一种用于大型电池热管理和防止热失控传播的混合式液冷-热管-气凝胶系统

《Journal of Energy Storage》：A hybrid liquid cooling-heat pipe-aerogel system for thermal management and thermal runaway propagation blocking in large-format batteries

本研究提出并实验验证了结合液体冷却、热管和气凝胶的混合热管理系统，有效控制300Ah磷酸铁锂电池模组的温度（最高41.6°C，温差5.3°C），抑制热失控传播，实现散热与隔离的协同优化。

　　

陈颖|侯月|陈宇涛|吴周颖|马永飞|张颖

武汉工业大学安全科学与应急管理学院，中国武汉

摘要

随着单个锂离子电池单元的容量和能量密度的不断提高，电池系统内的热量积累效应变得越来越明显，从而加剧了热失控的风险。这迫切需要一种集高效散热与有效热失控隔离于一体的热管理解决方案。本研究提出了一种混合热管理系统，并通过实验对其进行了评估，该系统结合了液体冷却、热管和气凝胶，用于300 Ah的LiFePO?电池模块。通过系统地比较不同组合配置下的热管理性能，该系统旨在实现正常工作条件下的高效均匀散热，以及在热失控条件下的有效隔离。实验结果表明，所提出的混合系统表现出优异的协同温度控制和安全保护能力。在连续充放电循环测试中，模块的最高温度保持在41.6°C，最大温差仅为5.3°C。此外，在测试条件下（3毫米气凝胶，200毫升/分钟流量），系统抑制了热失控的传播，相邻电池的峰值温度被抑制在126.1°C，且其电化学性能没有显著下降。通过结合热管的高效导热性和温度均匀性、液体冷却的强制对流冷却以及气凝胶的热隔离作用，该混合系统在散热和绝缘之间实现了动态平衡，为大型储能电池模块的安全高效热管理提供了一种创新且实用的解决方案。

引言

化石燃料排放的温室气体造成的日益严重的问题加速了全球对新能源技术研究和应用的推动，以应对气候变化等挑战[1]。在这种背景下，以其可再生性和供应安全性为特点的储能系统已成为能源结构转型的关键支持技术[2]。在各种储能技术中，锂离子电池（LIBs）由于其高能量密度、长循环寿命和没有记忆效应而成为动力电池和储能系统领域的主流解决方案[3]。随着储能系统的规模不断扩大，它们在电网中的重要性日益突出[4]，[5]。

近年来，由于行业竞争加剧、成本压力增加以及对长时储能需求的增长，实现电池的高安全性和高能量密度已成为科学界和社会的普遍追求[6]，[7]。然而，虽然电池容量和能量密度的提高提高了储能效率，但也加剧了电池系统内的热量积累，显著增加了热失控（TR）的风险，这可能导致火灾或爆炸等灾难性事件[8]，[9]。这种风险在整个电池使用寿命期间都存在[10]，可能导致火灾或爆炸等灾难性事件。因此，开发一种既能高效散热又能防止TR传播的有效电池热管理系统（BTMS）尤为紧迫[11]。

研究表明，锂离子电池的最佳工作温度应保持在25°C至50°C之间，模块内的最大温差应低于5°C[12]。目前，储能领域相对成熟的热管理方法主要是空气冷却和液体冷却。然而，空气冷却的冷却能力有限，依赖于空调系统，需要较大的冷却通道，且能耗相对较高，这限制了其在低电流放电场景中的应用，使其不适合高电流储能需求[13]，[14]。另一方面，由于液体冷却具有高导热性和精确的温度控制能力，已成为大型电池热管理的主流解决方案[15]。相关研究主要集中在流道设计、冷却剂性能优化和控制策略上[16]。郭等人[17]比较了四种不同蛇形通道冷板在BTMS性能上的表现，发现平行螺旋通道在整体效率上优于串联通道。赵等人[18]和卢等人[19]指出，虽然蜂窝状或特斯拉阀式设计等分叉通道可以提高冷却均匀性，但也会增加压降和能耗。由于热管技术依靠相变传热，不需要额外的泵动力，并且具有优异的导热性[20]，研究人员经常将热管与主动冷却系统结合使用，以降低冷却系统的能耗并提高温度均匀性。叶等人[21]将微热管阵列（MHPA）与散热片和空气冷却结合使用，在1C循环条件下将模块温差控制在5°C以内。韩等人[22]将MHPA与液体冷却系统结合使用，在1C3C快速充电条件下，将电池最高温度保持在45°C以下，模块温差控制在4.8°C以内，实现了出色的温度控制性能。

