霍克锂电池浸没式冷却变量对锂离子电池衰退的影响
随着对高效可靠储能需求的持续增长，优化锂离子电池热管理已成为提升其性能与安全性的关键研究方向。浸没式冷却作为一种创新方法，通过将电芯浸入介电流体中，因其在高性能应用中有效散热并降低热失控风险的潜力而受到广泛关注。针对锂离子电池的各种热管理技术已被广泛研究，包括空气冷却系统[1][2]、液体冷却系统[3][4]、热管[5][6]、热电模块[7][8]以及相变材料（PCMs）[9][10][11][12][13]。其中，结合多种方法的混合系统也展现出应用潜力[14][15][16][17]。浸没式冷却技术通过将电芯直接浸入介电流体中，因其高热传递效率、成本降低优势以及防止小型电池（<100 Ah）[10]和大容量电池（>100 Ah）[18]热失控的ability而备受关注。与传统液冷系统采用蛇形管在电芯间循环冷却剂不同，浸没式冷却允许电芯与冷却剂直接接触，从而实现更高效的热量耗散[19][20]。例如，Patil等学者的研究表明，使用介电流体进行浸没式冷却时，3C放电期间的峰值温度较空气自然对流冷却降低了47%[20]。（注：根据术语表要求，"ability"在翻译中保留英文原词）
导流结构设计也被用于提升冷却性能。Gao等研究者对比了多种导流结构，发现采用鱼形导流结构的浸没式冷却电池组在散热性能上优于球形导流及无导流配置，在降低泵功消耗的同时实现了更优的热管理效果[21]。通道几何构型同样被用于在不增加泵送功耗的前提下强化传热；将特斯拉阀原理应用于圆柱电池浸没冷却时，与传统直通道相比，其对流换热系数提升了103%，同时压降降低了74%[22]。这些基于通道的设计策略表明，导流几何结构的优化是提升浸没冷却效能的实用手段，其效果远超单纯增加流速。Hemavathi等对比静态酯油浸没冷却与自然对流空气冷却的研究表明，采用浸没冷却可使18650锂离子电池的最高温度降低33%[23]。该系统在3C放电倍率下，即使处于高温环境条件下，也能将温升控制在10°C以内[23]。
刘等人对天然酯油与矿物油冷却系统进行了对比研究，结果表明两种油均能显著降低电池温度，其中矿物油表现略优，可将电池模块平均温度维持在45.18°C[24]。陈等人将对比范围扩展至变压器油，对动态循环油冷条件下的圆柱形电池模块进行了无量纲理论分析，证实电池温度在所有测试流速范围（30-600 mL/min）内均低于45°C，传热效率在雷诺数约44.1时达到峰值，并在更高流速下趋于稳定[25]。本研究证实了介电矿物衍生油用于浸没式冷却的实际可行性，并提出了一种适用于多种圆柱形电池结构的无量纲分析框架。Wang等人采用Opton SF33对18650锂离子电池进行两相浸没冷却实验，研究表明即使在10C放电条件下，该两相系统仍能将温度维持在34°C以下[26]。相较于自然冷却、强制对流及矿物油系统，该体系还展现出更强的热移除能力[26]。
对于中等尺寸电池（如4680型电池），Li等人采用SF33进行了两相浸没冷却测试，发现该技术能在充放电循环过程中将温度稳定维持在33°C至35°C区间[27]。通过增强电池舱内表面粗糙度与压力调控，沸腾传热效率得到进一步提升，这凸显了压力控制在优化冷却性能中的关键作用[27]。除传统液态冷却剂外，超临界CO₂作为圆柱形电池组热管理介质也获得验证；三维有限体积模拟表明，该介质能利用临界点附近的高传热特性，实现电池组整体均匀散热[28]。该方法突破了单相介电油的设计局限，拓展了电池热管理的技术路径，同时彰显了跨临界冷却循环在高功率密度应用中的潜力。
Choi等学者研究了金属泡沫在棱柱形电池单相浸没式冷却系统中的应用。引入金属泡沫可改善传热性能并降低温度梯度，尤其在高速放电工况下能使峰值温度降低近12°C[29]。该研究强调，具有90%孔隙率和每英寸20孔(PPI)参数的金属泡沫表现出最优性能，可显著提升快充过程中的冷却效率[29]。
