综述：锂离子电池热安全性的多尺度策略：全气候适应性与浸没冷却进展

《Electrochemical Energy Reviews》：Multiscale Strategies for Lithium-Ion Battery Thermal Safety: All-Climate Adaptability and Advances in Immersion Cooling

　　

温度变化显著影响锂离子电池（LIBs）的性能和安全性，尤其是在极端条件和高充/放电倍率下。不均匀的产热、有限的散热以及残余能量累积会加剧热效应，导致容量退化、效率降低和安全危害。应对这些挑战需要对LIBs的热行为进行多尺度理解。本综述从多尺度视角整合了电池热安全性，涵盖了材料层面设计、电芯层面建模与状态估计，以及系统层面热管理。研究人员首先考察了在电芯层面不同运行条件下控制产热、传输和累积的基本热机制与建模方法。接着，研究人员探索了材料层面缓解低温退化并增强高温稳定性的策略，以实现可靠的全气候运行。基于这些见解，研究人员评估了系统层面的热管理方法，包括内部和外部预热，以及主动和被动冷却方式。特别关注了浸没冷却，其具有优异的散热能力、改善的温度均匀性和增强的安全性。研究人员全面回顾了浸没冷却技术，包括系统配置、流体选择、运行参数，以及单相和两相冷却的最新进展。通过跨尺度连接物理机制、建模框架和工程解决方案，本综述突出了关键挑战，识别了重要的研究空白，并概述了实现LIBs自适应和稳健热安全性的未来方向。所提供见解旨在支持为交通运输和大型储能应用开发更安全、更可靠且热韧性更强的LIB系统。

论文主体部分总结如下：

**2 电池至材料层面的电池热安全性视角**
该部分从电芯和材料两个层面分析了锂离子电池（LIB_s）的热安全性问题。在电芯层面，热状态由能量守恒方程确定，其中热导率具有显著各向异性：面内方向有效热导率约为20–35 W m^?1 K^?1，而法向方向仅为0.15–1.4 W m^?1 K^?1。LIB_s的产热包括不可逆热、可逆热、焦耳热、混合热和滥用热，其中电极反应贡献约95%的产热。为监测热状态，研究人员采用了接触测量（如热敏电阻和热电偶）和非接触估计方法（如经验模型、等效电路模型和基于物理的电化学模型）。数据驱动方法和物理信息机器学习（Physics-Informed Machine Learning, PIML）被提出用于提高预测精度。在材料层面，高温会加速寄生反应动力学、固体电解质界面膜（SEI）形成和活性材料损失，研究人员开发了复合正极结构、缺陷修饰石墨负极、热稳定聚合物隔膜以及功能添加剂电解质来增强高温稳定性。低温下离子电导率下降，易导致锂枝晶生长和内部短路。通过减小活性颗粒尺寸、碳涂层和构建新型导电网络来改善低温性能，同时使用高浓度电解质和添加剂形成致密均匀的界面层以抑制锂沉积。温度梯度效应会形成正反馈循环，加剧局部热点和热失控风险。通过优化极耳位置和减小活性颗粒半径可改善单电池热均匀性；系统层面需协调电芯监测、电气平衡和模块级热管理。快速充电引起的热风险可通过复合电极、表面涂层和多功能电解质添加剂来缓解，降低界面阻抗并提高离子电导率。热失控机制涉及SEI分解、电极-电解质反应、电解质分解和阳极-粘结剂反应，通常采用阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程描述动力学。

