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《储能科学与技术》推荐|曾少鸿 等：锂离子电池浸没式冷却技术研究综述

时间：2023-10-09 来源： 浏览：

《储能科学与技术》推荐|曾少鸿 等：锂离子电池浸没式冷却技术研究综述

原创 曾少鸿 吴伟雄 等 储能科学与技术
储能科学与技术

esst2012

中文核心、科技核心和cscd核心期刊，化学工业出版社和中国化工学会主办，主编黄学杰研究员。投稿及下载官网：http://esst.cip.com.cn/CN/2095-4239/home.shtml；欢迎给公众号投稿

收录于合集
#2023年第9期 12 个
#锂离子电池 11 个
#综述 126 个

作者： 曾少鸿 1 ( ), 吴伟雄 1 ( ), 刘吉臻 1 , 汪双凤 2 , 叶石丰 3 , 冯振宇 3    

单位： 1. 暨南大学能源电力研究中心；2. 华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室；3. 广东电网有限责任公司广州供电局

引用： 曾少鸿, 吴伟雄, 刘吉臻, 等. 锂离子电池浸没式冷却技术研究综述[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(9): 2888-2903.

DOI： 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0269

摘 要   电池热管理系统对锂离子电池的安全高效运行具有重要意义。浸没式冷却技术较传统热管理技术在温控性能和能效等方面优势明显，而且随着电动汽车和储能电站的快速发展，浸没式冷却系统的研究逐渐受到重视。本文首先从导热性、黏性、密度、安全性、环保性、经济性等角度，系统总结目前常用的五类介电流体：电子氟化液、碳氢化合物、酯类、硅油类和水基流体，指出不同介电流体的优势与劣势。然后依据电池系统工作温度特性，详细评述国内外浸没式冷却在低温预热、常温冷却、热失控抑制方面的研究进展。低温预热研究尚少，常温冷却分为单相液体冷却和气液相变冷却，具有高闪点的介电流体在热失控发展的不同时期均起到抑制作用。最后，介绍了该领域目前的探索或示范性工作，并提出锂离子电池浸没式系统介电流体未来的发展方向。其中，电子氟化液和合成碳氢化合物相对使用成熟，酯类和硅油类的研究较少，水基流体亟需解决电绝缘问题。本文可为电化学储能系统浸没式冷却系统设计提供参考。
关键词   锂离子电池；电池热管理；浸没式冷却；介电流体
储能技术作为新能源发展的核心支撑，覆盖电源侧、电网侧、负荷侧等环节，将成为带动全球能源格局革命性调整的重要引领技术。其中，锂离子电池具有比能量高和环境污染小等优点，被广泛应用于电化学储能系统。随着各个领域(如电动汽车和储能电站)对电池能量密度和功率需求的提高，由热量引起的性能衰退和安全性问题日益突出。电池工作温度过高或者过低，以及分布不均匀，都会导致性能下降，甚至引发热失控。一般认为锂电池可接受的工作温度范围是-20～60 ℃，最佳区间是15～35 ℃，电池模组温差应控制在5 ℃内。为提高电池性能、保障寿命、保证热安全，需开发高效合理的电池热管理系统。
根据传热介质的不同，电池热管理系统可分为四种模式：风冷、相变材料冷却、热管冷却和液冷。风冷结构简单，技术成熟，成本低，现已实现商业化应用。但空气的比热容和导热系数很低，无法满足高比能、大电流电池的散热需求 。 相变冷却使用相变材料潜热特性来吸收热量，常用的相变材料有石蜡及其添加剂。但相变冷却受到相变材料质量和体积的限制，而且相变材料在完全熔化后可能会失效。热管冷却可以灵活设计几何形状，显著降低热阻，但热管容量低、接触面积小，通常需要与其他冷却方式结合。Wu等对液冷式电池热管理做了系统总结，根据液体与电池的接触方式可分为浸没式冷却(即直接冷却)和间接冷却。相比于间接冷却，使用介电流体的浸没式冷却有以下优势：① 介电流体直接与电池接触，热阻小，传热面积大，冷却效率高，温度均匀性好；② 结构紧凑，不需要设置复杂的冷板；③ 可作为被动式方案，能耗低，尤其是使用相变流体时；④ 介电流体具有阻燃性时，浸没冷却可以有效降低电池热失控风险。
锂电池浸没式冷却是个新兴的研究领域，相关研究在近几年呈现快速增长趋势。鉴于此，本文首先总结5类常用介电流体的基本特性，然后梳理浸没式冷却技术在低温预热、常温冷却和热失控抑制方面的研究进展，以及展示现有的浸没式工业应用探索，最后对电池浸没式冷却系统研究现状进行总结和展望，供学者和相关行业工程师参考。

