相变材料厚度与环境条件对锂离子电池热管理性能的优化机制研究

本研究针对锂离子电池在20–40°C窄温区高效运行的需求，通过数值模拟系统探究了PCM厚度(1–7mm)、环境温度(20–50°C)、材料类型及填充体积(33–100%)对圆柱电池2C–5C放电工况下热性能的影响。结果表明RT-35在35°C熔点时展现出最佳平衡性，4mm厚度可实现24.12°C温降，为电动汽车电池热管理系统设计提供重要理论依据。

　　

随着电动汽车和混合动力汽车的快速发展，锂离子电池(LIBs)因其高能量密度和长循环寿命成为核心动力源。然而这些电化学系统对温度异常敏感——超出20–40°C的最佳工作区间会导致容量衰减、不均匀老化甚至热失控。现有风冷系统冷却效率低下，液冷方案又面临泄漏风险，这使得基于相变材料(PCM)的被动热管理系统因其简单可靠特性备受关注。但当前研究多聚焦单一参数优化，缺乏对PCM厚度、环境条件与材料特性协同作用的系统认知，严重制约了热管理系统的实际应用效果。

针对这一瓶颈，研究人员通过耦合电化学-热模型与焓-孔隙度方法，首次建立了多参数交互作用的分析框架。研究发现PCM厚度存在"双刃剑"效应：当RT-35厚度从1mm增至4mm时，4C放电工况下电池峰值温度降低24.12°C，但继续增厚至7mm仅带来不足1°C的额外温降。这种非线性关系源于热阻增加导致的"外冷内热"现象——厚度超过4mm时，外层PCM因导热系数低(0.2W/m·K)难以有效参与相变，反而加剧了温度梯度(从4.8°C升至7.5°C)。

研究团队创新性地引入标准化峰值温度(Ψ)和温度梯度(Ψ*)双参数评价体系，通过交叉分析确定4mm为最优厚度。在材料选择方面，揭示了PCM熔点与环境温度的匹配规律：低温环境(20°C)下RT-24因完全熔融(λ=74.6%)表现最佳，而高温工况(50°C)则需要RT-47等高熔点材料。特别值得注意的是，研究首次量化了填充体积的影响——100%填充比33%填充使4C放电温度梯度从23.19°C降至4.48°C，但需权衡系统重量增加15%。

在技术方法上，该研究主要采用：1)多尺度多域(MSMD)模型耦合Newman-Tiedemann-Gu-Kim(NTGK)电化学子模型，精确模拟电池生热；2)焓-孔隙度法追踪PCM相变界面；3)高精度网格分析(0.75mm)确保数值稳定性；4)实验验证采用K型热电偶阵列和热流传感器，平均偏差<5%。

关键研究发现包括：

1. PCM厚度优化：4mm厚度在5C放电时使热响应时间延长251%，过厚会导致外层PCM利用率<60%。

2. 环境适应性：RT-35在27°C时熔融分数达67.7%，而40°C环境下所有PCM均出现饱和失效。

3. 填充策略：100%填充量延迟热饱和时间达300%，但需配合增强表面换热系数(h_surface)。

4. 换热强化：h_surface从5增至20W/m²K可使PCM恢复率提升71.21%，但会增大温度梯度15%。

这项发表于《Journal of the Energy Institute》的研究，首次建立了PCM厚度-环境-材料特性的多维设计准则。其创新点在于：1)揭示厚度引发的热阻突变机制；2)提出熔融分数(λ)与温度梯度(ΔT)的量化关联模型；3)验证了表面换热强化的"双刃剑"效应。这些发现为下一代电池热管理系统开发提供了关键理论支撑，特别是对极端环境下的电动汽车热安全设计具有重要指导价值。未来研究可进一步探索梯度熔点PCM组合与微结构强化传热的协同机制。