基于3D金属晶格夹层的棱柱电池模块多物理场均匀性优化研究

为解决锂离子电池模块中机械/温度场分布不均导致的寿命衰减问题，研究人员创新设计了一种等刚度3D金属晶格夹层结构。通过ABAQUS和FLOEFD联合仿真优化，该结构使单电池间压力与温度不均匀系数分别降低90.8%和35.6%，模块容量衰减率下降18.7%，为提升电池安全性与寿命提供了新思路。

　　

随着电动汽车和储能系统的快速发展，锂离子电池(LIBs)因其高能量密度成为核心动力来源。然而，电池模块在实际运行中面临严峻挑战：多个单体电池串联并联组成的模块，由于内部复杂的多物理场耦合作用，会产生显著的温度和机械应力分布不均。这种不均匀性不仅加速电池容量衰减，还可能引发热失控等安全问题。研究表明，模块内单电池间的温度差异每增加5°C，循环寿命可能缩短一倍；而机械应力不均则会导致局部结构变形，进一步恶化电化学性能。如何通过结构设计优化实现多物理场均匀分布，成为突破电池技术瓶颈的关键。

针对这一难题，中国科学院过程工程研究所的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表了一项创新研究。他们受"以刚克刚"理念启发，开发出具有等刚度特性的三维金属晶格夹层结构，将其应用于棱柱电池模块中，显著改善了温度和压力分布的均匀性。这项研究不仅提出了全新的模块设计思路，更通过实验验证使单电池间压力不均匀系数降低90.8%，温度不均匀系数下降35.6%，模块容量衰减率减少18.7%，为提升电池系统安全性和寿命提供了重要技术路径。

研究团队主要采用三种关键技术方法：1)通过ABAQUS软件对四面体、金字塔型和Kagome型晶格结构进行力学性能仿真比较；2)利用FLOEFD流体仿真软件优化晶格内部流道设计；3)采用嵌入式薄膜温度映射传感器(含32个测点)实时监测模块温度场分布。实验样本采用尺寸为220 * 102.5 * 33.2 mm的商用棱柱电池构建模块。

温度场测量
研究团队在模块循环测试前嵌入了铜基薄膜温度传感器网络。该传感器尺寸与电池相当，包含32个均匀分布的测温点，可精确捕捉电池表面温度分布。测试数据显示，传统平板结构的温度不均匀系数为0.045°C²，而晶格夹层结构降至0.029°C²，证明晶格结构能有效改善热场均匀性。

非均匀温度场分析
通过对首周充放电循环的温度监测发现，晶格结构独特的流道设计显著提升了冷却效率。蛇形流道与金字塔型晶格的组合，既保证了结构刚度，又通过增大换热面积使热量更均匀地传递给冷却液，避免了局部热点形成。

结论
研究表明，优化的金字塔型晶格夹层兼具轻量化(high specific stiffness)和优异的热机械性能。其压力不均匀系数从传统气凝胶的0.457 MPa²降至0.042 MPa²，降幅达90.8%；温度不均匀系数降低35.6%。模块容量衰减率较传统结构下降18.7%，验证了晶格结构在延长电池寿命方面的优势。

讨论
这项工作的重要意义在于：首次将等刚度金属晶格结构应用于电池模块设计，通过结构创新同时解决了机械应力和温度分布两大难题。晶格结构的高比刚度特性有效抑制了电池膨胀变形，而优化的流道设计则显著提升了热管理效率。这种"结构-功能一体化"设计思路，为下一代高安全、长寿命电池系统开发提供了新范式。研究团队Na Li、Ximing Zhong等人特别指出，该技术易于规模化生产，具有重要的工程应用价值。未来可进一步探索不同晶格拓扑结构对多物理场耦合的影响，以持续优化电池系统性能。