1 介电流体

冷却液作为浸没式锂电池热管理系统的核心，其热物理性质在很大程度上决定了锂电池系统的运行性能。本文系统地汇总了浸没式热管理系统所使用的冷却液，并总结为5类：电子氟化液、碳氢化合物、酯类、硅油类、水基类，其物性参数见表1。冷却液的选择应从以下角度考虑：① 冷却液应不导电，即低介电常数；② 冷却液应具有优良的导热性能，即高比热容和高导热系数；③ 冷却液应在使用温度范围内不发生凝固或者燃烧现象，即低凝固点、不易燃或高闪点；④ 冷却液对锂电池系统的材料兼容性友好，即与直接接触的材料无腐蚀作用；⑤ 冷却液大规模使用的前提是应具有环保性，包括零臭氧消耗潜能值(ODP)和低全球变暖潜能值(GWP)。此外，针对具体使用场景，低黏度、低密度、无毒无害、长寿命、经济性、合适的工作温度范围等都是需要考察的因素。如图1所示，本文将5类冷却液的6个指标(导热性、黏性、密度、安全性、环保性、经济性)进行定性对比，在某一指标上表现越好，该指标就越大，越靠近外边沿。综合考虑5类冷却液的6个指标等因素，可为相关介电流体的选择和热管理系统设计提供指导。

表1   浸没式冷却液的物性参数

① 1 cSt=10 -6  m 2 /s。

表1   (续) 浸没式冷却液的物性参数

图1     介电流体技术指标比较

1.1　电子氟化液

浸没式冷却用电子氟化液包括氢氟醚(HFE)和氢氟烯烃(HFO)。HFE和HFO是高ODP、高GWP化合物的第三代替代品，具有不破坏臭氧层、低GWP的绿色属性，被用作制冷剂等。近年来，电子氟化液在电力电子设备浸没式冷却领域备受关注。采用电子氟化液的浸没式相变冷却对于冷却高功率芯片(>100 W/cm 2 )具有潜在优势。鉴于电子氟化液表现出的低介电常数、材料兼容性和不易燃安全性，在电池热管理领域同样受到关注。对于材料兼容性，美国3M公司的电子氟化液可与常见的金属、塑料和橡胶相容，这些材料是电池热管理系统中应用的代表性材料，但针对电动汽车行业和储能行业中使用的特定材料，还需进行更多的材料兼容性验证。可进行长期储存实验来验证材料兼容性，如用金相显微镜观察接触材料表面是否腐蚀，用气相色谱质谱法仪分析冷却液成分是否污染。Novec7000和SF33分别作为典型的HFE和HFO类电子氟化液，已在电池单相冷却和相变冷却方面受到研究者关注。利用沸点34 ℃的Novec7000可将5 C大倍率放电的电池温度维持在34.5 ℃附近，同时液体沸腾可消除电池本体的温差0.7 ℃实现热均匀化。
因此，可相变冷却的电子氟化液适用于电池极端快速充放电工况，对减小电池本体温差和动态负载条件下的温度波动有优势，具有较大的应用潜力。Koster等的研究表明，在电池老化实验中，经过600次循环后，浸没式电池组的容量保持率比风冷模组高3.3%。然而，目前缺少电子氟化液对电池寿命性能影响的系统研究，以及在实现大规模应用上存在问题，如材料成本和回收处理。此外，电子氟化液的密度比水高40%～60%，导致电池模组重量的增加，在电动汽车、飞行器等移动场景使用会增加动力负载。

