基于粉煤灰和蛇纹石通道的新型纳米流体冷却系统的实验研究，用于模块化锂离子电池的热控制

《Next Energy》：Experimental study of a novel nanofluid cooling system based on fly ash and serpentine channels for modular lithium-ion battery thermal control

本文通过实验研究飞灰基纳米流体（NF）在电动汽车电池热管理系统（BTMS）中的冷却性能，发现1%浓度的飞灰NF较传统冷却液（水、乙二醇）降低电池温度达5.9℃，热效率提升13.04%，并验证了纳米流体浓度与散热能力的正相关关系，为可持续电池冷却技术提供了新方案。

　　随着全球变暖问题日益严峻，多个国家已承诺在2050年前实现碳中和目标。这一目标的实现需要在各个领域采取有效措施，其中交通运输是至关重要的环节之一。当前使用的内燃机汽车正逐步被能效更高的纯电动汽车（EVs）和混合动力汽车（HEVs）所取代，这些车辆通常依赖于绿色能源进行驱动。然而，EVs的普及对电池性能提出了更高的要求，尤其是在热管理方面。锂离子电池（LIBs）作为当前最常用的储能设备，因其高能量密度、长循环寿命和较低自放电率而受到广泛欢迎。尽管如此，LIBs在充放电过程中会产生大量热量，这不仅会影响其性能，还可能导致热失控等安全隐患。因此，高效的电池热管理系统（BTMS）对于确保LIBs的稳定运行和延长其使用寿命至关重要。

为了提高BTMS的冷却效率，研究者们探索了多种方法，包括直接冷却、间接冷却和相变材料（PCM）冷却。其中，间接冷却因其较大的比热容和热导率而显示出更优的冷却性能。然而，传统冷却剂如水和乙二醇的热导率和热容仍然有限，无法满足高性能电池系统日益增长的热管理需求。为了解决这一问题，研究者们开始关注纳米流体（NFs）的应用。通过将纳米颗粒分散在基础流体中，NFs能够显著提高热导率和对流换热性能，从而改善冷却效果。尤其是在高放电速率下，纳米流体表现出更优越的散热能力，为高性能电池系统的热管理提供了新的解决方案。

在众多纳米颗粒中，飞灰（FA）因其来源广泛、成本低廉以及具有良好的热物理特性而受到关注。飞灰主要来源于燃煤电厂，其年产量高达16900万吨，但大部分被当作废弃物处理，造成环境污染。因此，利用飞灰制备纳米流体不仅能够提高电池冷却性能，还能实现工业废弃物的资源化利用，具有重要的环境和经济价值。实验研究表明，飞灰纳米流体在0.1%体积浓度下，相比基础流体能够提升约10.65%的散热能力；在0.3%和1%体积浓度下，散热能力分别提升了11.30%和13.04%。这些显著的性能提升主要归因于飞灰纳米流体的热导率提高以及更高效的对流换热能力。

为了验证飞灰纳米流体的冷却效果，研究团队设计了一种实验装置，其中包括一个48伏、15安时的锂离子电池组，以及一个12伏的散热泵、储液罐、连接阀门、管道和铜冷却管。冷却管采用6毫米内径、0.5毫米壁厚的铜管，其高热导率能够有效促进热交换。实验过程中，飞灰纳米流体以不同的体积浓度（0.1%、0.3%、0.5%和1%）进行测试，并在不同的质量流量条件下观察其对电池组温度的影响。实验结果显示，随着纳米颗粒浓度的增加，电池组的温度下降幅度显著提高。在1%体积浓度下，电池组的温度降低了5.9°C，表现出最佳的冷却性能。此外，较高的质量流量也对冷却效率有显著影响，例如在0.5810千克/秒的质量流量下，电池组的温度在60秒内降至27°C，而最低质量流量（0.029千克/秒）下，温度则保持在30.5°C。这些结果表明，飞灰纳米流体在提高电池冷却效率方面具有巨大潜力。

然而，飞灰纳米流体的使用也面临一些挑战。例如，随着纳米颗粒浓度的增加，流体的动态粘度也相应提高，这可能导致更高的压力降和更大的泵送功率需求。在低浓度（≤0.5%重量）下，飞灰纳米流体的粘度仅增加了5%至15%，而热导率的显著提升则有效补偿了粘度的增加，从而维持了良好的热传递与粘度比。此外，高浓度的飞灰纳米流体可能会导致纳米颗粒的聚集，进而影响冷却效率。为了解决这一问题，研究者们通过选择合适的表面活性剂（如聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠）和超声波分散实验，优化了纳米颗粒的分散稳定性。同时，通过调整浓度和使用混合纳米流体，可以有效控制流体的粘度和流动阻力，确保其在实际应用中的可行性。

除了热性能的优化，飞灰纳米流体在实际应用中还需考虑其对电池组完整性、材料腐蚀和电气绝缘的影响。飞灰纳米颗粒主要由二氧化硅、三氧化二铝和氧化铁等组成，若未充分稳定，可能会发生沉降或聚集，导致管道堵塞或冷却不均匀。此外，飞灰可能引入微量金属或碱性成分，从而加速铝、铜等冷却系统材料的腐蚀，特别是在铝制散热器或冷却通道中。为应对这一问题，研究建议通过维持中性或可控的pH值、使用与纳米流体化学性质兼容的腐蚀抑制剂，以及在材料表面施加保护涂层等方法进行防护。此外，飞灰纳米流体的电气绝缘性能也需特别关注，尤其是在高电压EV电池组中，必须确保其具有足够的介电击穿电压、体积电阻率和介电常数，以防止电弧或短路的发生。为此，研究建议控制纳米颗粒的浓度，避免对绝缘性能造成负面影响，同时可以通过对纳米颗粒进行封装或表面处理，降低其导电性，或结合绝缘性氧化物（如二氧化硅）制备混合纳米流体，以平衡热性能和电气性能。

飞灰纳米流体的广泛应用不仅有助于提高EV电池组的冷却效率，还能推动工业废弃物的可持续利用，符合全球节能减排的目标。此外，研究还指出，未来可进一步探索飞灰纳米流体与其他材料（如相变材料）的结合应用，以实现更稳定的温度控制和更高的系统性能。同时，开发新型的流动通道设计（如螺旋形或阶梯状结构）也有助于提升热传递效率，同时减少压力损失，从而提高整个电池冷却系统的效率。在生产方面，研究强调需要进一步优化飞灰纳米流体的制备工艺，提高其稳定性和经济性，以满足大规模应用的需求。

总体而言，飞灰纳米流体作为一种新型冷却介质，具有显著的热管理优势，同时兼顾环境友好和成本效益。其在提高电池组冷却效率、延长使用寿命和减少对传统冷却剂的依赖方面展现出巨大潜力。未来的研究应聚焦于进一步优化其热性能、降低粘度和压力损失、提高稳定性以及评估其对电池组和冷却系统的长期影响。通过持续的技术创新和系统优化，飞灰纳米流体有望成为EV电池热管理系统的理想选择，为实现绿色、高效的交通运输提供有力支持。