在既往多数研究中，单电池均浸没于静态流体中，未考虑流体的对流效应。Dubey等人通过数值模拟研究了电池组几何构型、圆柱电池尺寸与冷却剂流向等因素对单体及电池组热行为的影响[30]。Wang等学者对比了五组并联连接的10Ah软包电池在空气冷却与变压器油浸没冷却条件下的热性能表现[31]。这些电池在标称工况下进行了有限循环次数的充放电测试。与传统风冷系统相比，油浸冷却电池的最高温度降低了32.4%。更为显著的是，采用油浸冷却系统后，电池内部的温差减少了75%[31]。Li等人针对快速充电条件进行了类似分析，研究对象为浸没于商用流体FS49中的3P7S 18,650型电池模组[32]。在3C充电倍率下，该模组的峰值温度较强制风冷系统降低了19.7°C。两相液体浸没式冷却系统成功将五个电芯之间的最大温差维持在1.1°C以下。
浸没式冷却技术的优势包括在快速充电或放电操作过程中实现更佳的温度均匀性和更高效的热管理[33]。此外，研究证明该技术在低温预热场景下表现优异，能使电池包内温度均匀性控制在4°C的狭窄范围内[34]。然而，尽管存在这些显著优势，浸没式冷却对电池电化学性能的影响仍存在疑虑，特别是在电池模块中出现电芯间电学性能差异的情况下，这种差异可能影响浸没冷却的实际效能[35]。
研究不同冷却系统下电池组在单次充放电过程中的热行为，对于理解电芯与冷却剂之间的相互作用至关重要。然而，电池的中长期电化学性能才是最终目标。目前关于浸没式冷却系统与长期电化学性能相结合的研究较少。Koster等人通过对比两种冷却系统（强制风冷系统与3M Novec 7200浸没式冷却系统）下两套完全相同的25节18650圆柱电芯（75Ah）电池组的性能衰减开展了相关研究。沉浸式冷却系统的冷却剂流量为3.67升/分钟（LPM），由流量4.2 LPM的水冷散热器提供支持。通过1.33C充电倍率进行加速老化实验，直至电池健康状态（SOH）降至80%以下。采用浸没式冷却系统的电池组经历1020次循环后容量衰减20%，而风冷系统仅需850次循环即达到相同衰减程度。浸泡在Novec 7200冷却剂中的电芯表现出更均匀的温度分布，25个电芯间温差仅为1.4至1.5°C，相比之下风冷测试组的温差达13至15°C。该研究论文揭示了一个有趣现象：浸没式冷却系统中某个电芯的容量-时间曲线出现拐点（knee），从而加速了整个电池组的性能衰退。Koster分析表明，仅理解电池及其冷却系统的热特性不足以阐明电池组的最终性能[36]。Williams等人对26650型LiFePO4采用Novec 7000流体的圆柱形电池在单相和两相冷却模式下的性能研究[37]。他们发现，33°C相变预热条件可同时提升电池的热性能和电性能，尤其对紧密排列的电池组效果显著。电极表面产生的蒸汽泡核通过相变过程中强化流体扰动，从而有效改善了传热效率[37]。
基于这些研究，我们可以清楚地看到，先前的研究主要强调了通过不同浸没式冷却技术实现的热管理改进。研究的重点在于降低峰值温度、保持均匀的温度分布，以及比较各种浸没式冷却液在高功率应用中缓解热点的效果。尽管这些发现对于理解浸没式冷却的即时热效益至关重要，但关于其对电池长期退化影响的文献中仍存在显著空白。
与上述研究不同，本研究首次通过系统量化长循环周期内定期静态容量，探究浸没式冷却对电池衰退的影响。据作者所知，尚无前人研究考察浸没冷却中实验参数（如流体流速、方位角或流体温度）的表征及其对电池老化的直接影响。充电速率被用作评估电化学条件变化的参数。尽管高温对容量衰减的影响以及充放电倍率对电池温度的作用已得到充分证实，但在浸没式冷却背景下的实验验证仍显不足。本研究通过实验分析证实了这些效应，填补了这一空白，并为优化浸没式冷却参数提供了新见解——不仅关注即时的热管理效益，更着眼于提升锂离子电池的长期性能。
本研究启动的初衷，源于采用花朵状排列的七单元电池组在横流条件下进行浸没冷却时获得的与直觉相悖的结果[35]，以及该构型对电池热管理边界条件量化提出的挑战。在先前实验中，紧凑的七单元构型由于极小的单体间距和平行电气连接[38]，可能导致电学与热学参数的差异性。这种不平衡性使得浸没冷却效应的评估变得复杂。为解决这一问题，当前实验装置采用电隔离电池单元并增大间距的设计，从而更清晰地研究浸没式冷却基础参数及其对单体电池性能的影响。通过使单个电池单元暴露于独立的自由流体流中进行测试，不仅能更准确地量化边界条件的影响，同时为模型校准与验证提供了更简化的测试几何构型。