1.2　碳氢化合物

碳氢化合物包括矿物油和合成碳氢化合物油。其中，矿物油由石油分馏提炼制成，是环烷烃、链烷烃和芳香烃的混合物，具有低介电常数、良好的导热性能、低黏度和低成本等特性。矿物油是目前使用最广泛的介电流体，如在电力变压器领域，作为冷却介质和绝缘介质已有超过100年历史。近年来，有学者开展矿物油进行电池浸没式冷却研究。Wang等使用10号变压器油做浸没式冷却液，设计了一种浸没式电池热管理系统，可在主动和被动模式下运行。尽管矿物油具有良好的温控性能，但典型矿物油的生物降解性不超过30%，发生泄漏会对环境造成影响，并带来繁重的故障处置和清理工作。近年来，我国南方电网、华东、华北等单位及地区多次在变压器故障中发现硫化沉积物。原因主要是矿物油中含有0.001%～0.5%的腐蚀性硫，通过与铜线反应生成硫化亚铜沉积物，当硫化亚铜迁移到绝缘纸表面时，会降低绝缘纸的电性能，从而危及变压器的安全运行。然而暂未有相关研究论证矿物油在电池热管理系统中的可靠性。
相比矿物油，合成碳氢化合物油更加安全可靠。美国Engineered Fluids公司于2017年推出了“AmpCool AC-1XX”系列介电流体。AmpCool不含硫、金属或其他杂质，而且是生物可降解的，无毒，无卤，不破坏臭氧层。Engineered Fluids公司创始人Sundin使用AmpCool AC-100浸没68 Ah方形电池进行热管理，在四个充放电循环期间，浸没式电池的温度始终保持在(23±3) ℃内，而强制空气冷却条件下电池经历了20～37 ℃的温度波动。在2019年，荷兰壳牌公司推出“E-Thermal Fluids E5 TM”系列介电流体，这款介电流体专为电池、逆变器和快速充电器而设计。它由天然气制油(GTL)技术制成，几乎不含硫，因此对电池系统无腐蚀。E-Thermal Fluids与许多常见材料兼容，例如橡胶、塑料和金属。值得注意的是，E-Thermal Fluids与AmpCool的密度约为水的80%，可进一步减轻重量从而延长车辆续航里程。然而，它们仍然存在易燃且闪点不高问题，是易燃用品，有引起火灾和烧伤事故的隐患。

1.3　酯类

酯类作为变压器中矿物油的替代品，因其绝缘性能、生物降解性、高闪点、低成本受到电力行业的关注和应用。酯类可分为天然酯和合成酯。天然酯是从植物油里提取而来的甘油三酯，合成酯是经酯化反应生成的化合物。合成酯比天然酯具有更好的氧化稳定性。截至2018年，全世界使用天然酯绝缘冷却的设备接近150万台。使用合成酯的设备逐步推广，涉及低压设备和高压设备，相关行业标准文件也在逐步制定。酯类在电力电子设备的研究与应用日益成熟，然而尚未有公开的研究使用酯类去冷却锂电池。到目前为止，只有英国M&I Materials公司推出可供电池热管理使用的酯类介电流体MIVOLT，包括低黏度产品DF7和高黏度产品DFK。

1.4　硅油类

硅油是聚二甲基硅氧烷(PDMS)与二甲基硅氧烷和西甲硅氧烷的混合物，因其无毒、高润滑性和稳定成膜等独特性能，广泛用于润滑剂、电绝缘体、消泡等场合。因其绝缘性、适宜的温度使用范围和良好的导热性能受到浸没式冷却领域的关注。不同类型的硅油黏度不同，这取决于分子量和聚合物的长度，增加硅油的分子量导致聚合物链长增加，从而使黏度增加。Zhou等用数值模拟研究二甲基硅油流动冷却软包锂电池，并研究了冷却液黏度对系统的影响。结果表明系统压降与黏度成正比，较高的黏度不利于冷却液的流动，增加系统的泵功。

