柔性水凝胶薄膜对锂离子电池热管理的实验研究
重点：
开发了一种基于水凝胶的柔性电池热管理系统（BTM）；
与传统的BTM系统进行了性能比较；
水凝胶BTM系统有效地控制了放电实验中的温升；
该系统可以阻止或推迟电池在钉子测试中的热失控；
水凝胶BTM系统具有成本低、节省空间、适应性强等特点。
摘要：
许多便携式设备，如士兵便携装置，都是由低重量且大容量的锂离子电池供电。一个有效的电池热管理（BTM）系统需要使电池在一个理想的温度范围内工作以保持最小的变化，从而保证其高效率、长寿命和极大的安全性。然而，预算严格的限制了重量和体积，许多现有的经典冷却方法无法使用，使BTM系统的开发在这一领域极具挑战性。为了解决这一难题，本文开发了一种基于水凝胶的柔性BTM系统。所提出的的BTM系统是基于经济有效的聚丙烯酸钠，可以通过形状的任意改变和包装的便利，以适应任何锂离子堆。通过一系列高强度放电和异常放热过程对该BTM系统进行了测试，并且与三种典型的BTM系统进行了性能比较。实验结果表明，本文提出的低成本、节省空间、适应性强的BTM系统是处理锂离子电池热浪涌的一种非常经济有效的方法。实验结果表明，本文提出的低成本、节省空间、适应性强的BTM系统是处理锂离子电池热浪涌的一种非常经济有效的方法。
关键词：锂离子电池；电池热管理；柔性水凝胶；聚丙烯酸钠；无动力制冷；钉子穿透。
- 介绍
与其他可充电电池技术相比，锂离子电池以其更高的能量密度、更轻的重量、无记忆效应和更低的自放电率称为近年来最有前途的储能技术。尽管有许多优点和好处，但在许多关键应用（如航空航天和军事）中对锂离子电池组紧凑性的严格要求通常会使经典电池热管理（BTM）系统难以实施，并经常引起一些安全问题，比如过热导致的热击穿。即便在安全操作中，温度的任何升高都可能显著缩短电池的寿命周期。因此，为了避免锂离子电池的升温，迫切需要一个紧密而强有力的BTM系统。
通常，BTM系统可以使用主动冷却系统或被动冷却系统来实现。主动冷却系统一般使用风扇或泵来循环冷却液（空气、液体、二氧化碳等），以便从电池组中吸取热量。例如，在参考资料中，强迫空气对流改变电池组的温度分布。我们设计了不同类型的电池组并根据进出口之间的压降确定了能耗，从而得到电池组的优化配置和空气流量。我们又从参考文献中得到，恒温槽的实现，证明了水-乙二醇混合物能有效的控制电池组温度。这能使排放过程中的空间和时间温度变化保持在0.5℃以内，但冷却剂的液体流动性在实践中可能会引起安全问题，比如短路。一般来说，合理的电池配置、设计良好的循环系统和强大的冷却材料是主动冷却系统的关键；然而，这些需求也可能使系统过于笨重和耗电，这就限制了其在便携式电池组（例如士兵使用的电池组）中的应用。被动式冷却系统充分利用相邻电池间的各种冷却液的物理特性，吸收运行过程中释放的热量，从而使电池温度保持在相对较低的水平。目前的被动冷却系统通常依靠相变材料（PCM）来吸热。Al Hallaj首次将PCM引入18650电池组的热管理系统。在他的研究中，在不同的放电深度下检查电池组的温度和整个电池组的温度分布，并与空气冷却进行比较，显示了PCM在电池温度控制中的有效性。但是，基于PCM材料的被动式热管理系统往往存在以下三个固有的局限性：1）PCM熔点高。相关的电池单元需要达到PCM的熔点（通常高于40℃），以利用它们的相变特性。这样的高温会缩短电池的寿命；2）PCM比热容低（固态和液态）。当PCM温度低于熔化范围时。这将导致电池组温度急剧上升；3）PCM导热性差。这通常会导致散热缓慢和热量分布不均匀，这对电池组的健康极为有害，甚至可能导致爆炸。尽管近年来已经报道了基于PCM/石墨混合物的PCM基体优化的各种策略，这些策略可以提供更高的热导率，但当插入到石墨中时，PCM基体的比热容将显著降低（低于2kj/kg/k）。此外，制备PCM/石墨基体通常是一个耗时且成本高昂的过程。
为了克服传统PCM的局限性，开发一种新型的被动式制冷系统，本文提出了一种基于水凝胶的柔性BTM系统。这个系统以聚丙烯酸钠（PAAS）水凝胶为基础，其具有以下几个优点：1）成本低、灵活性强。PASS是一种广泛应用于日常生活中的能够吸收液体（如尿布）的聚合物。基于PASS的水凝胶通常成本较低，可以灵活容纳任何形状的电池组；2）吸水能力强。由于三维化学链中含有大量的亲水基团，PASS聚合物在水中的吸附能力是其质量的数百倍。一方面，由于吸收的水感热通量大，因此在热控制方面具有优势；另一方面，运行中的水的流动性可以得到很好的管理；3）制造工艺简单可控。我们通过一系列的实验验证了所提出的BTM系统的有效性：首先，在不同放电电流下，对两种不同容量的电池组在正常工作下进行测试；其次，对充电电池进行穿透实验。将提出的BTM系统与三种传统的BTM系统（主动空气冷却系统、被动PCM冷却系统和自然对流系统）的性能进行了比较。实验结果表明，该水凝胶基BTM系统在电池放电实验中温度稳定保持在允许范围内、穿透实验中防止发生热失控方面比其他BTM系统更为有效。
- 实验
2.1恒流放电实验
在恒流放电实验中，选择2个1300mAh和5个8000mAh的袋装锂离子电池组成两个电池组，电池组串联，相邻电池间的间距为电池厚度的一半。表1列出了两个电池组的规格。为电池组构建了四个BTM系统（即PAAS水凝胶、传统的PCM（石蜡）、空气冷却和自然对流）。在长、宽、高分别为29.5厘米times;11.5厘米times;11.5厘米的纸板箱中进行试验，模拟军用背包的实际情况，每个电池组都放在箱子的中心。
表1：两个电池组的规格
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电池组1 |
