综述：迈向高性能电动汽车用锂离子电池：快速充电障碍及新兴电池管理系统解决方案的综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Toward high-performance Li-ion batteries for EVs: A review of fast charging barriers and emerging BTMS solutions

　　阿布巴卡尔·甘博·穆罕默德（Abubakar Gambo Mohammed）|哈斯里尔·哈西尼（Hasril Hasini）|卡伦·埃尔赛义德·埃尔费基（Karem Elsayed Elfeky）|穆塔里·哈贾拉·阿里（Mutari Hajara Ali）|邱旺·王（Qiuwang Wang）
马来西亚雪兰莪州卡让（Kajang）IKRAM-UNITEN路，国家能源大学（Universiti Tenaga Nasional）可持续能源研究所（Institute of Sustainable Energy），邮编43000

**摘要**
电动汽车（EVs）的广泛采用取决于锂离子电池（LiBs）在保证安全、性能和寿命的前提下支持快速充电的能力。本文全面系统地分析了与EV电池高倍率充放电相关的关键挑战，包括锂沉积、机械裂纹和过度热量积累等退化机制。文章重点探讨了阳极和阴极材料以及电解质工程方面的关键进展，及其对高倍率充电条件下的电荷接受能力、热量生成和电化学稳定性的影响。同时，特别关注了电池热管理系统（BTMS）的发展，深入评估了基于纳米流体、复合相变材料（CPCM）的混合系统以及液体冷却、热管冷却和浸没冷却等先进配置。这些方法从冷却性能、温度均匀性和适用性等方面进行了比较。此外，还讨论了由人工智能（AI）和机器学习（ML）支持的智能热管理框架，强调了它们在精确热预测、实时控制和早期检测热失控风险方面的能力。本文指出了快速充电能力、热安全性和能量密度之间的基本权衡，并讨论了材料退化、系统复杂性和可扩展性等关键挑战。最后，提出了未来的研究方向，强调了需要集成材料-热-智能设计策略以实现安全、高效和可靠的快速充电锂离子电池。

**引言**
预计与气候相关的风险，尤其是洪水、热浪和干旱的风险，将在全球范围内加剧。这些极端天气条件源于化石燃料燃烧增加和污染物排放，导致环境恶化[1]。技术的持续进步以及减少温室气体（GHG）排放的全球目标，推动了可再生能源和储能技术的发展，进而促进了现代交通中对清洁能源车辆的需求。特别是风能和太阳能等可再生能源的间歇性发电特性，凸显了电池在高效存储和按需输送电能方面的关键作用。电动汽车（EVs）作为最实用的解决方案，其动力电池在这一转型中起着核心作用。EVs的采用速度迅速增长，全球数量从2020年的1020万辆增加到如今的4000多万辆（见图1(a)[2]。这一增长预计在2023年减少了1.5亿吨的温室气体排放，其中中国的电动汽车化贡献了约35%的减排量[3]。

动力电池是这一转型的基石，它决定了电动汽车的续航里程、效率、寿命和安全性。在表1中列出的电池技术中，锂离子电池（LiBs）因其卓越的性能、高能量和功率密度、长寿命、低自放电率以及环境优势而成为首选[4][5][6]。最近的技术进步降低了LiBs的成本，使EVs在经济上更具吸引力[7][8]。2024年，LiB电池组的价格降至115美元/千瓦时，而2023年时超过144美元/千瓦时[9]。此外，曾经是EV发展主要障碍的充电站建设在全球范围内正在加速扩展。随着对储能解决方案需求的增长，这一趋势预计将持续下去，使LiBs成为实现更可靠和可持续能源系统的有前景的技术。同时，电池需求逐年增加，预计到2030年将达到3000吉瓦时（GWh）以上（见图1(b)[10,11]。

除了LiBs的技术成就外，还有一个关键挑战：对超快速充电的需求日益增长，这种充电方式可以在比汽油车更短的时间内为EVs充电。然而，快速充电会带来巨大的热应力，导致过热、安全风险、电池寿命缩短和材料退化[19,20]。超快速充电中的一个关键挑战是电极极化，受锂离子在电解质中的迁移性、锂离子在活性材料中的扩散速率以及电解质和电极界面间的电荷转移动力学等因素影响。为了实现高效的电池快速充电，需要降低离子迁移和扩散的能量障碍，并提高电极和电解质中的离子/电子迁移性[21]。下一节将全面概述锂离子电池快速充放电所需的电极和电解质材料的最新进展。除了性能考虑外，LiBs的可持续性也越来越依赖于高效的回收过程，这有助于回收锂、钴和镍等关键材料[22]。先进的回收方法，包括湿法冶金和直接回收方法，在减少环境影响和支持循环电池经济方面显示出巨大潜力[23,24]。虽然回收是电池生命周期的重要方面，但本综述主要关注快速充电行为、材料设计和热管理策略。

在深入探讨这一综合综述之前，首先对现有文献中关于电池热管理系统（BTMS）和锂离子电池快速充电的进展进行了系统评估。使用Scopus数据库中的查询字符串，从2010年到2025年1月期间，通过关键词“锂离子电池”、“快速充电”和“电池热管理”检索到了335篇已发表的文献。这些文献涵盖了标题、关键词和所有领域的摘要。在335篇文献中，只有26篇是综述文章。经过严格筛选和筛选后，只有8篇符合LiB快速充电和BTMS的选择标准。