1.5　水基流体

相比于前面介绍的介电流体，去离子水与水乙二醇溶液、纳米流体等水基流体具有较高的冷却能力和低廉的成本。去离子水作为导热流体的一个问题是在零度以下的环境会凝固，水乙二醇溶液可以适应低温环境，其凝固点随乙二醇占比而变化，如1∶1水乙二醇溶液的凝固点为-36.8 ℃。纳米流体是将高导热的纳米级颗粒添加到基础流体中形成的一种具有高导热率的复合液体。纳米流体的导热率与纳米颗粒的种类和浓度有关，纳米颗粒可以是金属或金属氧化物等材料。研究表明在水乙二醇溶液中加入体积分数0.5%氧化铝纳米颗粒时，纳米流体的导热系数增加超过0.05 W/(m · K)。
值得注意的是，这类高导热率的水基流体本质上不属于介电流体，因此在应用于锂电池浸没式冷却领域时，亟需解决电绝缘问题。为此，研究学者提出多种解决方案，包括绝缘涂层，硅胶密封，优化结构设计等。Birbarah等利用具有电绝缘性质的聚对二甲苯碳涂层隔离印刷电路板与水[图2(a)]，实验证明薄至1 μm的涂层可以保护200 V的系统。经过10年的80 ℃空气环境可靠性测试，该涂层未出现明显的电气、机械或热物理退化。Li等使用掺混氮化硼的硅酮密封胶涂覆在18650电池周围[图2(b)]，结果表明氮化硼质量占比10%的复合硅酮密封胶和纯硅酮均达到防水要求。将导电流体与带电的极耳隔离开是浸没式电池优化结构设计的基本思路。Patil等基于软包电池设计了一种极耳风冷和电芯液冷的电池模组[图2(c)]。Luo等针对圆柱形锂电池，用带螺纹的密封圈和盖子防止冷却水从流道中泄漏，同时露出电池极耳，类似设计可拓展至电池模组[图2(d)]。

图2     水基流体电绝缘问题解决方案。 (a)  涂有聚对二甲苯 C 涂层的电路板 ； (b)  硅酮密封胶的制备和涂覆在电池上 ； (c)  极耳风冷和电芯液冷的电池组 ； (d)  露出极耳的密封设计
除此之外，还需关注锂离子电池系统的密封性，如水基流体泄漏时，可能会导致周围电力电子器件短路等危险。对于浸没式系统的封装可使用塑料或更坚固的金属，在其接合处用橡胶密封防止冷却液泄漏，其中涉及的材料需要与冷却液兼容性友好。另外需对封装好的电池系统外部进行振动和碰撞测试，对内部进行液压加压测试，以确保其对冷却液体或气体的密封性。

2 低温预热

在低温环境下，锂电池性能会出现明显下降。衰减的性能表现在多方面，包括充电接受能力、输出功率和能量密度、寿命等，以及存在安全风险。Lin等指出锂电池在低温下充电过程无法正常进行，如在-20 ℃低温下进行充放电循环，电池初始开路电压为0.8 V，在第四次充电后下降至0.4 V，第五次充电后稳定在0 V。Nagasubramanian等指出低温-40 ℃的锂电池与常温25 ℃时相比，输出功率仅为1.25%，能量密度仅为5%。Ouyang等指出在低温-10 ℃时，11.5 Ah锂电池在0.5 C速率下进行充放电循环40次后容量损失25%。Piao等指出低温下石墨容易镀金属锂，锂枝晶可能会穿透隔膜导致电池内部短路，引发热失控。
电池预热技术是有效缓解寒冷环境下锂电池性能下降、降低安全风险的重要对策。Wang等综述了不同的电池预热技术，根据热量传递路径的不同可分为外部加热和内部加热，并指出外部加热中的液体浸没式预热更具潜力，因其有更高的传热系数，更均匀的温度分布和更快的升温速度。目前关于液体浸没式预热的研究有限，预热关键指标如表2所示。相比电池冷却，电池预热更关注平均升温速度和预热时间。较快的升温速度使电池可以快速地进入正常工作状态。值得注意的是，从中可以观察出，较快的升温速度会使模组温差增大，通常建议锂电池单体温差、电池模组温差控制在5 ℃内。

