关于将多孔结构集成到相变材料中的锂离子电池热管理方面的实验研究

《Journal of Energy Storage》：Experimental study of thermal management in lithium-ion battery of porous domain integrated in phase change material

锂离子电池模块的热性能通过不同相变材料厚度及金属纤维孔隙结构进行实验研究，发现添加PCM和金属纤维可降低表面温度达33%，并减少电池间温差，提升热管理效率。

　　随着科技的发展，锂离子电池在许多领域中得到了广泛应用。它们以其快速充电、高容量、长充放电循环以及高能量密度等优势，成为现代电子设备、电动汽车和可再生能源存储的重要组成部分。然而，随着使用频率的增加，电池的热管理问题也愈发突出。电池在充放电过程中会产生大量热量，若无法有效控制温度，不仅会影响其性能和寿命，还可能带来安全隐患。因此，开发高效的电池热管理系统（BTMS）成为研究的重点。

在电池冷却技术中，通常分为主动冷却、被动冷却和混合冷却三种类型。主动冷却系统依赖外部冷却介质，如空气或液体，并且需要额外的能量消耗。这种系统虽然冷却效率较高，但其运行成本也相对较大。相比之下，被动冷却系统则利用材料的潜热存储特性，无需额外能源，具有较低的运行成本。其中，相变材料（PCM）因其良好的热稳定性、高温度耐受性以及电绝缘性，被广泛应用于被动冷却中。然而，PCM的导热性能较差，这限制了其在电池热管理中的应用效果。因此，研究者们通过引入多孔结构或添加金属纤维等方法，以提高PCM的导热效率。

本研究重点探讨了不同厚度的PCM以及多孔结构对电池模块在低和高放电速率下的热性能的影响。实验采用两种电池模块，分别设置为2 mm和8 mm的电池间距，并在其中测试了无PCM、PCM以及PCM结合金属纤维（铜网或金属棉）的热管理效果。实验结果表明，使用PCM后，电池表面的最高温度相比无PCM的情况降低了27.9%、32.5%和33%。其中，PCM结合铜网的降温效果最为显著，而PCM结合金属棉的效果次之。进一步分析发现，当在BM1和BM2电池模块中引入多孔结构时，PCM结合铜网和金属棉的降温效果分别提高了6.4%和8.7%。对于BM2模块，PCM结合铜网和金属棉的降温效果分别提高了3%和5.7%。

此外，研究还发现，不同厚度的PCM对电池模块内部温度分布有显著影响。在最高PCM厚度（8 mm）情况下，电池模块内部的温度差异为5.4°C，而在最低PCM厚度（2 mm）情况下，温度差异则达到了8.5°C。这表明，PCM的厚度与电池模块内部温度均匀性之间存在密切关系。随着PCM厚度的增加，电池模块内部的温度梯度得以减小，从而提升了整体的热管理效果。与此同时，实验还表明，通过使用多孔结构可以有效减少电池模块内部的温度差异，进一步增强电池的性能和寿命。

在电池热管理中，温度控制是关键因素之一。电池在高温下不仅会加速老化，还可能导致内部化学物质的分解，影响电池的容量和安全性。因此，确保电池在安全工作温度范围内运行，是提高其使用寿命和性能的重要手段。一般而言，圆柱形锂离子电池的安全工作温度为60°C。在高放电速率下，电池产生的热量更多，因此需要更高效的热管理系统来防止温度过高。本研究通过实验验证了PCM在不同放电速率下的热管理效果，并且结合多孔结构和金属纤维进一步提升了其性能。

实验还发现，使用PCM结合金属纤维的电池模块在热管理方面表现出更高的效率。例如，在高放电速率下，PCM结合铜网的电池模块相比无PCM的模块，表面温度下降了32.5%，而PCM结合金属棉的模块则下降了33%。这表明，金属纤维的引入能够有效提升PCM的导热能力，从而改善电池的散热性能。此外，实验还表明，PCM结合金属纤维的模块在降低电池表面温度的同时，还能减少电池模块内部的温度差异，提高整体的温度均匀性。

在实际应用中，电池热管理系统的优化对于提高电池的性能和安全性至关重要。研究者们发现，通过合理的PCM厚度设计和多孔结构的引入，可以有效提升电池模块的热管理能力。例如，当PCM厚度为8 mm时，电池模块内部的温度差异为5.4°C，而在PCM厚度为2 mm时，温度差异则达到了8.5°C。这说明，增加PCM厚度有助于降低电池模块内部的温度差异，提高电池的均匀散热能力。然而，随着PCM厚度的增加，电池模块的制造成本也会相应上升。因此，研究者们也在寻找一种经济且高效的热管理方案。

在研究过程中，还发现金属纤维的种类和结构对PCM的导热性能有重要影响。例如，铜网的使用能够有效提升PCM的导热效率，而金属棉的使用则在一定程度上减少了电池模块内部的温度差异。实验结果表明，PCM结合铜网的模块在热管理方面表现出更好的性能，同时还能降低电池表面温度。此外，研究者们还发现，金属纤维的添加能够减少电池模块内部的温度梯度，从而提高电池的使用寿命和安全性。

在电池热管理系统的开发中，除了考虑PCM的导热性能，还需要关注其成本效益。研究者们发现，使用金属棉或铜网作为PCM的增强材料，不仅能够提升其导热能力，还能在一定程度上降低生产成本。例如，在本研究中，通过使用金属棉和铜网的组合，能够有效降低电池模块的温度，并且相比其他材料，其成本更为合理。此外，实验还表明，PCM结合金属纤维的模块在降低电池表面温度的同时，还能减少电池模块内部的温度差异，从而提高整体的热管理效果。

综上所述，本研究通过实验分析了不同厚度的PCM以及多孔结构对电池模块在不同放电速率下的热性能的影响。研究结果表明，使用PCM能够有效降低电池表面温度，并且结合金属纤维或多孔结构可以进一步提升其散热性能。此外，研究还发现，PCM的厚度对电池模块内部的温度分布有显著影响，而金属纤维的种类和结构则对PCM的导热性能起到关键作用。通过优化PCM的厚度和结构，可以显著提升电池模块的热管理能力，延长其使用寿命，并提高整体的性能表现。