锂电池双策略热管理系统：浸没式冷却与形状稳定相变材料的融合

论文信息：

Jie Mei, Guoqing Shi, Mingyi Chen, Bohong Wang, Dingding Yang, Qing Li, Yi Zhang, Weiguang An.A dual-strategy thermal management system for lithium-ion battery: integrating immersion cooling with shape-stable phase change materials.Applied Thermal Engineering 290 (2026) 130001.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2026.130001

PART1

研究背景

锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和环境友好性，广泛应用于电动汽车和储能系统。然而，电池性能对温度高度敏感：低温下电解液粘度增加、锂离子迁移速率下降，导致容量衰减；高温下副反应加速，可能引发热失控，造成火灾或爆炸事故。理想的电池工作温度范围为20–40°C，且单体间温差应控制在5°C以内。传统的热管理方式如空气冷却、液冷和热管冷却各有局限：空气冷却散热能力有限，液冷和热管结构复杂且存在温度不均问题。相变材料利用潜热吸收热量，具有被动冷却、温度均匀性好等优点，但存在导热率低、易泄漏和形状不稳定等挑战。为此，本文设计并优化了一种兼具高导热性和形状稳定性的复合相变材料，并将其与浸没式液冷耦合，构建高效混合热管理系统。

PART2

研究内容

形状稳定相变材料的制备与优化：以石蜡为相变基材，膨胀石墨构建导热骨架，六方氮化硼提升导热性能，环氧树脂确保形状稳定。通过调控各组分配比，制备了SPCM0至SPCM3四种材料。SEM显示PA均匀吸附于EG孔隙中（图1），XRD证实各组分仅为物理混合（图2）。 leakage测试表明，SPCM3在70°C下2小时质量保留率达99.8%，形状稳定性最佳（图3）。BN的加入使SPCM3导热系数达1.23 W/m·K，较纯PA提升363%；抗压强度达6.05 MPa，较无BN样品提升20.7%（图4、5）。DSC显示SPCM3相变焓为83.5 J/g，相变温度范围适合电池热管理（图6）。TG-DTG分析表明SPCM3热稳定性优于纯PA（图7）。

图1. (a) EG、(b) PA、(c) PA/EG、(d) SPCM1、(e) SPCM2、(f) SPCM3的SEM图像。

图2. SPCM 的 XRD 模式。

图3. (a) 泄漏现象，(b) 质量泄漏率。

图4. 各种SPCMs的最大抗压强度对比。

图5. 不同相变材料（SPCMs）的导热系数示意图。

图6. 不同SPCMs的DSC曲线。

图7. (a) 不同SPCMs的TG曲线与(b) DTG 曲线。

单体与模组热管理性能：在25°C下对单体电池进行1C–3C充放电测试，未加SPCM时3C放电温度达54.7°C，超出安全阈值；SPCM3包裹后温度降低31.1%（图8）。在4串2并电池模组中，中心电池（4、5号）散热困难，3C放电时未加SPCM模组最高温达55.3°C，温差达10°C；SPCM3包裹后最高温降至39.8°C，温差降至7.1°C（图9、10）。表明SPCM3虽能降低温度，但内部温差仍需进一步控制。

图8. 25℃下不同测试条件下的电池表面温度：(a)、(b)和(c)分别对应1C、2C和3C的放电速率，(d)为测试期间电池的峰值表面温度。

图9. 电池组在25°C放电时的最大温度及最大温差：(a)、(b)和(c)分别对应1C、2C和3C放电速率，(d)为3C放电速率下的电池组温度曲线。

图10. (a) SPCM3电池组在25°C下3C倍率下的温度曲线，(b) SPCM3对电池组最高温度及电池间温差的影响。

混合热管理系统优化：将SPCM3与浸没式液冷耦合，采用变压器油作为冷却液。实验优化了流量和通道配置：在3C放电、25°C环境下，2500 ml/h双通道配置效果最佳，最高温降至35.8°C，温差仅1.9°C（图11）。循环测试（3C放电/0.5C充电三周期）显示系统稳定性良好，最高温与温差波动小（图12）。在40°C高温环境下，单独SPCM3已无法将电池控制在理想范围，耦合系统则能将最高温控制在47.2°C，温差1.7°C（图13）。

图11. 液冷流速对电池组温度的影响：(a) 最高温度，(b) 最大温差。

图12. 充放电循环过程中电池组的温度变化特性：(a) 最高温度；(b) 最大温差。

图13. 电池组在40°C下的热管理性能：(a) 仅使用SPCM3，(b) SPCM3与浸没式液体冷却耦合。

传热机制分析：基于能量守恒和牛顿冷却定律，计算了电池自发热量及向SPCM的传热量。结果表明，中心电池因散热受限，向SPCM传热量低于边缘电池（图14）。混合系统中，液冷恢复了部分SPCM潜热，且各电池向SPCM传热量的差异减小（图15），解释了温度均匀性提升的原因。

图14. (a) 单个电池放电过程中向不同固态相变材料（SPCM）传递的热量，(b) 电池组内各电池向SPCM3传递的热量。

图15. (a)SPCM3在不同放电速率（25℃）下浸没冷却的Qspcm，(b) SPCM 与耦合系统（40℃）的Qspcm对比。

PART3

总结与展望

本研究成功制备了兼具高导热、高抗压和形状稳定的复合相变材料SPCM3，并将其与浸没式液冷耦合，构建了高效的混合热管理系统。主要结论如下：

SPCM3具有优异的热物理性能：导热系数1.23 W/m·K，抗压强度6.05 MPa，形状稳定性好，相变焓83.5 J/g。

单独使用SPCM3可显著降低单体电池温度，但模组内部温差仍需改善。

耦合浸没式液冷后，在3C放电下最高温降至35.8°C，温差仅1.9°C，且在循环和高温环境下均表现稳定。

传热分析揭示了液冷恢复SPCM潜热、提升温度均匀性的机制。未来可进一步探索更低粘度、更高导热系数的冷却液，优化流道设计，并研究该混合系统在快充工况及极端环境下的长期可靠性。该研究为高能量密度锂电池的高效热管理提供了新思路。

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