表2   液体浸没式预热关键指标汇总

3 常温冷却

在常温环境下，锂电池在使用时发热升温。锂电池工作的最佳温度范围是15～35 ℃。电池工作温度超过50 ℃会引起容量衰减、功率衰减、加速老化等不良表现，这些问题的出现往往是不可逆的。Liu等研究锂电池在环境温度55 ℃时的电化学性能，发现循环100次后容量只剩48.2%。Thomas等的加速老化实验中，指出电池在55 ℃的环境中储存20周后，功率衰减55%。当温度继续上升时，SEI膜在90～120 ℃时或较低的69 ℃发生热分解，隔膜在130 ℃时融化，这将导致电极短路释放出大量热量，继而引发热失控。有关热失控的内容将在第4节中展开说明。根据介电流体在电池冷却过程有无发生沸腾相变，可分为单相液体冷却与气液相变冷却，本节从这两个角度进行综述。

3.1　单相液体冷却

目前关于电池浸没式冷却的研究，集中在单相液体冷却领域。相比气液相变冷却，单相液体冷却的适用范围更广，实验条件相对简单。气液相变冷却涉及到气体产生与压力变化，在移动平台(汽车、船舶、飞行器等)上使用的安全问题还需进一步研究论证。单相液体冷却则可以在移动平台和固定平台(储能电站、数据中心等)使用。针对浸没式单相液体冷却，根据研究的侧重点不同，笔者梳理了以下几个方向：冷却方式对比、介电流体对比、结构与流道的创新、流动传热机制。
同样是使用液体冷却，学者将浸没式液体冷却与商业应用成熟的间接冷却技术进行对比。Dubey等提出196个21700圆柱电池的浸没式模型和冷板式模型[图3(a)]，分析放电倍率和冷却液流量对冷却液压降、最大温度、模组温差和热导率的影响。研究表明，2 C时浸没式系统的最大温升约为冷板式系统的50%。在特定的冷却液流量下，浸没式的热导率比冷板式高2.5～3倍，而冷板式的压降高15～25倍。值得注意的是，浸没式电池在长度方向上温差小，而冷板式电池在半径方向上温差小。Wu等对比浸没冷却和间接冷却的840个18650电池大模组系统[图3(b)]，浸没式系统的质量和体积集成率是间接冷却系统的1.1和1.5倍，而最大温升和最大温差仅20%～30%。

图3     冷却方式的对比。 (a)  浸没式和冷板式的对比 ； (b)  浸没冷却和间接冷却的对比
介电流体种类多样，对比不同的介电流体以确定适配工况的液体。Jithin等在4S1P圆柱电池上对比了矿物油、AmpCool AC-100和去离子水的冷却效果。研究发现对于3 C放电，去离子水更有效地将温升限制在2.2 ℃以下，矿物油和AmpCool AC-100的热性能相当，但后者在0.05 kg/s的质量流量下泵功减少76.43%。Satyanarayana等提出低成本介电流体(矿物油、热敏油)可以替代高成本流体(Novec、AmpCool)。
结构与流道的创新可以提高冷却性能，方便拓展和减少泵功。Tan等提出多层结构和交叉流动配置的流道[图4(a)]，用硅胶分隔出多层流道，最大温差和温度标准偏差可分别降低18.1%和25.0%。Ezeiza等针对软包电池设计了模块化的单元[图4(b)]。模块化设计可以减少流体对重量的影响，而且可以拓展到系统级别，通过降低冷却液流量和增加并联模块数量来提高系统效率。Le等提出一种新型的歧管浸没式冷却结构[图4(c)]。使用歧管和挡板形成的射流冲刷电池表面，具有较高的局部对流传热系数，同时指出应削弱不利于传热的涡流。Wang等提出一种浸没式耦合直接冷却的方案[图4(d)]。电池浸没在介电流体中，与介电流体接触的直冷管用来带走热量。这种设计可以避免使用复杂的二次回路来冷却介电流体。除此之外，水基流体小节中将导电的水基流体与带电极耳分开的电绝缘设计也是结构创新。

