能降温的锂电池才是走业的益电池

  来源:Nature自然科研

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

在德国慕尼暗附近的宝马汽车钻研中央,技术人员正在处理电池原料。来源:宝马集团在德国慕尼暗附近的宝马汽车钻研中央,技术人员正在处理电池原料。来源:宝马集团

  锂离子电池会发炎,而且很难使其保持阴凉。在以前的十年里,工业界对这个题目几乎置之度外。他们的钻研重点放在其他地方:如何降矮成本并挑高电池组中单个电池能够存储的能量(能量密度)。这栽策略挑高了手机的行使寿命和性能。但是在异日的行使中,如电动汽车和智能电网,一个电池组必要包含数千个电池。电池容易过炎的题目值得偏重。

  大型高能电池组的制造商必须设计复杂的编制来管理炎量。例如,电动汽车制造商特斯拉Model 3车型的电池组所承载的能量超过了6000部iPhone 11。冷却液始末管道网络泵送,将炎量从单个电池中带走。但这些笨重的附添组件不光增补了电池组重量,还会消耗它的能量。开发人员在这些矮效的设计上铺张了太多时间和金钱。为了使电池组既灵活又兴旺,必须改进其散炎策略。

  为什么散炎策略如此匮乏关注呢?一个因为是异国标准的手段来评估电池组的炎性能。单个电池的制造商一连探索更高的能量密度。他们的产品规特殊并未表明单个电池的散炎容易水平。所以,电池组的设计者无法预先清新单个电池会产生多少炎量。他们在设计上投时兴间和金钱后才发现散炎题目,但已经太晚了。

  锂离子电池走业的周围展望将在异日10年扩大两倍。在炎管理方面迫切必要顺序式改进。行使成熟的技术能够敏捷实现这一现在的。

  第一步是让电池走业通知通例的炎管理。为此,吾们开发了一个标准化的性能度量标准。它能够比较分歧的电化学电池,能够行使电池实验室中现成的设备进走测量。在每个电池规特殊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。

  炎管理

  走业领先的汽车企业正在大力投资和开发更益的电池组。往年仅宝马一家就投入了2.3亿美元,在德国慕尼暗附近开设电池钻研中央。每家公司都采用分歧的电池设计,并探索本身的冷却策略。

  总的来说,有三栽炎管理编制。

  空气冷却。雷诺ZOE和日产LEAF这两款汽车的电池始末空气吹过其形式来散炎。这栽手段对于固定的能量存储能够充满了,比如为家庭供电的电池,但它的散炎速率很矮。异日的电动汽车、远程运输和重型越野车的电池组请求散炎更快,由于它们的性能在逐年挑高。

  液体冷却。特定体积液体的散炎能力大约是一致体积空气的1000倍。电池能够浸入起伏的液体中,或液体始末包裹电池的通道间接冷却。浸泡是最有效的,但是必要腾贵的介电介质液体来降矮电池组短路的风险。所以,电动汽车清淡采用冷却通道的手段。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。浸液和冷却通道的手段都会消耗能量,由于必要冷却液在电池周围起伏得充满快。

  相变冷却。一些原料,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摄取炎量,而不会自身变炎。电池能够浸入或涂上这栽原料来吸炎。许多团队都在钻研这栽手段,由于它比空气或液体冷却耗能更少,散炎更均匀。然而,这栽手段有一个基本的节制。相变原料不会传导炎量,他们只是把它蓄积首来而已。所以,一切的相变设计都必要一个额外的冷却编制来将炎量从电池组中带走。

  设计难点

  设计师必要为他们的行使选择最益的冷却手段,并用到正确的地方。倘若他们不如许做,电池组就会特意矮效,挑供的有效能量缩短,并且敏捷退化。而选择冷却电池的哪个区域是最难得的决定。

  一切电池都由分歧的原料层构成:电极、电解质、别离器和电流搜集器。这些层能够被夹在一首,如柔包电池;也能够卷弯成“果冻卷”,如圆柱形和方形电池(见“保持阴凉”)。

来源:Claire Welsh/《自然》来源:Claire Welsh/《自然》

  电流始末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”。集流器是由易传炎的金属制成的。但是,专业的装修设计平台、装修队、家装设计师等信息。公司提供免费量房由于电极、电解液和别离器都是绝炎原料,电池各层之间的炎量传递很慢。换句话说,平走于这些层的炎传递比穿过它们的炎传递要快[1]。

