时高蓄电池锂离子电池的下一代热管理系统：提升电动汽车性能与安全性
锂离子电池的有效热管理对于确保电动汽车的安全性、使用寿命和最佳性能至关重要。电池技术的快速发展和功率密度的不断提高带来了热失控、热量分布不均和效率损失等挑战。本综述旨在指导可持续且安全的电池运行，以支持电动汽车的推广应用。本文批判性地审视了创新型热管理系统的近期进展，包括空气冷却、液体冷却、相变材料、热管、纳米流体、混合冷却系统以及与传感器集成以实现实时监测的新兴智能系统。通过对比分析，重点探讨了各种冷却技术的优势与局限，同时强调了系统设计、成本效益和环境可持续性的重要性。因此，本研究明确了关键性技术缺口与未来研究方向，重点包括纳米材料集成、人工智能驱动控制系统及环保材料的融合应用，以推动新一代热管理解决方案的开发。
图文摘要
引言
当前全球约89%的电力生产仍依赖化石燃料燃烧。使用此类燃料不仅造成环境污染，更对人体健康构成威胁[1]。鉴于化石能源使用的负面影响，科研机构与产业界正致力于寻找新型环保高效能源替代方案，其重点在于开发可再生能源及高效储能技术[2]。由绿色能源驱动的电动汽车（EVs）便是取代传统燃油车辆的可行选择之一。然而，当前可用的电池在可靠性、安全性和行驶续航里程方面仍存在隐患。因此，现有电池无法有效推动电动汽车普及，难以构建绿色出行体系。锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、强大电性能及长循环寿命[3]，已成为电动汽车的首选储能装置。即使在最佳运行条件下，锂离子电池也会随时间推移逐渐老化。因此，湿度、温度、SOC（荷电状态）和充电速度等因素会影响锂离子电池（LIB）的效率[4]。在影响性能的外部因素中，温度的影响最为显著。高温环境下，自放电现象（导致电池寿命和效率降低的主要原因）会加剧[5]。当温度高于平均水平时，电极表面材料会发生溶解，从而引发自放电、电导率上升以及内部短路等问题[6]。低温同样会损害电池性能，因其会减缓电解液反应速率。这可能导致锂枝晶的形成，进而在电池内部引发有害副反应[7]。此外，当温度降至0°C以下时，锂离子电池（LIB）的老化速度会显著加快[8]。LIB在15°C至35°C温度区间内表现出最佳性能，但研究表明其工作温度范围可扩展至10°C至50°C[9]。电池热管理系统（BTMS）对于维持电池长期稳定、安全且高效的运行至关重要。
锂离子电池（LIBs）多年来一直是储能技术的基石，这主要归功于其高能量密度和高效能，尤其是在电动汽车领域的应用[10]。该电池体系能量密度可达300 Wh/kg，循环寿命介于500至1000次循环之间，凭借其卓越的能量存储能力和成熟的技术发展而获得广泛应用。然而，锂离子电池仍受限于安全隐患和资源约束问题[11]。固态电池(SSBs)作为一种改良方案，具有更高的能量密度（约350 Wh/kg）和更强的安全性，可在常温环境下实现高达1000次循环。然而，其大规模应用受到高制造成本和材料稳定性问题制约[12]。液流电池则展现出卓越的可扩展性和耐久性，循环寿命可达10,000次，但存在能量密度较低（约100 Wh/kg）和系统固有复杂性等缺陷[13]。.
钠硫（NaS）电池具有约240 Wh/kg的高能量密度和约2500回合的循环寿命，工作温度为300-350°C的高温环境。尽管其原材料资源丰富，但由于高温运行特性也引发了显著的安全隐患[14]。锂离子电容器在电池与超级电容器技术之间取得平衡，即便在低温（-10°C至60°C）条件下也能提供高功率密度和高效性能，但与锂离子电池相比能量密度较低且循环寿命较短[15]。水系电池以经济性和操作安全性著称，但其能量密度较低且循环寿命相对较短[16]。
图1对比了纯电动汽车(BEVs)与氢燃料电池汽车(HFCVs)在系统布局、效率及实际应用方面的差异。纯电动汽车主要由电机、逆变器和电池构成，这种结构使其具有较高的整体效率和相对简单的安装特性。这种简洁性也导致其维护需求较低。相比之下，氢燃料电池汽车依赖更复杂的系统配置，包括高压储氢装置和复杂的燃料电池系统。这些要求导致能量转换效率降低、安装更具挑战性且维护需求更高。燃料电池电动汽车(FCEVs)与纯电动汽车(BEVs)均能实现零排放运输，但在效率、基础设施需求及理想应用场景方面存在显著差异。BEVs能将更大比例的输入能量转化为驱动力，使其成为整体效率更高的技术路线。其不断扩展的充电网络、持续下降的电池价格以及先进的制造工艺，赋予了它们显著的经济性与实用性优势。然而，氢燃料汽车具备更长的续航里程与极快的加注速度，这使得它们在对连续作业或长途运输有需求的领域具有吸引力。但其推广仍受制于氢气生产与加注站点有限及成本高昂的现状。总体而言，纯电动汽车更适用于主流客运场景，而氢燃料电池汽车在快速补能与超长续航至关重要的重型运输及远程出行领域具有战略价值。
表1总结了电动汽车采用的不同电池冷却策略及其对应的电芯规格、化学体系和性能特征。液冷系统广泛应用于特斯拉车型、BMW i3和福特福克斯电动版等高性能电动车，可提供更高电池容量和更长续航里程。风冷技术主要应用于日产Leaf和起亚Soul EV等早期或低功率电动车，这类方案虽热性能有限，但胜在结构简单且成本低廉。然而相变材料辅助冷却、热管辅助冷却及混合冷却系统等先进方案，目前主要在研究和原型电池包中进行探索。这些方案在不同规格电芯和化学体系中均展现出温度控制优化的潜力。
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