图4     结构与流道创新。 (a)  多层结构的流道 ； (b)  模块化设计 ； (c)  歧管浸没式冷却结构 ； (d)  浸没式耦合直接冷却
目前，对单相液冷的流动传热机制的探究比较少。Liu等搭建了精细的矿物油浸没式冷却台，通过规模实验和理论分析，用无量纲参数揭示了影响油浸没式冷却系统的流动传热机制。如图5所示，Liu指出电池与矿物油的传热过程中存在自然对流和强制对流，努塞尔数 Nu 由自然对流努塞尔数 Nu n 和平均努塞尔数 Nu f 共同决定。在低雷诺数 Re 下，自然对流在传热机制中起主导作用。随着 Re 的增加，强制对流的效果与自然对流相当，然后超过自然对流。

图5     油浸式冷却的流动传热机制

3.2　气液相变冷却

本文所述气液相变冷却通常指沸腾冷却。沸腾传热过程强烈依赖温度并且是非线性的。图6揭示了热流密度与壁面过热度的关系，在传热过程中不同阶段发生不同的物理机制。在区域Ⅰ，过热度较小，传热以液体自然对流为主。随着过热度的增加，在 A 点时热壁面上的汽化核心开始随机产生气泡，进入部分核态沸腾区Ⅱ。汽化核心继续增加，产生更多气泡并相互扰动。在 B 点附近孤立气泡合并成气柱与气块，进而开始完全核态沸腾区Ⅲ。到峰值热通量 C 点，核态沸腾已经完全发展。而后进入过渡沸腾区Ⅳ，气泡聚集覆盖在加热表面上，蒸汽排放过程被抑制，导致热流密度降低，直到 D 点最低热流密度。在 D 点之后的膜态沸腾区Ⅳ，加热表面上形成稳定的蒸汽膜层，且蒸汽膜层有规律地脱离，热流密度随着过热度的增大而增加。由于汽膜的热阻较大，传热效率降低。 A 点到 C 点的区域称为核态沸腾区，具有温压小、传热强的特点，电池沸腾换热的研究集中在这个区域(图6灰色区域)。值得一提的是，可以通过主动调节气压来调节液体沸点，使沸腾维持在热通量较高的核态沸腾状态。

图6     沸腾传热原理 ( 改编自文献[ 37 ] )
气泡生长过程对于揭示锂电池沸腾传热机理具有重要意义。Li团队使用高速摄像机研究锂电池SF33浸没冷却过程中的沸腾现象，关注气泡的生长过程。18650锂电池的气泡生长过程如图7所示。状态A时，电池底部产生气泡。随着电池不断产热，气泡体积逐渐增大。状态E时，气泡处于分离的边缘。同时，电池底部的多个气泡连结成气柱。随着气泡体积的增加，气泡开始逐渐分离。部分脱离的气泡在上升的过程中会与周围的气泡融合，最终形成更大的气泡上升到液体表面。气泡的脱离破坏了电池表面附近停滞的温度边界层，引起液体的强烈扰动，从而加强对流传热。同时发现，气泡脱离频率和气泡平均直径随着放电倍率的提高而增加。除此之外，该团队还研究了26650电池、不同容量18650电池的气泡生长过程。