**3 系统级传统电池热管理策略**
该部分回顾了传统（非浸没式）热管理系统的预热、冷却和热失控防护策略。预热方法包括内部加热（自加热、电流激励加热）和外部加热（空气加热、间接液体加热、相变材料（PCM）加热、电加热）。自加热电池通过嵌入金属箔快速升温，但存在温度不均匀问题；电流激励加热（直流、交流、脉冲）可改善一致性但增加系统复杂性。外部加热中空气加热效率低（约0.5 °C min^?1），液体加热热容量高但增加重量和泄漏风险，PCM通过潜热释放延迟温降，电加热（如正温度系数（PTC）电阻加热器）紧凑但消耗能量。冷却策略分为主动冷却（空气冷却、间接液体冷却、热电冷却（TEC））和被动冷却（固液相变冷却、热管（HP）冷却）。空气冷却简单但热容量有限；间接液体冷却效率高，广泛用于电动汽车（EVs）和储能系统（BESSs），但需优化通道结构和控制策略。TEC基于珀尔帖效应，无运动部件但效率低，常与其他系统混合。被动冷却中，PCM利用固液相变潜热，但需添加导热填料以防止热饱和；HP通过工质两相循环传递热量，但可能发生干涸。热失控防护通过热耗散（如增加流体流速）和热绝缘（如气隙、陶瓷板、气凝胶）来延迟或阻止传播，同时使用灭火剂（非水基如二氧化碳（CO₂）、氮气（LN₂）、氢氟烃（HFC-227ea）、全氟己酮（C₆F₁₂O）；水基如细水雾）进行最终抑制。

**4 浸没式电池热管理基础**
本节介绍了浸没式热管理的工作原理、流体评估和系统参数。浸没系统分为静态单相（SSPI）、强制单相（FSPI）、静态两相（STPI）和强制两相（FTPI）。SSPI依赖自然对流，FSPI通过泵驱动强制对流增强换热；STPI利用池沸腾潜热，FTPI结合强制对流与流动沸腾。浸没冷却在降低热阻、简化系统结构和提升热失控防护方面优于间接液体冷却。流体评估需考虑热物性（导热系数、比热容、沸点、汽化潜热）、物理性质（粘度、密度）、安全特性（电绝缘性、闪点、毒性）和环境特性（臭氧消耗潜能（ODP）、全球变暖潜能（GWP））。流体分类包括水性流体（去离子水及防冻液，但需密封）、介电流体（油基如硅油、烃油；氟碳基如全氟碳（PFC）和氢氟醚（HFE））以及纳米流体（单纳米流体和混合纳米流体）。选择标准综合化学相容性（如Kauri-Butanol值）、安全性和性能指标（含优值系数（Figure of Merit, FOM））。系统参数包括浸没度（^δ，即液体体积比）、电池排列（间距、对齐或交错）、流量（影响混合对流和两相沸腾）、进出口布局、流体温度和系统压力（用于调节饱和温度和气泡成核）。

**5 浸没冷却技术进展**
该部分总结了单相和两相浸没的增强策略。单相浸没增强包括：流道设计（部分尺寸流道、扩展流道、挡板及仿生鱼形挡板）以改善流场和传热；极耳冷却（通过专用流道或导向顺序浸没降低热梯度）；歧管浸没（借鉴歧管微通道，大幅度降低压降和热阻）；混合系统（浸没-空气、浸没-液体、浸没-极耳冷却、浸没-射流冲击）以综合多种传热优势。两相浸没增强主要依靠表面改性（粗糙度、多孔纤维/芯吸结构增加成核点；智能表面如形状记忆合金（SMA）、可切换聚合物、光响应薄膜调控润湿性）和控制策略（间歇流、延迟浸没、往复浸没、基于SMA的热调节器）以优化沸腾传热和温度响应。

**6 评论与展望**
在材料层面，仍需开发兼具宽温域性能的电极、电解质和界面材料，并采用先进表征技术（如X射线计算机断层扫描（XCT）、原位透射电子显微镜（TEM））分析失效机制。在电池单体层面，准确的状态监测依赖于多物理场建模和传感技术（如光纤传感器），人工智能辅助的物理信息机器学习（PIML）有望实现高效实时热安全数字孪生。同时，电池几何设计（如刀片电池、波浪电池）和内部结构优化（如无极耳设计）可提升固有安全性。在系统层面，浸没式BTMSs面临流体降解、机械振动、密封失效和电-热解耦挑战，需评估流体寿命和更新状态估计算法。两相浸没中的沸腾滞后、临界热流密度（CHF）限制和沸腾不稳定性仍需深入研究，结合主动/被动增强技术和机器学习自适应控制是未来方向。

**7 结论**
本综述从多尺度视角整合了材料设计、电芯建模和系统热管理，特别强调了浸没冷却在全气候适应性和快速充电下的优势。单相和两相浸没均展现出下一代热管理潜力，结合实时监测和自适应控制，可支撑安全高效的锂离子电池（LIB_s）系统。