能降温的锂电池才是行业的好电池

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

在德国慕尼黑附近的宝马（BMW）汽车研究中心，技术人员正在处理电池材料。来源：宝马集团

锂离子电池会发热，而且很难使其保持凉爽。在过去的十年里，工业界对这个问题几乎视而不见。他们的研究重点放在其他地方：如何降低成本并提高电池组中单个电池可以存储的能量（能量密度）。这种策略提高了手机的使用寿命和性能。但是在未来的应用中，如电动汽车和智能电网，一个电池组需要包含数千个电池。电池容易过热的问题值得重视。

大型高能电池组的制造商必须设计复杂的系统来管理热量。例如，电动汽车制造商特斯拉（Tesla）Model 3车型的电池组所承载的能量超过了6000部iPhone 11。冷却液通过管道网络泵送，将热量从单个电池中带走。但这些笨重的附加组件不仅增加了电池组重量，还会消耗它的能量[1]。开发人员在这些低效的设计上浪费了太多时间和金钱。为了使电池组既轻便又强大，必须改进其散热策略。

为什么散热策略如此缺乏关注呢?一个原因是没有标准的方法来评估电池组的热性能。单个电池的制造商不断追求更高的能量密度。他们的产品规格表并未说明单个电池的散热容易程度。因此，电池组的设计者无法预先知道单个电池会产生多少热量。他们在设计上投入时间和金钱后才发现散热问题，但已经太晚了。

锂离子电池行业的规模预计将在未来10年扩大两倍[2]。在热管理方面迫切需要循序式改进。使用成熟的技术可以迅速实现这一目标。

第一步是让电池行业报告常规的热管理。为此，我们开发了一个标准化的性能度量标准[3,4]。它可以比较不同的电化学电池，可以使用电池实验室中现成的设备进行测量。在每个电池规格表里纳入这一指标将有利于竞争，进而改善单电池设计和电池组性能。

行业领先的汽车企业正在大力投资和开发更好的电池组。去年仅宝马一家就投入了2.3亿美元，在德国慕尼黑附近开设电池研究中心（见 go.nature.com/2asxytj）。每家公司都采用不同的电池设计，并探索自己的冷却策略。

总的来说，有三种热管理系统。

空气冷却。雷诺ZOE和日产LEAF这两款汽车的电池通过空气吹过其表面来散热。这种方法对于固定的能量存储可能足够了，比如为家庭供电的电池，但它的散热速率很低。未来的电动汽车、长途运输和重型越野车的电池组要求散热更快，因为它们的性能在逐年提高。

液体冷却。特定体积液体的散热能力大约是同等体积空气的1000倍[5]。电池可以浸入流动的液体中，或液体通过包裹电池的通道间接冷却。浸泡是最有效的，但是需要昂贵的介电介质液体来降低电池组短路的风险。因此，电动汽车一般采用冷却通道的方式。譬如，特斯拉就采用将装有液态丙二醇的管道包裹在圆柱形电池上[6]。浸液和冷却通道的方法都会消耗能量，因为需要冷却液在电池周围流动得足够快。

相变冷却。一些材料，如美国3M科技公司生产的Novec流体，在从固体变为液体或从液体变为气体时能够吸收热量，而不会自身变热。电池可以浸入或涂上这种材料来吸热。很多团队都在研究这种方法，因为它比空气或液体冷却耗能更少，散热更均匀[7]。然而，这种方法有一个基本的限制。相变材料不会传导热量，他们只是把它储存起来而已。因此，所有的相变设计都需要一个额外的冷却系统来将热量从电池组中带走。

设计师需要为他们的应用选择最好的冷却方法，并用到正确的地方。如果他们不这样做，电池组就会非常低效，提供的有用能量减少，并且迅速退化。而选择冷却电池的哪个区域是最困难的决定。

所有电池都由不同的材料层组成：电极、电解质、分离器和电流收集器。这些层可以被夹在一起，如软包电池；也可以卷曲成“果冻卷”，如圆柱形和方形电池（见“保持凉爽”）。

来源：Claire Welsh/《自然》

电流通过集流器流入和流出电池，集流器连接到电池的正极和负极，或“凸耳”。集流器是由易传热的金属制成的。但是，由于电极、电解液和分离器都是绝热材料，电池各层之间的热量传递很慢。换句话说，平行于这些层的热传递比穿过它们的热传递要快[1]。