然而，尽管传统冷却方法可以提供持续的散热，但它们往往不足以有效抑制电池TR的传播。芮等人[23]指出，仅依靠液体冷却无法阻止热量传播；需要结合绝缘和冷却的协同效应。气凝胶是一种三维多孔材料，具有高比表面积、高孔隙率和超低导热性，在抑制TR方面显示出巨大潜力[24]。邹等人[25]使用78 Ah软包LIBs进行实验验证，虽然1毫米厚的气凝胶不能完全阻止TR，但显著增强了对其传播的抑制作用。谢等人[26]进一步研究了气凝胶厚度对抑制大容量LFP电池热失控的影响，发现2.5毫米厚的气凝胶层可以完全阻止TR。这些研究表明了被动绝缘的有效性。然而，在实际应用中，气凝胶必须在TR事件期间的绝缘需求和正常运行期间的高效散热需求之间取得平衡[27]。因此，结合主动冷却和被动绝缘对于实现协同热管理至关重要[28]。最近的研究探索了这种混合方法。杨等人[29]通过实验证实，将气凝胶与液体冷却板结合使用可以成功阻止模块内的TR传播。龚等人[30]也通过数值研究证明，结合绝缘和液体冷却可以阻止热失控的传播，突显了这种协同设计的价值。翁等人[31]首次提出了相变材料（PCM）-气凝胶复合策略；他们的研究表明，气凝胶可以显著延迟TR，但需要与PCM结合使用才能降低峰值温度。

尽管取得了这些进展，但值得注意的是，大多数现有研究集中在圆柱形或小容量动力LIB上，而针对大型储能电池和模块的热管理设计和优化研究仍然相对较少。随着大型电池在储能系统中的广泛应用，它们的热管理面临更加复杂的挑战，需要针对性研究。为了克服传统冷却和简单绝缘耦合策略的缺点，本研究旨在设计一种结合液体冷却、热管和气凝胶的混合热管理系统，以解决大型固定式储能电池模块的热安全挑战。目标是在热绝缘和散热之间实现动态平衡，为大型电池在正常和异常条件下的热安全保护提供创新解决方案，并为固定式储能系统（ESSs）的安全设计提供参考。

实验平台

实验平台

本研究采用了一种商用300 Ah棱柱形铝壳锂铁磷酸盐（LFP）电池作为研究对象。相关电池参数列在表1中。

电池热管理实验平台主要由电池测试系统、热室、温度数据采集系统和液体冷却系统组成，如图1所示。在电池充放电循环测试期间，电池模块被放置在热室内

不同放电速率下电池模块的热生成

图7显示了不同放电速率下电池模块的温度曲线。所有放电速率下的温度上升都表现出初始的快速增加，随后趋势变得复杂。在0.5C放电过程中，大约在3000秒到4500秒之间观察到一个明显的温度平台。这个平台可能归因于LiFePO?电极在中段放电时熵的变化接近零，导致可逆热生成暂时减少

结论与未来工作

为了满足大型储能锂离子电池模块的热安全要求，本研究提出了一种基于液体冷却、热管和气凝胶协同集成的混合热管理系统，并通过实验进行了验证。通过系统的实验分析和性能比较，主要结论如下：

• 1.
  随着充放电速率（0.2–0.5C）的增加，热量积累呈非线性加剧，从而提高了对

作者贡献声明

陈颖：撰写——初稿。侯月：可视化、形式分析。陈宇涛：调查。吴周颖：数据整理。马永飞：撰写——审阅与编辑。张颖：撰写——审阅与编辑、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究由大学独立创新计划（授权号：2025502050）资助。