結合相變材料的結構示意圖。 (b) 液冷板、相變材料和散熱片組合結構示意圖。(c) 液冷板與熱管組合結構示意圖。 (d) 液冷板、微熱管 (MHPA) 和相變材料組合的混合冷卻結構示意圖。
圖9. (a) 兩種防泄漏方法（封裝和多孔吸附）。 (b) 提高熱導率的三種方法示意圖。(c) 以二氧化硅為框架制備相變材料中高熱導碳納米管的流程圖，以及兩種降低該方法引起的潛熱的方案流程圖。(d) 在石墨泡沫框架上生長碳化硅晶須以提高熱導率的制備流程圖。(e) PG泡沫的制備工藝示意圖。
圖10.(a) 熱電制冷器的結構及示意圖。(b) 性能系數（COP）、制冷性能 ΔT 與無量綱優值 ZT 之間的關系。(c) 目前最先進的散裝熱電材料的峰值 ZT 報告值。(d) 熱電參數之間的一般趨勢。S 對 n 的關系以及 (e) μ 對 n 的關系。
表1.熱電制冷器的關鍵性能指標
圖11. 通過結構改進或材料分布優化性能的熱電組件示意圖。(a) 優化熱電柱厚度的比例。(b) 優化熱電柱的形狀。(c) 優化熱電柱的材料分布。(d) 通過拓撲優化熱電柱材料。
圖12.(a) 四種常見熱管工作原理示意圖。(b) 復合芯的爆炸圖。 (c) 超疏水 (SHo)、超親水 (SHi) 和疏水 (Ho) 石墨烯納米片 (GNPs) 表面在蒸發過程中的潤濕狀態變化。
表2.四種熱管理策略（TMS）的測量指標
圖13. (a) 鋰離子電池 BMS 框架圖。 (b) 電-熱-老化機械模型耦合。 (c) BatLiNet的數據流。 (d) BatteryML概述。