《Energy Conversion and Management-X》：A comprehensive review of modern automotive energy storage technologies, battery cooling systems, and their environmental impacts
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交通运输部门贡献了全球温室气体排放的20%至30%，这对实现可持续能源转型构成了重大挑战。以先进电池储能系统(BESS)为动力的电动汽车(EV)已成为传统内燃机(ICE)车辆最具可行性的替代方案。然而，这些电池的性能、安全性和使用寿命对温度变化高度敏感，因此需
交通运输部门贡献了全球温室气体排放的20%至30%，这对实现可持续能源转型构成了重大挑战。以先进电池储能系统(BESS)为动力的电动汽车(EV)已成为传统内燃机(ICE)车辆最具可行性的替代方案。然而，这些电池的性能、安全性和使用寿命对温度变化高度敏感，因此需要高效的热管理策略。本综述全面分析了汽车电池冷却系统的最新进展，涵盖空气冷却、液体冷却、相变材料(PCM)、热电和纳米颗粒辅助技术，并评估了它们对系统性能、能源效率和环境可持续性的影响。此外，本综述探讨了改进的热管理如何通过延长电池寿命和减少材料浪费间接促进减少碳排放和资源消耗。讨论还将这些发现与联合国可持续发展目标(SDGs) 7、8、9、11和12进行了对标，强调了在迈向更清洁出行的转型中采用先进电池冷却系统的更广泛的社会环境影响。
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引言
世界石油资源有限，其广泛使用受到原油开采和提炼经济可行性以及易开采地区石油储量枯竭的影响。预计到2030年欧盟面临石油供应枯竭风险，即使乐观估计，未来几十年石油成本和需求也将上升。尽管可再生能源整合降低了石油总需求，但交通运输占全球石油消费很大比例，电动汽车(EV)普及率的提高将显著降低石油需求趋势。煤炭作为主要能源虽然支撑着许多国家的重工业，但其高碳排放和采矿环境问题使其不可持续。天然气虽相对清洁，但其温室气体排放尤其是甲烷的短期气候影响高达二氧化碳(CO2)的120倍，同样推动了向可再生能源的转型。因此，电池热管理系统(BTMS)成为连接可再生能源应用与汽车行业性能的关键，确保向无煤无气交通生态系统的过渡是可持续、长期且经济可行的。
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汽车储能技术概述
交通运输部门约占全球污染物排放的20%至30%，主要汽车利益相关者正在采取纠正措施，但政府激励对实现气候变化目标至关重要。2024年全球交通运输排放约84亿吨CO2，其中道路运输占比超过85%。许多国家研究了改善内燃机(ICE)设计和操作参数以减少排放，但逐步淘汰内燃机对实现气候目标必不可少。
2.1 生物柴油
生物柴油被认为是传统石油的实用可持续替代品，但其低温流动性差、氧化稳定性低导致凝胶形成损坏喷油嘴、腐蚀传统汽车材料以及堵塞燃油滤清器等问题需要解决。
2.2 燃料电池
氢燃料电池汽车(HFCV)的采用率正在增加，但2022年全球市场占比仅0.36%，受限于加氢站基础设施不足、氢气生产储运成本高以及频繁启停导致质子交换膜燃料电池寿命衰减。与锂离子电池不同，燃料电池热管理侧重于稳态条件下的热稳定性和水化控制，而电池冷却侧重于瞬态热量移除和热失控预防。
2.3 混合动力电动汽车
混合动力电动汽车(HEV)在充电基础设施不足的发展中国家被视为向纯电动过渡的中间方案，其燃油消耗和排放低于传统内燃机车，但高于纯电动汽车。生命周期评估显示，中型HEV产生约33吨CO2当量，而典型内燃机车为40吨。
2.4 纯电动汽车(BEV)
纯电动汽车(BEV)长期碳足迹远低于混合动力车，但成本竞争力较弱。电网集成研究显示，30%渗透率下峰值负荷增加约7%，但非高峰充电可缓解。BEV通常比混动车型轻，城市驾驶中质量减少10%可降低能耗3%至4%。福特Transit内燃机车与E-Transit电动车的生命周期评估表明，15万公里寿命期内电动车总碳足迹降低22.6%，其排放主要集中在原材料到原生输入阶段，而内燃机车的排放集中在运行阶段。电池冷却系统在生产中增加排放，运行中消耗辅助能量，因此需要高效设计。