图7     气泡生长图
沸腾换热在高充放电倍率下表现出优异的温控能力，可在减少系统介电流体用量时实现与单相方式相等的控温效果，有利于电池系统的轻量化。Hirano等设计了基于Novec7000的浸没式冷却装置[图8(a)]。在极高倍率20 C充放电循环中，电池温度始终保持在(35±2.5) ℃。进一步提出了两种结构[图8(b)]实现气液两相的顺利流动：A型多孔材料；B型超细纤维布和塑料隔板。结果表明，20 C充放电循环中，B型电池50%浸液的冷却效果与A型电池100%浸液的冷却效果几乎相同，都能控制在35 ℃左右。Wu等针对大尺寸软包电池设计了基于Novec7000的间歇流动式沸腾冷却系统[图8(c)]，目的是控制电池温度峰值和温度梯度的同时使用最少量的冷却剂。在2 C充放电循环中，每小时注入24 mL的Novec7000，可将电池表面温度控制在36 ℃以下，温差小于2 ℃[图8(d)]。

图8     沸腾换热。 (a)  基于 Novec7000 的浸没式冷却装置 ； (b)  两种填充结构 ； (c)  间歇流动式沸腾冷却系统 ； (d)  电池不同区域温度和冷却剂运行模式
气液相变冷却的研究以实验为主，但数值仿真方面也得到逐渐发展。Wang等研究了基于HFE-7000流动沸腾的电池热管理系统，建立了三维数值模型，用基于两相Euler-Euler方法的混合模型来描述HFE-7000的气液流动，将与温度相关的热物理数据集成到数值模拟中。数值结果与实验数据的相对偏差小于5%。Al-Zareer团队在纯数值仿真领域做了大量研究，提出基于氨燃料或丙烷燃料的混合动力汽车的电池热管理系统，还可通过制冷剂R134a将电池热管理系统与汽车空调系统结合。现有的气液相变冷却研究中尚缺乏实验与仿真相结合的文献。

4 热失控抑制

热失控是锂离子电池安全问题的核心，发生时会在电化学行为和热行为上表现出一系列的连锁反应，温升速率急剧升高，并通常伴随着冒烟、起火等现象。另外，如果不能有效阻断模组内某一失控单体，将会触发周围电池发生热失控，造成多米诺骨牌效应而造成极大危害。浸没式冷却对锂电池的热失控具有显著的抑制作用，相关研究如表3所示。

表3   浸没式热失控实验研究汇总

在锂电池热量积聚初期，介电流体可以吸收大量热量，防止或延缓电池升温到热失控触发温度。若电池发生热失控，副反应产生的气体导致电池外壳开裂，介电流体可以第一时间淹没正负极，阻止正负极发生进一步的短路反应，阻止可燃气体与氧气接触，有效抑制燃烧事件发生。同时阻止热量向周围电池传导，防止热失控的传播。对于热量积聚初期，Li等分别使用五种碳氟化合物冷却受热的锂电池单体，电池最高温度均远低于热失控触发温度，未发生热失控。对于热蔓延的阻断，Zhou等使用沸点49 ℃的Novec 649冷却软包电池组，其中一个电池用过充触发热失控。触发电池仅在很短的14 s内温度超过60 ℃，最高达到183.9 ℃，相邻电池未发生热失控。对于热失控发生时，Zhao等使用E5 TM 410冷却方形电池模组，加热触发电池模组发生热失控，实验过程中不起火、不爆炸、只有烟雾，符合中国标准GBT/38031—2020的要求。
另一方面，介电流体的火灾行为需关注。李雨泽在变压器油冷却的锂电池热失控实验中，发现变压器油高温分解产生少量的可燃气体，包括甲烷、乙烷和氢气等。Hellebuyck等对矿物油、硅油和酯油进行火灾风险评估，结果表明硅油的单位面积热释放率最低。对于后续浸没式系统安全研究，需深入探究各式介电流体的火灾特性，并进行电池组小规模实验和大规模实验来全面评估火灾风险。