最近，Khan等人[25]回顾了基于PCM、液体和制冷剂的不同冷却策略在电池储能快速充放电方面的最新进展。此外，还包括了利用机器学习方法提高热性能的研究。Zeng等人[26]深入评估了为高能量密度和快速充电优化的锂离子电池的热特性，讨论了热条件、热量生成和传输机制以及各种热管理策略。Tomaszewska等人[27]系统地回顾了高电流充电协议对电池充电速度和退化机制的物理限制，并提出了应对这些挑战的策略。Thakur等人[28]研究了被动和混合冷却方案，包括PCM及其复合材料在电池快速充电中的应用。Shahjalal等人[29]讨论了从电池单元到模块再到电池组的文献中的热管理方案，重点介绍了下一代电池和快速充电速率的冷却策略。Gharehghani等人[30]广泛回顾了BTMS的进展，探讨了电池中的热失控和老化效应，并讨论了从安全设计角度出发的电池快速充电技术。Tai等人[31]回顾了超快速充电期间锂离子电池BTMS的当前研究，讨论了5年内的先进冷却方法，特别是混合冷却、浸没冷却和间接液体冷却。Polat等人[32]回顾了用于电池储能系统的最先进的直流快速充电器，并提供了预测性健康监测方法、以可靠性为导向的设计和系统控制方案。作者简要讨论了直流快速充电器和EVs的空气冷却和液体冷却方法。

然而，现有的综述主要强调传统冷却策略，而没有深入评估能够在锂离子电池超快速充放电过程中控制极端热条件的先进冷却技术及其局限性。本研究回顾了多种先进的BTMS，重点关注快速充放电技术，并从关键性能指标进行了评估。先进的冷却策略，如直接和间接液体冷却、增强型PCM冷却（包括纳米颗粒掺杂的PCM、碳增强型PCM和金属泡沫集成PCM）以及具有混合冷却功能的CPCM，基于其操作特性和热传递机制进行了详细评估，讨论了它们在满足电池安全和效率要求方面的优势和劣势。综述还强调了用于快速充电应用的电极和电解质材料的最新进展，以及AI/ML驱动的热控制，以及材料和热管理策略的综合成本-性能分析。最终，概述的研究方向将弥合现有知识与未来BTMS设计进展之间的差距。

**章节摘录**
**热量生成及相关退化**
锂离子电池的工作原理依赖于电化学氧化还原反应。在充电或放电过程中，电流通过电极和电解质时，由于放热化学过程和欧姆损耗，电池内部会产生热量。这些综合效应导致电池温度升高[33,34]。工作温度影响电池的性能特性，包括充电速率能力、寿命和安全性[35][36][37][38][39]。

**快速充电所需的电池关键材料**
由于快速充电依赖于可逆机制，使锂离子（Li+）在电极之间快速传输，但在当前的LiB设计中，由于快速充电期间锂离子浓度升高导致电压下降和过度极化，这些高充电速率仍然不可持续，从而降低了安全性和循环寿命。此外，快速充电还会增加内部电阻，导致热量积聚和不可逆反应，如电解质分解。

**快速充放电的高级电池热管理**
随着锂离子电池技术的进步和电动汽车的普及，消防安全问题变得尤为重要。快速充电和高能量密度增加了全球的火灾风险[157]。可靠且适应性强的BTMS解决方案对于安全快速充电至关重要，需要紧凑、轻便、成本效益高的设计，并在大规模高能量电池部署前具有最小的寄生功耗[158]。为此，需要先进的冷却技术，如直接和间接液体冷却、纳米流体冷却等。

**快速充电锂离子电池的综合智能热管理和成本-性能权衡**
基于前述讨论，从系统层面评估快速充电锂离子电池至关重要，这需要综合考虑性能、成本和操作智能。本节综合了材料选择、热管理策略和经济可行性之间的权衡，同时强调了AI/ML驱动方法在实现预测性和自适应热控制方面的作用。这种综合视角对于实际应用至关重要。

**结论**
本文全面分析了阻碍电动汽车电池快速充电的关键挑战，特别是锂沉积、机械裂纹和过度热量生成。它强调了电池材料的进步，特别是适用于快速充放电循环的高性能阴极和阳极的开发。此外，还深入评估了在快速充放电严苛要求下的先进BTMS策略。

**关键挑战和未来研究方向**
尽管电池冷却技术有所进步，但进一步研究对于提高锂离子电池在高倍率充放电过程中的冷却效率和散热效果至关重要，以实现最佳的电动汽车性能。未来的关键研究方向包括：
- 开发先进的冷却材料和稳定的纳米流体，提供卓越的热传递性能，同时不牺牲化学稳定性和系统可靠性；
- 制造具有优异热导率、潜热容量和循环稳定性的高性能CPCM，并结合碳材料。

**作者贡献声明**
阿布巴卡尔·甘博·穆罕默德（Abubakar Gambo Mohammed）：撰写初稿、正式分析、概念化、可视化、审稿与编辑；
哈斯里尔·哈西尼（Hasril Hasini）：调查、项目管理、审稿与编辑；
卡伦·埃尔赛义德·埃尔费基（Karem Elsayed Elfeky）：正式分析、审稿与编辑；
穆塔里·哈贾拉·阿里（Mutari Hajara Ali）：正式分析、调查、审稿与编辑；
邱旺·王（Qiuwang Wang）：撰写、审稿与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本工作得到了Tenaga Nasional Berhad（TNB）和UNITEN的支持，通过项目代码J510050002-IC-6 BOLDREFRESH-Center of Excellence下的BOLD Refresh博士后奖学金资助。