  电池的电化学性能对温度敏感;在高温下,电流的电阻要矮得多。所以,为了电池的有效和安详,每一层都答该袒露在相通的炎条件下。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分歧。这栽情况下,从电池中输出的能量更少,由于较炎的层消耗能量的速度更快,会有一些能量留在较冷的层中。而且当每一层袒露在分歧流速的电流中时,电池退化得更快。

  只有当炎量以相通的速率从每一层中往除时,它们才能够有相通的炎条件。而形式冷却做不到这一点,由于它会产生温度梯度。

  始末连接到每一层的凸耳进走散炎能够使整个电池均匀冷却。凶运的是,凸耳冷却无法行使到现在的锂离子电池中。凸耳清淡彼此靠得太近,而且太幼、太薄,无法为每一层带走充满的炎量。所以,始末凸耳散炎的电池依旧会过炎,存在隐患。

  关键指标

  最大的题目也是最实际的:世界上还不存在能在任何地方容易复制的电化学电池的炎性能指标,同时又不揭露电池设计或制造等商业敏感新闻。

  在电池走业中,异国益的或通用的手段来测量电池的炎性能。传炎行家青睐毕渥数,它描述了物体始末和散发炎量的能力。死板工程师更爱炎传导和导炎系数的定义;它们定义了在给定的温度梯度下,某栽原料所能达到的传炎速率。

德国大多的员工正在拼装ID。 3电动汽车的下半车身和电池。图片来源:Ronny Hartman/AFP/Getty德国大多的员工正在拼装ID。 3电动汽车的下半车身和电池。图片来源:Ronny Hartman/AFP/Getty

  这些手段都不及计算电池做事时的温度梯度,由于电化学电池的整个体积都会产生自身炎量。倘若不清新单个电池的温度梯度,就不能够为包含1000个电池的电池组设计炎管理编制。

  吾们挑出了一栽称为电池冷却系数(cell cooling coefficient)的指标,能够用来描述做事中的电池的温度梯度,单位是瓦特每开尔文。一个电池采用形式冷却或凸耳冷却的电池冷却系数分歧,由于每栽手段都会产生分歧的温度梯度。这个系数能够通知设计师对电池组中选定的电池炎量进走管理的难度。

  吾们的冷却系数能够在实验室直接测量。钻研人员能够让电池产生电化学炎,然后行使温度传感器确定电池的温度梯度。电池的炎量亏损能够用炎流传感器来测量。对于形式冷却,即电池的一侧已冷却而另一侧仍是炎的时,电池的冷却系数能够始末用炎散失率除以炎侧到冷侧的温度梯度来计算。

  电池的冷却系数越大越益。这意味着更多的炎量能够被移走,电池内部仅有一个幼的温度梯度。在吾们钻研的电池中,大的柔包电池外现最益,如日产LEAF的电池的冷却系数挨近5 W K-1(参考文献9)。幼的圆柱形电池差一点,如特斯拉Model 3中的电池,冷却系数矮于0.5 W K-1(首先尚未发外)。

  倘若产品外现不如竞争对手,一些电池制造商能够会指斥行使炎性能指标。有些指斥者会说增补一个变量会使优化电池设计的制定复杂化,增补时间和成本。但吾们评估过,这个指标只必要额外两个幼时的测试,而清淡分歧类型的电池的外征测试就要消耗数天。而且那些采用该指标的制造商在竞争中也更占上风。

  下一步

  吾们呼吁钻研人员和工程师对电池冷却系数进走通例测量和通知。吾们的指标答该和其他典型的电池通知指标,如能量容量和放电率,一首纳入发外文献中。

  设计人员在评估电池能量密度和功率时,答同时评估其炎性能,以确定哪栽电池最正当他们的电池组。他们答该在设计确定前的早期阶段如许做。计算机模拟能够有助于评估电池的潜能。晓畅电池冷却系数将有助于设计师评估炎管理和能量密度之间的权衡,挑高整个电池组的做事性能。

  在电池走业竞争如此强烈的情况下,能够保持电池阴凉的制造商将会有清明的异日。

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