纳米增强相变材料与仿生液冷通道在节能型锂离子电池热管理中的数值分析

《Journal of Energy Storage》：Numerical analysis of nano-enhanced phase change materials and a bionic liquid-cooling channel for energy-efficient lithium-ion battery thermal management

　　

•CFD比较了仿生冷却板中Al?O?、SWCNT和GNP纳米增强相变材料（nano-PCMs）的性能。•SWCNT和GNP同时满足50°C安全温度和45°C寿命温度限制。•将冷却液流量从0.01降至0.002 kg/s，GNP泵送功率降低95.6%。•将GNP-PCM厚度从1mm增至3mm，温度均匀性提升39.4%。

**引言**

联合国制定的可持续发展目标（SDGs）强调了可获取清洁能源的重要性（SDG 7）[1]。电动汽车（EVs）通过提高能源效率和可再生能源集成来支持这一目标[2]；然而，其日益增长的使用增加了与电池热管理及其能耗相关的挑战。

锂离子电池对运行温度非常敏感，这直接影响其性能、安全性和使用寿命[3]。在快速充电和高倍率放电期间，这一问题尤为关键，因为快速产热会加速电池退化并增加安全风险[4]、[5]。锂离子电池的建议运行温度范围约为25–50°C[6]、[7]，尽管高电流操作仍可能产生不理想的温升[8]。我们此前的研究表明，在所研究的温度阈值中，45°C限制基于容量衰减分析对电池寿命的不利影响最小[9]。

电池冷却技术通常可分为被动式或主动式[10]。被动方法包括相变材料（PCM）冷却[11]、[12]，主动方法包括风冷[13]、[14]、液冷[15]、[16]和热电冷却（TEC）[6]、[17]。每种方法在冷却能力、温度均匀性、系统复杂度和能耗方面各有优势和局限性，这促使人们持续努力开发混合式电池热管理系统（BTMS），以结合各方法的互补优势。

相变材料和纳米增强相变材料已被广泛研究用于热能储存[18]、[19]和电池冷却应用[20]。它们在相变过程中吸收大量潜热的能力有助于抑制温度快速上升并改善电池组内的温度均匀性[21]。Li等人[22]优化了用于磷酸铁锂（LiFePO?）正极软包锂离子电池的PCM冷却，实现了最大温度和温度差的降低4.26–10.8%。Alghassab[23]探索了相变材料与金属翅片结合用于圆柱形LiPF6锂离子电池BTMS的应用。他们的研究确定了一种最优配置，采用六片铜翅片，高度11.67mm，厚度0.2mm，与无翅片设置相比，在2小时内将峰值温度降低了8°C。然而，冷却效果仅限于PCM完全熔化之前。克服传统相变材料低导热性的方法之一是掺入高导热纳米材料。Ren等人[24]通过将单壁碳纳米管（SWCNTs）掺入18650锂离子电池模型中的相变材料来增强其性能。在1C倍率下，以4%体积分数掺入SWCNTs，与纯PCM相比，电池温度平均降低了4.138K。Moaveni等人[25]发现，在4C放电倍率下，将9%的氧化铝（Al?O?）纳米颗粒和四个翅片掺入18650圆柱形电池组中，与无纳米增强PCM或无翅片的配置相比，最大温度分别降低了5.18K和10.36K。Shinjina等人[26]通过实验证明了石墨烯纳米封装复合相变材料基纳米流体可以将导热率提高多达14.7%，比热容提高56%，同时将电池表面温度降低多达5°C，与常规基础流体相比。在另一项研究中，Yi等人[27]表明，增强的共晶相变材料（添加稻壳–Fe?O?纳米颗粒）有效改善了圆柱形18650锂离子电池的热管理，在多种放电倍率下将电池组温度降低多达29.5%，并最小化了热点。他们对不同石蜡–椰子油配比的比较表明，50/50混合物添加20%纳米颗粒可实现最高的冷却效率。Wang等人[28]提出了一种集成纳米PCM和电热膜的BTMS，用于26,650 LiFePO?电池。在35°C下3C放电时，优化系统将最大温升降低了多达29.3%，将内部温差维持在2.2°C以内，并在728.5秒内将电池从?20°C预热至20°C。更近期，Siricharoenpanich等人[29]实验研究了TiO?和Fe?O?增强的相变材料用于圆柱形锂离子电池组。与常规风冷相比，纳米增强PCM系统将最大电池温度降低了35–36%，其中Fe?O?增强PCM提供了最佳的热性能和改善的温度均匀性。尽管有这些改进，基于PCM的系统具有有限的潜热储存能力和有限的持续向周围散发累积热量的能力。因此，在PCM完全熔化后，电池温度可能显著升高。这一局限性促使将PCM与主动散热机制相结合。

