记忆合金能与锂离子电池发生什么样的奇妙故事？热管理系统有话说！

锂离子电池是一个非常活跃的电化学反应系统，对温度十分敏感，温度过高时会导致副反应增多，可逆容量快速衰降，温度过低时会引起动力学条件劣化，引起电池性能下降，甚至发生负极析出金属Li，引起安全风险，因此关于锂离子电池热管理就显得尤为重要，特别是动力锂电池包往往由数百只，甚至数千只电池组成，电池的热管理就显得更加重要。

关于锂离子电池热管理系统，在高温下我们希望能够尽可能的提高散热能力，抑制电池温度的升高，在低温下我们又希望能够尽量的提高保温能力，减少热量的散失，为了实现这样的特性，美国伯克利加州大学的MenglongHao（第一作者）和ChrisDames（通讯作者）通过将记忆合金与温度调节器结合（如下图a所示），根据温度调节温度调节器的导热系数，从而控制散热能力，实现了在高温下快速散热抑制温度升高，低温下降低散热能力保持电池温度，从而大大提高了锂离子电池热管理系统的适应能力。

温度调节器是一类有着数十年应用相关经验的产品，但是应用重要是集中在几个细分市场，如特种航天等。温度调节器重要分为两大类：1）通过相变实现导热系数变化，缺点是关断比较低；2）通过调整界面间隙方法控特种热系数，关断比要明显高于相变温度调节器，缺点是成本高、重量大。由于上述的两种温度调节器存在的问题，因此它们都不适合直接应用在动力锂电池热管理上，为了解决这一问题MenglongHao通过采用记忆合金的方式将上述两种类型的温度调节器结合在一起。

形状记忆合金温度每升高1℃出现的应变为10-3，但是即便在这样的应变下要出现足够的间隙（0.5mm）也要求形状记忆合金的厚度达到25mm以上，这显然在实际应用中是不现实的，为了解决这一问题MenglongHao设计了如上图a所示的结构，首先形状记忆合金被制成了金属线的形式，大大新增了形状记忆合金的长度，因此同样的温升下可以出现更大的变形量，从而控制上下两块温度调节器之间的间隙，温度较低时记忆合金的长度较长，在弹簧的用途下两块温度调节板间隙较大，因此导热能力很差，起到保温的用途，随着温度的升高，形状记忆合金开始发生形变，总长度变短，拉动两块温度调节器相互接近，并最终接触，提高了导热系数，快速将锂离子电池内部的热量扩散出去。这样的设计使得这套散热系统有着非常巨大的关断比（导通下的导热系数和关闭状态下的导热系数之比），可达1600:1到3200:1。

为了验证上述系统的有效性，MenglongHao设计了如下图a，c所示的结构在真空环境下进行了验证，实验表明在OFF状态下上下两个金属块之间的导热系数K仅为1.13Wm-2K-1，而随着温度的上升，一旦上下两个金属块接触，形成ON状态后，导热系数迅速提高到了2340Wm-2K-1，因此该系统的关断比可达到2070:1。

虽然上述实验很好的展现了该系统的有效性，但是只有在实际应用环境中使用才能真正体现该系统的有效和可靠性。为了比较该系统与普通热管理系统之间的差别，作者还通过将记忆合金丝更换为不锈钢丝的方式实现了上下两块散热板之间的常ON和常OFF状态，以模拟普通热管理系统中没有主动散热控制开关的状态。从下图c可以看到在-20℃下，常ON状态下由于电池温度持续散失，导致电池容量仅为常温容量的21%，而常OFF状态下，电池散热较慢，因此温度能够持续升高，最终容量发挥可达常问下的89%，而采用记忆合金的系统能够根据温度调整间隙，因此散热速率也大幅降低，电池容量发挥可达常温下的76%。

虽然在低温下常OFF设计能够很好的提升锂离子电池的低温性能，但是在高温环境下却会导致电池温升过高，影响锂离子电池的性能发挥，从下图d我们能够看到在45℃的环境下，在放电过程中常OFF的温度调节器温度升高了20℃，达到65℃，这不仅仅会造成锂离子电池性能加速衰减，还可能引发热失控。而采用记忆合金调节的温度调节器温度升高仅为5℃，与常ON的调节器基本一致。

记忆合金的循环寿命通常较差，会影响温度调节器的工作效果，为了解决这一问题作者在记忆合金丝使用前首先利用大应变载荷处理，很好的提升了记忆合金的循环性能。从下图中可以看到记忆合金经过了6个月存储后仍然保持了非常好的性能，OFF性能经过600次循环后没有明显的衰降，1000次循环后略有降低（锂离子电池在-20℃下可逆容量下降8.5%），而ON的状态经过1000次循环后没有明显的衰降，表明采用记忆合金的温度调节器具有非常好的存储和循环寿命。

MenglongHao等设计的记忆合金温度调节器能够根据温度自动调节导热系数，从而实现高温下导热能力强快速降低电池温度，低温下降低导热能力，保持锂离子电池温度，提升锂离子电池性能，显著提升了锂离子电池在不同温度下的循环寿命和电性能。但是目前该系统重要问题还是体积较大，挤占电池包内部空间，与功能类似的强制风冷和水冷散热系统成本上还有一定差距，这都是要进一步解决的问题。