5 浸没式应用

随着锂电池行业快速发展，如何降低锂电池系统成本是工业界所关注的问题。Lander等指出使用浸没式冷却系统可以有效延长电池寿命，降低电池生命周期成本和碳足迹。相比空气冷却，浸没式冷却的电池生命周期成本降低了27%，碳足迹减少了25%。然而浸没式系统存在介电流体成本高、高黏度流体泵送功率高、电池系统重量增加等问题，目前尚未实现大规模工业化，部分探索或示范性工业产品逐步推出。台湾Xing Mobility公司推出浸没式冷却电池系统IMMERSIO XM25，XM25将电池组与电池管理系统和主动安全模块相结合。并表示该系统设计主要应用于大电池的商用车，可以1 C充电和1.67 C放电，使用寿命超3000次循环。法国Exoes公司可为各种形状的电池开发多种浸没式架构的电池系统，快速充电耗时不到10分钟，并且能阻止热失控传播。法国TotalEnergies公司将浸没式电池冷却技术应用于公路车，用浸没式方案取代沃尔沃XC90插电式混合动力车中的电池冷却系统，冷却能力提高了7倍，车辆重量减少4%，成本降低5.6%。相比普通汽车，跑车的高性能也带来令人困扰的热管理和热安全难题。英国Mclaren公司推出Speedtail豪华性能跑车，该车是全球首款使用浸没式电池技术的跑车。Speedtail从静止加速到300 km/h仅需12.8 s，最高时速400 km/h，最大可产生1050马力(1马力=0.735 kW)的混合动力。储能电站领域也开始推出浸没式储能系统。2023年3月全球首个浸没式液冷储能电站——南方电网梅州宝湖储能电站正式投入运行。该电站采用预制舱式结构，每个电池舱容量5.2 MWh，电池温升不超过5 ℃，不同电池温差不超过2 ℃，年发电量近8100万度(1度=1 kWh)，可减少二氧化碳排放超4.5万吨。

6 总结与展望

本文总结了适用于电池浸没式冷却的介电流体，归类为五大类：电子氟化液、碳氢化合物、酯类、硅油类和水基流体。主要从导热性、黏性、密度、安全性、环保性、经济性这六个指标去评价这五类介电流体，关键物性参数包括黏度、密度、导热系数、比热容、介电常数、倾点、沸点、汽化潜热和闪点。其中部分电子氟化液可进行气液相变冷却，沸腾吸收潜热可稳定控制电池在安全温度中运行。合成碳氢化合物适合单相冷却。酯类和硅油类的研究相对较少。水基流体冷却效果好，成本低廉，但电绝缘性能差，一些绝缘技术正在研究中。这些都是浸没式冷却技术未来聚焦的冷却液，电子氟化液和合成碳氢化合物相对使用成熟。但浸没式电池热管理系统的材料应用涉及多个方面，还需要进一步研究浸没式冷却对电池寿命的影响、介电流体与电池系统其他材料的兼容性、介电流体的稳定性与安全性等。
根据电池工作温度的不同，综述了低温预热、常温冷却和热失控抑制的浸没式研究现状。低温预热的研究尚少，更加关注电池升温速率和升温时间。常温冷却分为单相液体冷却和气液相变冷却。单相液体冷却研究的侧重点在冷却方式对比、介电流体对比、结构和流道的创新、流动和传热机制。气液相变冷却的侧重点在沸腾换热机制、沸腾冷却效果和沸腾仿真，尚缺乏实验与仿真相结合的研究。介电流体在热失控发展的不同时期均有抑制作用，但需关注介电流体的火灾行为。
浸没式冷却技术是一项很有前景的电池热管理技术，目前已推出浸没式电池系统、新能源汽车和储能电站等工业探索产品。本文评论了浸没式冷却相关的介电流体和热管理研究进展，为浸没式冷却技术的发展提供研究方向与指导。

第一作者： 曾少鸿（1995—），男，硕士研究生，研究方向为电池热管理，E-mail：；

通讯作者： 吴伟雄，博士，副教授，研究方向为储能强化与安全管控，E-mail：weixiongwu@jnu.edu.cn

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