在主动冷却方面，液冷通常能提供更高效的电池降温[30]。在典型环境条件下，液冷可实现更低的电池温度，而PCM冷却在温度均匀性方面具有优势。液冷通道的配置尤为重要，因为它直接影响冷却液分布、传热、温度均匀性、压降及相关泵送需求。Dai和Lai[31]证明通道配置是液冷电池模组性能的关键因素。他们的研究表明，冷却板上的导流壁带有圆形槽口会发生回流。这种回流破坏了边界层，从而增强了传热。近年来，受自然设计启发的通道配置受到了越来越多的关注。Wang等人[32]设计了一种受蝴蝶启发的液冷通道用于软包电池，与传统设计相比，最大温度降低了29.1%。此外，他们的系统显著改善了电池的温度均匀性。Fan等人[30]采用受鱼骨启发的液冷通道来增强大型软包锂离子电池组的冷却性能。与初始设计相比，他们的优化结构将最大温度和温度方差分别降低了0.84%和5.15%，并将压降降低了19.16%。

更近期，Es-satte等人[33]对BTMS的最新进展进行了全面综述，确定仿生设计是通过自然启发的结构改善热管理的有前景策略。重要的是，他们指出仿生设计在基于PCM的BTMS中的应用仍然有限，这表明了进一步研究的一个重要方向。众多研究表明，组合冷却系统可以改善电池热管理的有效性[34]、[35]、[36]、[37]。这种集成也有助于减轻每种单独冷却系统的缺点。将PCM与液冷结合可提供PCM的热缓冲和温度均匀性优势，同时通过强制对流实现持续散热。Liu等人[38]将微型冷通道与PCM结合以改善棱柱形NCM锂离子电池组的冷却。他们的结果表明，在高放电条件下，系统在低冷却液质量流量下将电池温度维持在44.37°C，在高质量流量下维持在36.47°C，展示了冷却液流量对热性能的影响。Yao等人[39]开发了一种受蜘蛛网启发的冷却通道与PCM结合，用于软包磷酸铁锂电池组。在5C放电倍率下，电池模组的最大温度和温度差分别控制在39.6°C和4.9°C。Ren等人[40]在软包磷酸铁锂电池中结合了微型冷却通道与PCM。他们报告驱动功率消耗降低了35–40%。这些发现表明，将PCM与液冷结合可以改善电池热性能，同时有望降低主动冷却的能源需求。

尽管取得了这些进展，但仍存在重要的研究空白。正如Yang等人最近的广泛综述所强调的[41]，纳米增强相变材料在电池热管理中的应用仍然相对有限。近期文献也表明，仿生液冷通道结构越来越受到关注，而它们与基于PCM的BTMS的集成仍然探索不足[33]。此外，虽然增加冷却液流量可以改善散热，但也增加了主动冷却的能源需求；因此，仅凭热性能不足以确定节能型BTMS。因此，需要在不同冷却液质量流量下对纳米PCM选择、仿生液冷通道、电池温度约束和热力性能要求进行综合评估。本研究的原创性在于系统性地整合和比较了三种纳米增强相变材料——Al?O?、SWCNT和石墨烯纳米片（GNPs）——在相同的仿生液冷通道BTMS架构中，并结合对不同冷却液质量流量的能效评估。为应对已识别的研究空白，使用焓-多孔介质法进行相变模拟并为不同的纳米PCM采用适当的有效物性模型，开发了一个三维瞬态CFD模型。所提系统的性能评估指标包括最大电池温度、热安全性（<50°C）、与延长电池寿命相关的温度标准（<45°C）、冷却液吸收的热能、压降、摩擦系数和泵送功率。通过在相同的仿生液冷通道配置下评估不同的纳米添加剂，然后研究冷却液质量流量的影响，本研究建立了热性能与水力泵送需求之间的权衡关系，并为节能型混合BTMS的设计和运行提供了指导。