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电动汽车电池
3.1 电动汽车电池类型
镍氢电池(NiMH)具有高功率、长寿命和宽温工作范围，但合金腐蚀导致寿命限制，回收可获得镍、钴等金属。铅酸电池成本低、回收率高，但能量密度低，硼掺杂石墨烯纳米片负极添加剂可显著提升容量。钠离子电池(SIB)原料丰富且廉价，预计2035年价格降至78.9 �/kWh，低于锂离子电池(LIB)的82.2 �/kWh，但负极技术不成熟，且因Na+离子半径大导致内阻较高，产生更多焦耳热。锂离子电池(LIB)因重量轻、能量密度高成为主流，但制造过程存在火灾风险，依赖贵金属，且对温度和湿度敏感，最佳工作温度范围为25至30°C，低于0°C会导致功率损失。
3.1.4.1 锂离子电池存在的问题
锂离子电池制造涉及高温和火灾隐患。使用贵金属可能导致短缺和价格上涨，回收研究正在推进。工作温度超出范围会导致不可逆损伤，高于25至30°C触发老化机制，低于0°C导致功率损失。湿度也会加速电池分解。
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电池热管理系统(BTMS)
4.1 冷却系统类型
六种主要冷却系统被评估：空气冷却、液体冷却、制冷剂直冷(RDCS)、相变材料(PCM)冷却、纳米颗粒冷却和热电冷却。空气冷却在3C放电率和20°C环境温度下不需要，但在35°C环境下不足。液体冷却在5C放电率下可将最高温度控制在40°C以下。制冷剂直冷利用车载空调制冷剂直接冷却电池，无需中间换热器，但存在制冷剂泄漏风险和温度均匀性挑战。相变材料冷却结合液体系统可在106 J/s产热下维持温度低于363 K。纳米颗粒冷却使用二氧化钛(TiO2)纳米流体提升性能约27%，但存在团聚和沉降风险。热电冷却基于帕尔贴效应可实现43°C温差，但辅助能耗高。
4.2 大规模部署的挑战
空气冷却在高温和高倍率下散热不足；液体冷却增加重量和寄生功耗，有泄漏风险；制冷剂直冷难以保持大型模块温度均匀；相变材料导热系数低且存在泄漏；纳米流体长期稳定性数据缺乏；热电冷却效率低且成本高。
4.3 锂离子电池回收方法
锂离子电池回收主要包括火法冶金、湿法冶金和直接回收。火法冶金能耗高且排放有害气体；湿法冶金试剂消耗大且废水处理复杂；直接回收能保持阴极晶体结构，环境效益最佳但处于早期阶段。
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电池热管理的环境和生命周期影响
5.1 对功率的影响
放电速率增加会大幅提高电池温度，而温度升高通常增强电池活性，但也可能因老化导致性能下降。
5.2 减少采矿废物
维持最佳温度范围可延长电池寿命，从而减少电池生产和矿物开采需求，降低采矿过程中的二次废物和碳排放。
5.3 相比内燃机的减排
更长的电池寿命促进电动汽车普及，减少油罐到车轮的排放，若电网可再生则油井到车轮的排放也大幅下降。
5.4 推动可再生能源
电池性能提升增强了其作为能源系统的可行性，推动交通领域可再生能源应用和内燃机淘汰。
5.5 电池生产过程废物
冷却延长电池寿命减少了替换需求，从而降低电池制造过程的碳排放。
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电池热管理的挑战与未来方向：对联合国可持续发展目标(SDGs)的意义
6.1 发展中经济体的实施障碍
热带地区高温使高效主动冷却成为必需，但成本过高导致依赖被动冷却，加速退化。电网不稳定无法支持主动热管理，电池 swapping 站可能是本地化解决方案。
6.2 未来工作
机器学习(ML)在实时热状态估计和设计优化中具有潜力，例如长短期记忆(LSTM)网络可将温度预测误差降至0.8°C，代理模型可加速冷却系统设计。
6.3 与联合国开发计划署(UNDP)目标的对齐
电池冷却系统促进可再生能源使用(目标7)，创造就业和经济增长(目标8)，推动电池技术创新(目标9)，促进可持续城市(目标11)，以及负责任生产(目标12)。
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结论
电池是全球向可再生能源转型的关键，锂离子电池和钠离子电池因其高能量密度最具可行性。高温对所有电池类型都是挑战，液体冷却和相变材料冷却是最有前景的解决方案，纳米颗粒冷却具潜力。电池冷却通过延长寿命和提升性能间接助力气候变化应对，并与联合国可持续发展目标一致。