电池的电化学性能对温度敏感；在高温下，电流的电阻要低得多。因此，为了电池的有效和稳定，每一层都应该暴露在相同的热条件下。每一层与下一层之间的温度梯度意味着每一层的运作略有不同。这种情况下，从电池中输出的能量更少，因为较热的层消耗能量的速度更快，会有一些能量留在较冷的层中。而且当每一层暴露在不同流速的电流中时，电池退化得更快[1,8]。

只有当热量以相同的速率从每一层中去除时，它们才可能有相同的热条件。而表面冷却做不到这一点，因为它会产生温度梯度[1]。

通过连接到每一层的凸耳进行散热可以使整个电池均匀冷却[1,8]。不幸的是，凸耳冷却无法应用到现在的锂离子电池中。凸耳通常彼此靠得太近，而且太小、太薄，无法为每一层带走足够的热量。因此，通过凸耳散热的电池仍然会过热，存在隐患。

最大的问题也是最实际的：世界上还不存在能在任何地方轻易复制的电化学电池的热性能指标，同时又不揭露电池设计或制造等商业敏感信息。

在电池行业中，没有好的或通用的方法来测量电池的热性能。传热专家青睐毕渥数（Biot number），它描述了物体通过和散发热量的能力。机械工程师更喜欢热传导和导热系数的定义；它们定义了在给定的温度梯度下，某种材料所能达到的传热速率。

德国大众（Volkswagen）的员工正在组装ID. 3电动汽车的下半车身和电池。图片来源：Ronny Hartman/AFP/Getty

这些方法都不能计算电池工作时的温度梯度，因为电化学电池的整个体积都会产生自身热量。如果不知道单个电池的温度梯度，就不可能为包含1000个电池的电池组设计热管理系统。

我们提出了一种称为电池冷却系数（cell cooling coefficient）的指标[3,4]，可以用来描述工作中的电池的温度梯度，单位是瓦特每开尔文(W K^-1)。一个电池采用表面冷却或凸耳冷却的电池冷却系数不同，因为每种方法都会产生不同的温度梯度。这个系数可以告诉设计师对电池组中选定的电池热量进行管理的难度。

我们的冷却系数可以在实验室直接测量。研究人员可以让电池产生电化学热，然后使用温度传感器确定电池的温度梯度。电池的热量损失可以用热流传感器来测量。对于表面冷却，即电池的一侧已冷却而另一侧仍是热的时，电池的冷却系数可以通过用热散失率除以热侧到冷侧的温度梯度来计算。

电池的冷却系数越大越好。这意味着更多的热量可以被移走，电池内部仅有一个小的温度梯度。在我们研究的电池中，大的软包电池表现最好，如日产LEAF的电池的冷却系数接近5 W K^-1(参考文献9)。小的圆柱形电池差一点，如特斯拉Model 3中的电池，冷却系数低于0.5 W K^-1（结果尚未发表）。

如果产品表现不如竞争对手，一些电池制造商可能会反对使用热性能指标。有些反对者会说增加一个变量会使优化电池设计的协议复杂化，增加时间和成本。但我们评估过，这个指标只需要额外两个小时的测试，而通常不同类型的电池的表征测试就要花费数天。而且那些采用该指标的制造商在竞争中也更占优势。

我们呼吁研究人员和工程师对电池冷却系数进行常规测量和报告。我们的指标应该和其他典型的电池报告指标，如能量容量和放电率，一起纳入发表文献中。

设计人员在评估电池能量密度和功率时，应同时评估其热性能，以确定哪种电池最适合他们的电池组。他们应该在设计确定前的早期阶段这样做。计算机模拟可能有助于评估电池的潜能。了解电池冷却系数将有助于设计师评估热管理和能量密度之间的权衡，提高整个电池组的工作性能。

在电池行业竞争如此激烈的情况下，能够保持电池凉爽的制造商将会有光明的未来。