**电池冷却系统配置**

模型采用软包电池。本研究提出了被动和主动热管理策略，以将6Ah NCA/Si-C电池组的温度降低并维持在最佳范围内。冷却系统概览如图1所示。具有分叉通道（设计用于冷却液冷电池）的优化液冷热管理系统，按照文献[42]所述，已得到进一步增强。除了引入分叉通道之外，本方法

**方法**

采用三维热CFD模型模拟电池。采用Bernardi模型[44]估算电池内部产生的热量。本CFD分析采用了若干建模假设。由于计算得到的Rayleigh数表明在所研究条件下传热仍以导热为主，因此忽略了熔融PCM内浮力驱动的强迫对流。冷却液被视为不可压缩流体。

**数值验证**

通过将电池热模型和纳米PCM相变模型分别与已发表的参考数据进行对比来评估数值框架的准确性。对于电池模型，将预测的6Ah软包电芯（如表1所述）平均温度与文献[45]在环境温度25°C下的数据进行比较。模拟在参考研究的相同放电条件下进行，放电倍率覆盖1C至5C。图2a

**系统局限性与可能的解决方案**

•虽然纳米增强PCM改善了导热率和散热，但增加PCM厚度会引入更大的导热热阻并延迟热响应。翅片等结构增强可以减少这种热阻，同时保持增加的热储存容量。•系统性能取决于运行条件（如电池C倍率）；因此，固定的PCM厚度在变化的热负荷下可能不再是最优的。自适应冷却液流量控制或……

**结论**

本研究使用三维瞬态CFD评估了使用纳米增强PCM与仿生液冷通道集成的锂离子电池热管理。研究的系统包括纯PCM–液冷以及Al?O?、SWCNT和GNP增强PCM配置。结果表明，纯PCM–液冷系统满足安全标准（T<50°C）但不满足寿命标准（T<45°C）。掺入Al?O?纳米增强PCM与纯PCM相比改善有限。

**符号说明**

A — 面积 [m2]
A_mushy — mushy区常数
a — 长宽比
Cp — 比热 [J/kg·K]
Dh — 水力直径 [m]
F — 矩形通道形状校正因子
H — 几何系数
I — 电流 [A]
k — 导热率 [W/m2·K]
Kb — 电池导热率张量 [W/(m·K)]
L — 潜热 [J/kg]
? — 质量流量 [kg/s]
p — 压力 [Pa]
Q — 热传递 [J]
q? — 产热率 [W]
R — 电阻 [Ω]
Re — 雷诺数
S — 源项
T — 温度 [K]
t — 时间 [s]
U — 开路电压 [V]
u — 速度 [m/s]
v? — 冷却液平均速度 [m/s]
V — 电芯电压 [V]
W — 功率 [W]
Re_d — 基于直径的雷诺数

**作者贡献声明**

Peyman Gholamali Zadeh：撰写——初稿、可视化、验证、形式化分析、数据整理、概念构思。

**生成式AI及AI辅助技术使用声明**

在本文准备过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来改善手稿的语法、清晰度和英文表达。作者根据需要审查和编辑了生成的输出，并对已发表文章的内容承担全部责任。

**资金声明**

作者声明本研究无特定资金来源。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

Peyman Gholamali Zadeh