新型液冷策略抑制锂离子电池模组热失控传播的放热特性与能效分析

针对锂离子电池(LIB)模组热失控传播(TRP)中放热特征量化不足及抑制系统能效评估缺失的问题，研究人员设计了一种由6个n形冷板组成的新型液冷系统，通过建立3D数值模型探究了通道宽度(w )、冷却液流速(u )及乙二醇混合比例(GS20/50/80)对TRP的抑制效果。研究发现当u ≥0.02 m/s且w ≥8 mm时可完全阻断TRP，并首次提出能量效率因子作为优化指标，为高安全性电池热管理系统(BTMS)设计提供理论支撑。

　　

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论文解读

在能源转型的浪潮中，锂离子电池(LIB)因其高能量密度和长循环寿命成为电动汽车和储能电站的核心组件。然而其热不稳定性引发的热失控(TR)及模组内热失控传播(TRP)可能导致连锁爆炸，仅2022年全球就报告了超过60起LIB火灾事故。现有研究多聚焦TRP现象学描述，但对电池内部放热反应定量解析及冷却系统能耗效率的评估存在显著空白。

中国某高校团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表的研究中，创新性地设计了集成6个n形冷板的液冷系统，通过COMSOL Multiphysics构建三维模型，系统考察了冷板微通道宽度(3-12 mm)、冷却液流速(0.01-0.03 m/s)及乙二醇-水混合液(GS20/50/80)对TRP的抑制机制。模型验证采用 Huang等实测的243 Ah商用LiFePO₄
电池温度曲线，误差控制在5%以内。

关键技术方法
研究结合计算流体力学(CFD)与多物理场耦合，建立包含固体传热、流体流动及电池内部SEI膜分解、负极-电解液反应等四步放热反应的数值模型。通过定义能量效率因子(冷却系统输出功与输入泵功比值)，量化评估不同工况下的系统能效。

研究结果

1. 无冷却工况
   模组内TRP从首排电池(797 s触发)蔓延至第三排(1752 s)，相邻排触发时间差约400 s，印证热传导是TRP主要驱动力。

2. 液冷参数影响

• 临界流速阈值：0.01 m/s仅延迟TR触发时间，而0.02 m/s配合GS50冷却剂时，通道宽度≥8 mm可实现完全TRP抑制。
• 乙二醇浓度效应：GS80因较高粘度导致压降增加47%，但GS20的低温稳定性不足，GS50展现最佳性价比。

1. 放热反应解析
   电池放热速率(HRR)呈双峰曲线：首峰(SEI分解贡献，约180°C)释放总热量12%，主峰(其他三反应，峰值520°C)占比88%。

2. 能量效率优化
   当w
   =10 mm、u
   =0.025 m/s时，系统能量效率因子达1.83，较常规方案提升35%，同时维持ΔT<5°C的模组温度均匀性。

结论与意义
该研究首次实现TRP过程中LIB内部多步放热反应的定量解耦，提出"临界通道宽度-流速"匹配准则，突破传统BTMS依赖经验设计的局限。所定义的能量效率因子为评估冷却系统经济性提供新指标，其中GS50配合8-10 mm通道的方案可平衡安全性与能耗，已应用于某储能电站模组设计。未来研究可拓展至不同电池化学体系（如NCM三元电池）的TRP抑制策略验证。