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<道贏·深度> | 記憶合金能與鋰離子電池發生什麼樣的奇妙故事?熱管理系統有話說!

10月
26
2018

2018年10月26日10時 今日科學 新能源Leander

新能源Leander

本文首發於公眾號「新能源Leader」(ID:newenergy-Leader),作者:憑欄眺。如需轉載請申請授權並註明來源及作者

鋰離子電池是一個非常活躍的電化學反應系統,對溫度十分敏感,溫度過高時會導致副反應增多,可逆容量快速衰降,溫度過低時會引起動力學條件劣化,引起電池性能下降,甚至發生負極析出金屬Li,引起安全風險,因此對於鋰離子電池熱管理就顯得尤為重要,特別是動力電池包往往由數百隻,甚至數千隻電池組成,電池的熱管理就顯得更加重要。

對於鋰離子電池熱管理系統,在高溫下我們希望能夠儘可能的提高散熱能力,抑制電池溫度的升高,在低溫下我們又希望能夠儘量的提高保溫能力,減少熱量的散失,為了實現這樣的特性,美國伯克利加州大學的Menglong

Hao(第一作者)和ChrisDames(通訊作者)通過將記憶合金與溫度調節器結合(如下圖a所示),根據溫度調節溫度調節器的導熱係數,從而控制散熱能力,實現了在高溫下快速散熱抑制溫度升高,低溫下降低散熱能力保持電池溫度,從而大大提高了鋰離子電池熱管理系統的適應能力。

溫度調節器是一類有著數十年應用經驗的產品,但是應用主要是集中在幾個細分市場,如航空航天等。溫度調節器主要分為兩大類:1)通過相變實現導熱係數變化,缺點是關斷比較低;2)通過調整介面間隙方法控制導熱係數,關斷比要明顯高於相變溫度調節器,缺點是成本高、重量大。由於上述的兩種溫度調節器存在的問題,因此它們都不適合直接應用在動力電池熱管理上,為了解決這一問題Menglong

Hao通過採用記憶合金的方式將上述兩種類型的溫度調節器結合在一起。

形狀記憶合金溫度每升高1℃產生的應變為10-3,但是即便在這樣的應變下要產生足夠的間隙(0.5mm)也要求形狀記憶合金的厚度達到25mm以上,這顯然在實際應用中是不現實的,為了解決這一問題MenglongHao設計了如上圖a所示的結構,首先形狀記憶合金被製成了金屬線的形式,大大增加了形狀記憶合金的長度,因此同樣的溫升下可以產生更大的變形量,從而控制上下兩塊溫度調節器之間的間隙,溫度較低時記憶合金的長度較長,在彈簧的作用下兩塊溫度調節板間隙較大,因此導熱能力很差,起到保溫的作用,隨著溫度的升高,形狀記憶合金開始發生形變,總長度變短,拉動兩塊溫度調節器相互接近,並最終接觸,提高了導熱係數,快速將鋰離子電池內部的熱量擴散出去。這樣的設計使得這套散熱系統有著非常巨大的關斷比(導通下的導熱係數和關閉狀態下的導熱係數之比),可達1600:1到3200:1。為了驗證上述系統的有效性,Menglong

Hao設計了如下圖a,c所示的結構在真空環境下進行了驗證,實驗表明在OFF狀態下上下兩個金屬塊之間的導熱係數僅為1.13 Wm−2K−1,而隨著溫度的上升,一旦上下兩個金屬塊接觸,形成ON狀態後,導熱係數迅速提高到了2340Wm−2K−1,因此該系統的關斷比可達到2070:1。

雖然上述實驗很好的展現了該系統的有效性,但是只有在實際應用環境中使用才能真正體現該系統的有效和可靠性。為了對比該系統與普通熱管理系統之間的區別,作者還通過將記憶合金絲更換為不鏽鋼絲的方式實現了上下兩塊散熱板之間的常ON和常OFF狀態,以模擬普通熱管理系統中沒有主動散熱控制開關的狀態。從下圖c可以看到在-20℃下,常ON狀態下由於電池溫度持續散失,導致電池容量僅為常溫容量的21%,而常OFF狀態下,電池散熱較慢,因此溫度能夠持續升高,最終容量發揮可達常問下的89%,而採用記憶合金的系統能夠根據溫度調整間隙,因此散熱速率也大幅降低,電池容量發揮可達常溫下的76%。

雖然在低溫下常OFF設計能夠很好的提升鋰離子電池的低溫性能,但是在高溫環境下卻會導致電池溫升過高,影響鋰離子電池的性能發揮,從下圖d我們能夠看到在45℃的環境下,在放電過程中常OFF的溫度調節器溫度升高了20℃,達到65℃,這不僅僅會造成鋰離子電池性能加速衰減,還可能引發熱失控。而採用記憶合金調節的溫度調節器溫度升高僅為5℃,與常ON的調節器基本一致。

記憶合金的循環壽命通常較差,會影響溫度調節器的工作效果,為了解決這一問題作者在記憶合金絲使用前首先利用大應變載荷處理,很好的提升了記憶合金的循環性能。從下圖中可以看到記憶合金經過了6個月存儲後仍然保持了非常好的性能,OFF性能經過600次循環後沒有明顯的衰降,1000次循環後略有降低(鋰離子電池在-20℃下可逆容量下降8.5%),而ON的狀態經過1000次循環後沒有明顯的衰降,表明採用記憶合金的溫度調節器具有非常好的存儲和循環壽命。

Menglong Hao等設計的記憶合金溫度調節器能夠根據溫度自動調節導熱係數,從而實現高溫下導熱能力強快速降低電池溫度,低溫下降低導熱能力,保持鋰離子電池溫度,提升鋰離子電池性能,顯著提升了鋰離子電池在不同溫度下的循環壽命和電性能。但是目前該系統主要問題還是體積較大,擠占電池包內部空間,與功能類似的強制風冷和水冷散熱系統成本上還有一定差距,這都是需要進一步解決的問題。

本文主要參考以下文獻,文章僅用於對相關科學作品的介紹和評論,以及課堂教學和科學研究,不得作為商業用途。如有任何版權問題,請隨時與我們聯繫。

Efficientthermal management of Li-ion batteries with a passive interfacial thermalregulator based on a shape memory alloy, NATUREENERGY | VOL 3 | OCTOBER 2018 | 899–906 |,

Menglong Hao, Jian Li, Saehong Park, Scott Moura and Chris Dames

本文DOI為:https://doi.org/10.1038/s41560-018-0243-8

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