电池组2 |
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电池组工作电压 |
3.0-4.2V电池6-8.4V电池组 |
3.0-4.2V电池15-21V电池组 |
|
电池容量 |
1300mAh |
8000mAh |
|
包装总重量 |
58.7g |
926.75g |
|
水凝胶 |
70.6g |
1178.02g |
|
PCM |
68.66g |
1146.24g |
|
冷却风扇 |
240.32g |
1108.37g |
|
单元格间距 |
2mm |
4.5mm |
|
放电率 |
1C,2C,4C |
1C |
水凝胶BTM系统的原理是将去离子水注入底部均匀分布有聚丙烯酸钠（PASS）颗粒的包体中。多环芳烃的含量为1wt.%。图1显示了内置水凝胶冷却剂的8000mAh电池组。水凝胶的比热容和导热系数表示如下：
式中Cp为比热容，k为导热系数ε为PASS颗粒的质量含量。动力系统控制模块冷却系统，将电池插入事先准备好的矩阵中。在电池组一侧放置8cmtimes;8cm的冷却风扇来实现空气冷却，距离为5cm，风扇转速设定为1500转/分。
图1.8000mAh电池组上的水凝胶热管理系统
在实验前，两个电池组分别以特定的C速率充电，电压截止限值分别为8.4V和21V（每个电池为4.2V），然后以恒电位模式充电，直到电流降至0.02C。电池平衡需要1小时，然后以不同的C速率进行放电测试，直到每个电池的电压降到3V。在放电过程中，在电池组的中心（即更容易过热的位置）安装了一个热敏电阻，以测量温度变化。测试纸板箱内的初始温度保持在23℃。
2.2穿透试验
对8000mAh电池进行穿透试验。在3.0V至4.2V之间的0.1C恒流下对电池进行预处理，并在试验前完成充电。然后将每个充电试样电池封装在20cmtimes;6.5cmtimes;5.5cm的容器中。根据容器中使用的冷却液厚度，测试系统分为“重型系统（hs）”和“轻型系统（ls）”，如图2A和B所示。图中的小块表示能够在测试期间固定电池的木支架。在试验过程中，使用了PCM、水和水凝胶作为冷却剂，在hs和ls中，电池两侧的冷却剂厚度分别为2cm和1cm。为准确起见，每个测试系统共穿透三个电池，测试期间环境温度为15℃。
图2.两种穿透系统的示意图：（a）重型系统和（b）轻型系统。
根据钉子类型和冷却液，在HS或LS中进行了六组试验，总结见表2.钉子类型1和2分别代表直径为3mm的硬木（R＞60mOmega;）和钢（R=0.2Omega;）钉。在每次实验过程中，进行穿透过程，然后进行收回程序，两个程序的速度均为5cm/s。此外，在测试过程中，使用数字电压表和红外温度计分别测量电池的电压和温度。
表2.实验组信息列表
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测试编号 |
电池大小 |
钉子类型 |
保护系统 |
HS或LS |
|
1 |
17.5times;4.5times;0.9 Cm3 |
2 |
空气 |
HS |
|
2 |
1 |
空气 |
HS |
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|
3 |
2 |
PCM |
HS |
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|
4 |
2 |
水 |
HS |
|
|
5 |
2 |
水凝胶 |
HS |
|
|
6 |
2 |
水凝胶 |
LS |
- 结果与讨论
3.1控制温度上升
通过比较，评价了这四种BTM系统的散热能力：a）1300mAh锂离子电池组在三种放电速率（即1C、2C和4C）下的温升；b）8000mAh电池组在1C放电速率下的温升。测试结果汇总在表3中，同时图3和4分别显示了详细的温度和时间曲线，采用四种BTM策略，由此可以得出以下观察结果：1）PAAS水凝胶的性能与冷却风扇在低放电率下处理低容量电池组时的性能相似。（例如，1C和2C）；2）在低放电率下处理低容量电池组时，PAAS水凝胶和冷却风扇在抑制温升方面均优于其他两个BTM系统；3）PAAS水凝胶在处理大容量电池组或处理低容量电池组但在高放电率（如4C）下的温升控制方面，优于其他三个BTM系统。
表3总结不同BTM系统中不同C速率放电循环期间电池模块中心的温升
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放电电流 |
空气℃ |
冷却风扇℃ |
传统PCM℃ |
PAAS水凝胶℃ |
|
1.3A（1C）a |
4.3 |
2.7 |
3.3 |
2.9 |
|
2.6A（2C）a |
10.7 |
4.8 |
6.7 |
5.6 |
|
5.2A（4C）a |
16.7 |
8.6 |
11.5 |
7.5 |
|
8A（1C）b |
16.3 |
11.8 |
10.9 |
6.7 |
a：1300mAh电池组 b：8000mAh电池组
图3.在四种BTM策略下的1300mAh电池组在（a）1c，（b）2c和（c）4c放电过程中的温度和时间曲线。
图4.8000mAh电池组的温度与时间曲线，在放电过程中采用四种BTM策略，放电速率为1c。
在验证了水凝胶冷却系统在控制放电过程中温升方面的有效性后，还需要验证其在实际应用中的可行性。一般来说，合格的被动式BTM系统需要内部填充的冷却
英语原文共 8 页
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