液態鋰離子動力電池

鋰離子動力電池是20世紀開發成功的新型高能電池。鋰離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。70年代進入實用化。因其具有能量高、電池電壓高、工作溫度範圍寬、貯存壽命長等優點，已廣泛套用于軍事和民用小型電器中，如行動電話、攜帶型計算機、攝像機、照相機等、部分代替了傳統電池。大容量鋰離子電池已在電動汽車中試用，將成為21世紀電動汽車的主要動力電源之一，並將在人造衛星、航空航天和儲能方面得到套用。

基本介紹

• 中文名：液態鋰離子動力電池
• 外文名：Liquid lithium ion power battery
• 領域：工程技術
• 學科：電力工程

工作原理

鋰離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌（習慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”，電解液為液態物質的為液態鋰離子電池。鋰離子電池是一種高能量密度、高工作電壓的環保電池。

用途

外循式電極液蓄本技術實現了電極質體的液化態。根據不同電解液使用　相應的隔膜，此液態電極可直接用於現有技術的固態、凝膠態蓄電池和矽蓄電池，來實現液態電極電池內的能量轉化工作。此電極液實現了可脫離電池體，如加油效果使用，增強充電的方便效率。可實現自家個體太陽能和供應商加油站充給蓄滿飽和電極液。實現汽車、電動車等運輸工具與動力機械設備的超高效節能與環保的途徑用途，解決新型能源的轉化途徑。使太陽能汽車直接實現市場化的汽車業尖端技術。

鋰離子動力電池冷卻技術

按照傳熱介質的不同分類，鋰離子電池冷卻技術可以分為：空氣冷卻、液體冷卻以及相變材料(Phase Change Material，簡稱PCM)冷卻。
1) 空氣冷卻技術

空氣冷卻是使用空氣作為冷卻介質來冷卻鋰離子電池。根據空氣冷卻系統的結構不同，分為串列冷卻和並行冷卻；根據是否使用風扇，分為強迫冷卻和自然冷卻。
 串列和並行冷卻方式

1999 年，Ahmad A. Pesaran 等人提出了串列冷卻和並行冷卻，圖1(a)是串列式冷卻，空氣從電池包左側吹入，右側吹出，由於後面電池冷卻效果不佳，易造成電池包散熱非常不均勻；圖1(b)是並行式冷卻，空氣從底部的吹入，上部吹出，差不多數量的空氣流通過每個電池，使電池包均勻冷卻。實驗結果表明：在相同的條件下，並聯冷卻均勻，電池組的最大溫度差為8℃，使用串列冷卻時，電池組的最低溫度有所下降，但電池組溫度差高達18℃，冷卻效果很不均勻。
 自然和強制冷卻方式

自然冷卻，即使用冷卻風扇，散熱效果相對較差。強制冷卻是冷卻風扇冷卻使用，大部分電動車都採用這種冷卻，豐田普銳斯和本田Insight 採用強制冷卻。

2002 年，Kenneth J. Kelly 等人對2001 年款Prius 和2000 年款Insight 的電池熱管理系統進行測試結果表明，兩款車的電池溫度被控制在合理範圍內。Prius 採用的冷卻風扇有四種工作模式：停止、低速、中速和高速，熱管理系統根據電池溫度的差異，在不同的經營模式下，對空氣強制冷卻效果進行了實驗和數值模擬，採用18650 型鋰離子電池，當環境溫度在45℃、放電倍率為6.67 C 時，無論空氣的流速有多大，都無法將電池包的溫度控制在55℃以下；當空氣流速增加時，電池單體表面溫度差也將隨之增大。

空氣冷卻目前雖然是最成熟、最簡單的冷卻方式，但空氣冷卻效果和冷卻溫度的均勻性差，在複雜的工況條件下難以保持電池溫度和溫度均勻性在安全範圍內。
2) 液體冷卻技術
液體冷卻技術指的是電池組內流通的傳熱介質是液體，液體通常比空氣的傳熱係數要高得多，並且液體有更薄的邊界層，使得它的導熱率更高，冷卻效果自然較好。

按照液體是否與電池直接接觸，液體冷卻分為接觸式冷卻和非接觸式冷卻，接觸式冷卻常採用的傳熱介質為絕緣的礦物油，非接觸式冷卻通常採用水、乙二醇等作為傳熱介質。非接觸式液體冷卻要保證液體管路有較好的密封性能以及管路的走向合理性，才能達到較好的控溫以及熱平衡的目的，因而，對電池箱設計及加工要求較高；接觸式液體冷卻所採用的礦物油因具有高粘度，所以需要較大的泵功率才能使系統正常運行，這對於本身續航里程能力不足的電動車來講是非常不利的。

液體散熱系統的設計通常要與整體設計聯繫在一起。液體冷卻介質通過與電池之間的熱交換，介質溫度升高，經過外部換熱設備如熱交換器、車輛空調系統等將熱量排放出去。

液冷方式的主要優點有：與電池壁面之間換熱係數高，冷卻、加熱速度快；體枳較小。主要缺點有：存在漏液的可能；質量相對較大；需要水套、換熱器等部件，維修和保養複雜。電動汽車的動力電池模組成本高，個數多，質量大，體積大。附加的熱管理系統應儘可能減少電池的能量損失，減少總質量，減少額外的能源消耗，以達到汽車輕量化的要求，還應考慮有效的保護電池和電路，延長電池使用壽命。
3) 相變材料冷卻技術

相變材料(Phase-Change Material, PCM)是一類特殊的功能性材料，能在恆溫或近似恆溫的情況下發生相變，同時伴隨有較大熱量吸收或釋放。PCM 材料最初是用來作為儲存熱量的介質，主要目的是平衡熱能的供需差異。PCM 材料套用的基礎有兩個：其一，PCM 材料相變過程的等溫性，這種特性有利於將溫度變化控制在較小的範圍內，可以用來控制溫度；其二，PCM 材料有很高的相變潛熱，少量的材料可以存儲大量的熱量，在各系統中套用時可顯著減輕系統重量。

鋰離子動力電池冷卻技術最佳化方案

按照風冷、液冷、相變材料冷卻的順序，各種冷卻方法的比較如下所示：

空氣冷卻技術的優點：① 結構簡單，重量相對較小；② 成本較低；③ 有害氣體產生時有效通風。

缺點：① 冷卻速度比較慢，吸入的空氣必須經過過濾處理；② 系統受環境溫度影響較大。

液體冷卻的優點：① 傳熱更有效，溫度均勻好；② 與電池組壁面之間的熱交換係數高。

缺點：①系統重量相對較大，存在漏液的情況；② 可能需要水套、熱交換器等部件。

相變材料冷卻的優點：① 可回收利用產生的熱量；② 相變過程體積變化小、相變潛熱較大；

缺點：① 需要附加其他散熱系統；② 相變材料導熱率較低。