鑫晟达：电池热管理技术未来发展趋势分析

自提出“双碳”政策以来，国内政府正致力于持续推动产业和能源结构调整。大力开发清洁能源成为了“破局”的关键。锂离子电池技术应运而生，但是，商用锂离子电池仍存在安全隐患，其电解质容易着火和泄漏，在热滥用、电滥用及机械滥用的情况下极易发生安全事故，已严重阻碍储能电池的发展。

据不完全统计，2022年上半年国内发生了近50起电动汽车自燃事故，2017-2022全球储能领域发生约70余起重大储能安全事故。

4月20日，鑫晟达智能装备首席专家、广东工业大学张国庆教授在2023起点储能电池技术论坛上直接指出，锂离子电池的热安全问题已经严重制约新能源行业的发展。

图：鑫晟达智能装备首席专家、广东工业大学教授 张国庆

张国庆教授表示，有试验数据表明，在高温存储环境下的电池，不可逆容量衰减越明显，并且随着时长增加，现象越明显。因此，加强动力及储能电池热管理及热安全技术升级迫在眉睫。

电池热管理技术未来发展趋势分析

目前主要的电池热管理技术有空气冷却、液体冷却以及PCM冷却，以上方法各有利弊。

比如空气冷却通常是在电池组周围安装局部散热器或风扇，也可利用蒸发器提供冷风。具有节能、轻质、低成本等优点，但散热效果和均温性较差。

液体冷却中主动式液冷系统通常由电动水泵、传感器、压缩机、冷凝器、蒸发器、换热器等部件组成。其系统结构非常复杂、维修难度高、能耗大、成本较高，但因其具备散热效果、均匀性好等方面的优势，倍受青睐。

动力电池相变材料（PCM）冷却系统则是利用PCM发生相变时所吸收的大量潜热来达到带走电池热量的目的。PCM冷却系统无需电池额外供应能量、系统质量较轻、散热和均温性能好，极具发展前景。但是，因其尚有技术壁垒未被攻克，该系统尚未被用于实际工程。目前该方面的研究热点是具备阻燃、防泄漏、高导热、定型等功能的工程PCM材料。

对此，张国庆教授认为，电池热管理技术的未来趋势主要有3个方向。

一是“浸没式冷却”，即将电池组中的电池部分或全部浸在冷却介质中，采用直接接触的方式。

接触式液冷具有多方优点。首先，冷却液将电芯完全包裹，最大程度的减小了冷却液与电芯之间的热阻；其次，浸没式冷却不需要复杂的流道设计，可以减少其运行时的不确定性，并降低维修难度；最后，采用不可燃的冷却介质，可以避免电池由于热失控而导致的火灾事故。

不过，张国庆教授同时提出，浸没式冷却目前还有许多难点待攻克。首先，设备重量过大，但储能领域对电池系统的重量并不敏感；其次，如何挑选合适的冷却液成为众多学者研究的主要目标，除了与BTMS功能及安全性直接相关的热物理性能与绝缘性能以外，环保、稳定、经济以及电化学反应等因素也应被纳入考察的范围。

二是“本征抗泄漏相变高分子材料”，采用原位聚合的方法制备带相变侧链高分子材料，实现固固相变的特性。

据介绍，该种材料在100次高低温循环后，其质量保持、潜热值均保持不变。另外，该材料能够在250℃下加热依旧保持良好的结构稳定性。

三是“阻燃相变高材料”，以高潜热石蜡为PCM，以丁苯-苯乙烯为载体材料，以膨胀石墨为助剂增强导热系数，并利用阻燃剂抑制热扩散和阻燃。

实验结果表明，含有15 wt%阻燃剂的阻燃柔性复合相变材料可以达到最佳的阻燃效果，其极限氧指数值可达35.9%。此外，阻燃柔性复合相变材料能够及时地吸收和传递电池的热量。

就以上技术，张国庆教授指出，他们团队目前推崇的是PCM冷却。PCM是相变冷却的技术，电池接触的时候，传热的边界条件，也就是温度都是一致的，这对保证电芯的一致性非常有用。目前，该团队已经开发出对应的PCM。

确保电芯一致性至关重要

在电池热管理中，如何确保电芯一致性，是行业共同需要面对的问题。因为电芯轻微的不一致，在长期的过程中都会造成局部被过充或者是过放，或者是产热不同。

张国庆教授表明，影响电芯一致性的因素与各个制造环节相关。

比如在涂布、辊压工艺环节中，浆料搅拌不均、涂布不均、含有杂质、烘干温度不均、压力分布不均等缺陷不仅会导致内部微短路，还会导致锂电池能密不一致，电池容量过低或过高，影响电池一致性，最终影响电池性能。

在分切、卷绕（叠片）工艺环节，极片宽度不一致、对齐度不良、极片错位、极组短路、隔膜褶皱等缺陷也会影响电池一致性，从而影响电池性能。

而电芯不一致将更有可能导致电池出现过充、过放的情况，加大电池安全问题。

张国庆教授表示，目前行业发展最大的误区是，过度追求能量密度、续航里程，没有把热安全和一致性相关所带来的安全问题放在适当的位置。

就好像现在企业追求的“电池车身一体化技术”，打破了传统的零部件分工，实现了多学科多领域的完美融合。但实际上也存在很多的问题，一是维修成本高：当受到较大强度的碰撞时，电池和车身可能会同时受到损害，致使维修成本上升；

二是密封难：该技术增加了电池进水造成短路的风险；三是安全性有待考量：搭载该技术的车型相对来说也比较少，而且缺乏市场考验。

因此，张国庆教授认为，整个行业应该共同思考电池一致性问题，加强电池热安全管理技术的重视程度，减少事故的发生。

总 结

清洁能源正在等待储能装置的拯救，在电池材料未取得突破性进展前，锂离子电池又亟需热管理系统的拯救。

张国庆教授在会议上总结说到，未来电池用热管理系统的发展趋势大体表现在：

1、不能以过多的电能消耗为代价，来满足系统的控温和均温等方面的需求；

2、需要具备基本的防火或灭火功能，例如：阻燃PCM可以很大程度上抑制热失控以火焰的形式在电池包内传播，浸没式液冷系统的工质本身不可燃烧，可以起到灭火的作用；

3、智能化的热管理系统：与传感器技术相结合，并连接云端，实时监控用户侧的电池使用数据，能够在电池发生热失控之前，做到提前预警，提前处置，将事故的损失讲降到最小；

4、动力电池和储能电池的热管理经验可相互借鉴，但又有些许不同，例如：动力电池领域对热管理系统的质量较为敏感；储能电池体积较大，除了需要考虑各单体间的温度一致性，还要考虑电池内部的温度一致性等。

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