霍克锂电池采用各向同性导热通道与WCNT复合相变材料的锂离子电池被动热管理
有效的热管理对于确保电动汽车锂离子电池的安全性、性能和使用寿命至关重要。采用相变材料(PCMs)的传统被动冷却系统常因材料导热系数低而受限，导致局部过热及吸热效率低下。本文针对LiCoO2电池提出一种新型被动式电池热管理系统(BTMS)的数值研究，旨在突破上述限制。226,650电池。该系统的创新之处在于采用了一种协同设计，将作为均匀导热"热通道"的薄型各向同性箔片，与添加了2%和4%壁面功能化碳纳米管（WCNTs）的相变材料（RT27）相结合。研究通过两种恒流放电速率和两种高速公路燃油经济性测试（HWFET）动态驾驶循环（包括延长至电池耗尽的循环）对系统性能进行评估。结果表明，各向同性箔片消除了基准模型中存在的严重轴向温度梯度。此外，在极端工况下的延长版HWFET放电测试中，含4%碳纳米管的复合材料相较于纯相变材料体系，通过显著提升0.3K的峰值电池温度降低幅度，展现出卓越的散热性能。这种强化效应源于更高效的潜热利用——在相同测试条件下，4%碳纳米管复合体系的液相分数达到70%，而纯相变材料体系仅为62%。该创新设计为发展先进被动式电池冷却技术提供了新思路。
引言
全球向可持续能源和交通系统的转型，已将电动汽车（EV）确立为未来交通系统的基石。这一技术革命的核心是锂离子电池（LIB），由于其高能量密度、高功率密度、长使用寿命以及持续下降的成本，锂离子电池已成为电动汽车的主要储能解决方案[1][2][3][4]。在各类锂离子电池化学体系中，基于钴酸锂（LiCoO2锂离子电池（LIB）因其高比能量特性，已被广泛应用于消费电子产品及特定汽车应用领域。然而，LIB的性能、安全性和循环寿命与其工作温度密切相关。大多数LIB的最佳工作温度窗口较窄，通常介于15°C至35°C之间。超出该温度范围运行会加速电池退化机制，例如固体电解质界面（SEI）层增厚、活性材料溶解和电解质分解，从而导致不可逆的容量衰减和功率损失[5][6][7][8]。更关键的是，过量热量积聚可能触发被称为热失控的危险连锁反应，进而引发火灾或爆炸。相反，在低温环境下运行会因内阻增加和电化学反应动力学减缓，显著降低电池功率和能量容量。因此，一套高效可靠的电池热管理系统（BTMS）不仅是电动汽车的辅助部件，更是确保其安全高效运行的关键使能技术。BTMS技术主要分为主动式与被动式系统。主动系统（包括空气冷却与液冷）需借助外部动力驱动流体循环，具有优异的大热量耗散能力[9][10][11][12]。其中液冷技术因具备更高的传热系数，已成为现代电动汽车最常用的热管理方案。然而，主动式系统会引入显著的复杂性、重量增加、成本上升及寄生能耗，这些因素可能降低车辆整体效率。相比之下，被动式电池热管理系统（BTMS）无需外部供能，提供了一种更简洁、轻量化且能效更高的解决方案。相变材料（PCMs）因其高相变潜热特性[13][14][15][16]，已成为被动热管理技术的前沿选择。相变材料在固-液相变过程中能以近乎恒定的温度吸收并储存大量热能，从而有效缓冲电池在高功率运行时的温度骤升。这一特性使其成为管理快速充电或激烈驾驶循环中瞬态热负荷的理想选择[17][18][19][20][21]。
尽管具有诸多优势，石蜡基相变材料(PCM)电池热管理系统(BTMS)的广泛应用仍受限于多数石蜡固有的低导热系数（通常为0.2 W/m·K），这会导致传热效率低下并形成局部热点。为解决该问题，目前主要采用两种策略：第一种是通过嵌入高导热材料来制备复合相变材料(CPCMs)。虽然近期研究探索了石墨烯气凝胶和金属泡沫等高导热但结构复杂的材料[22]，采用碳纳米管增强相变材料仍是一种实用且有效的方法。第二种策略是构建独立的高导热通路。尽管当前研究多集中于集成难度较大的复杂系统（如均热板和热管[23]），但采用导电箔片仍是更为简便可行的方案。
然而，现有文献在联合策略的协同效应研究方面仍存在显著空白——特别是将用于宏观尺度热量分布的"各向同性热通道"与用于微观尺度吸热的WCNT增强相变材料相结合的策略[23][24][25][26]。此外，近期许多数值研究仍依赖于简化的热模型。本研究旨在通过采用高保真度且经实验验证的电热模型，对这种协同设计进行严谨研究以填补上述空白。尽管具备诸多优势，但石蜡等常见相变材料固有的低导热率（通常为0.2 W/m·K）制约了相变材料基电池热管理系统的广泛应用[27][28][29]。这种低导热特性会导致电池表面向相变材料本体的传热效率低下，进而引发局部热点并造成电芯内部显著的温度不均匀性。为克服这一局限性，研究者们致力于通过将高导热材料（如膨胀石墨、碳纳米管或金属泡沫）嵌入相变材料基体来制备复合相变材料（CPCMs）。虽然这些方法行之有效，但可能增加系统成本、重量及制造复杂度[30][31][32][33]。另一种替代策略是通过构建独立的高导热通路以促进热传输。为此目的，已有研究对热管进行过探讨，但其性能可能具有方向依赖性且集成过程复杂[34][35][36][37][38][39]。本文针对LiCoO2 26,650电池提出一种新型电池热管理系统（BTMS）的数值研究，证实其在温度均匀性与峰值温度降低方面具有显著改进。尽管先前研究分别探索过高导热金属箔与碳纳米管增强相变材料，但本研究的独特创新性体现在推动技术发展的三个关键领域。首先，研究探索了一种协同组合方案：通过设计各向同性的"热传导通路"薄层消除宏观轴向温度梯度，同时采用碳纳米管增强相变材料（WCNT-composite PCM）来强化微观尺度的吸热性能。其次，本研究基于经过实验数据严格验证的高保真多尺度多域（MSMD）框架，采用成熟的Newman、Tiedemann、Gu和Kim（NTGK）模型，确保对电池电热行为的高度精确表征。第三，系统效能评估不仅涵盖标准工况，还创新性地采用严苛的扩展版高速燃油经济性测试（HWFET）-放电场景，通过模拟极端热失控事件来严格测试系统安全边界。这种综合研究方法为被动式电池冷却这一持续性挑战提供了全面深入的解决方案分析。
