新发明助力锂离子电池在极端天气情况下使用

就像金发姑娘和她的粥一样，锂离子电池(LIB)在温度范围合适（既温度不太高也不太低）时性能最好。但这是一个巨大的限制因素，当在电动汽车(EVs)中使用LIB时，很多时候温度变化都很大。LIB在极端的高温或低温下性能不佳，这是其向更广泛使用的电动汽车推广的一个障碍。正如这项研究的作者要指出的，“在美国的51个大都市地区，20个地区通常冬季经历极端寒冷，室外温度低于零下18°C(0°F)，而11个地区(包括之前的20个地区)夏季温度经常超过38°C(100°F)”。全球主要城市地区也存在着类似的温度变化，同样，这也是电动汽车成为一种潜在的可再生能源运输工具的一个障碍。

然而，在最近发表在NatureEnergy杂志上的一篇论文中，加州大学伯克利分校的一组研究人员报告了一项新的发明，该发明表示当与LIB一起使用时，可以有效地减轻极端温度的影响。该论文题目是“EfficientthermalmanagementofLi-ionbatterieswithapassiveinterfacialthermalregulatorbasedonashapememoryalloy”，文章详细介绍了锂离子电池在不同地点的环境温度变化方面的实际运行情况，并且同时也考虑了多种因素，如快速充放电电池，这也使得热管理策略更加复杂。研究人员指出，传统的热线性元件通常不能同时处理热和冷的极端情况，而其他潜在的解决方案，如受控流体回路，不能提供足够高的开/关对比度，更不用说对电动汽车使用时的成本和重量的考虑。研究人员的解决方案是“采用一种无流体、被动的热调节器，以在炎热和寒冷的极端环境中稳定电池温度。在没有任何电源的情况下，热调节器可以根据本地电池温度切换其热传导，并提供所需的热功能，在冷时保持热量，在热时促进冷却。”

为了达到预期效果，他们的被动式热调节器设计借鉴了现有热调节器概念的两个关键非线性特征。特征中的第一个，固态相变，对温度变化表现出良好的突变性，但是未能达到足够高的开关比(SR)，即开/关状态导热比，这是热调节器的主要性能指标。第二个特征，即热界面的开启和关闭，具有较高的SR，但是依赖于两种材料之间的差异热膨胀。当材料间的界面间隙闭合时，它表现出较强的非线性热导率。然而，因为这里的热膨胀效应相对较弱，所以这种设计需要一个过大的热调节器体来完成间隙的开启和关闭。

尽管前面的示例听起来很复杂，但实现固态相变和界面热接触导电方面的方法非常简单。为了达到研究人员的设计目标，研究人员依赖于一种形状记忆合金（SMA）------由镍钛合金制成的柔性镍/钛合金导线，绕着放置有LIB的顶部热调节板的外围，SMA导线的两端，对应于热调节器的每个角落，与底部散热板，称为热界面材料（TIM）。顶板和底板由一组四个偏置弹簧相对地保持，使其顶板和底板之间产生0.5mm的空气间隙，并且还保持SMA线处于张力状态。这就是所说的热绝缘关闭状态。

随着电池发热，SMA经历相变开始收缩，使两个板距离更近，直到两个板接触，此时线收缩的力大于偏置弹簧的相反力，并且TIM（底部）保持接触电池（顶部）的热调节板，开始散热；这种情况，即为ON状态。这里所述的原型模型就是被动界面调节器的本质。

为了验证关于SMA线和偏置弹簧的这一概念的基本原理，研究人员建立了一个模型，在真空室中进行了测试，使用两个热电偶不锈钢棒作为热源和一个散热器-这些对应于这里分别是顶板和底板。在该实验中，OFF状态下的热隔离被证明是优异的，如界面处的非常大的温度不连续性和在每个不锈钢棒中测量的小温度梯度所证实的。但是，当上杆温度超过SMA转变温度时，间隙关闭，TIM（下杆）开始显着升温。作者指出，这里的切换过程在大约10秒内迅速发生，并且SR达到了2.070:1。他们指出，镍钛诺SMA线必须先在较高的应力负荷下进行预处理，然后才能依靠它们通过多次循环产生稳定，可重复的响应。

随着概念验证的建立，研究人员开始在实践中展示这一概念，其中两个Panasonic18650PFLIB夹在铝板之间，在环境室中进行测试。这里采用了类似的热调节器设计，经过修改，以适应支架中电池的尺寸，设计中要求更长的SMA线长度，以及顶板与底板之间约1mm的间隙。此外，为了满足高水平的性能，导线和弹簧以及LIB本身的平行热路径与气凝胶毯的隔离是至关重要的。为了比较性能，研究人员还提供了两种标准线性模型，“始终关闭”和“始终开启”，也就是用不锈钢线替换在两个板之间保持恒定间隙或恒定接触的SMA线。

在-20°C（-4°F；非常冷）至45°C（114°F；非常热）的实验条件下，热调节器表现良好，从-20°C（-4°F）快速升温，温度保持在20°C（68°F）左右，由于保留的气隙，电池热量增加，电池的使用系数增加了三倍。在相反的极端情况下，热调节器也表现出色，在45°C（113°F）左右过渡到ON状态，此后LIB中的温度上升限制在5°C（9°F）。在通过1000个开/关循环测试该热调节器后，研究人员发现OFF状态性能稍微降低（在-20°C[-4°F]时电池容量减少8.5％）而ON状态表现保持不变。

正如研究作者所指出的那样，当使用标准的“始终开启”热管理方法时，其热调节器的成本很低，而这种方法已经包括TIM散热器。其中SMA和偏置弹簧的附加质量小于1克，镍钛诺线的成本约为6美元。“使用由商用18650锂离子电池组成的电池模块的演示表明，这种热调节器只需保留电池自身产生的热量，即可将冷天气容量提高三倍以上，同时还可防止模块过热而导致过热现象，即使在高2C放电率下也会出现这种情况。”研究人员总结说。