鋰離子電池憑借著高能量密度、長壽命的特性，在消費電子領域取得了巨大的成功，近年來在電動汽車產業(yè)快速發(fā)展的刺激下，鋰離子電池又開始在動力電池領域開疆擴土。在電動汽車應用中鋰離子電池通常需要通過并聯(lián)、串聯(lián)的方式組合成為模塊，模塊再組合成為電池包為電動汽車提供電能。根據(jù)單體電池的容量，通常一個電池包內會包含數(shù)百到數(shù)千只電池，例如特斯拉早期Model3的電池包中使用了7000多只18650型號的單體電池。由于電池包內的空間非常有限，因此大量的單體電池堆積在一起就會帶來一個非常嚴重的問題——散熱。


在電池包內由于散熱條件不佳，因此在電池包中間位置的單體電池的溫度就會顯著高于周邊散熱條件較好的電池，這會帶來兩個方面的影響：


1）首先是隨著電池溫度的升高，電池的內阻會顯著的降低，因此在放電的過程中溫度高的單體電池電流就會明顯高于溫度較低的電池，這就造成電池溫度高的電池的衰降速度顯著高于溫度低的電池。北京大學的QuanXia等人研究表明當電池組內最大溫差從2.5℃升高到4.62℃時，同樣充電600Ah后，電池組的可靠性會從0.9328，下降到0.0635（如下圖紅色和綠色曲線所示），可靠性下降到0.0635基本上就意味著電池組的失效。


相反的，如果我們提高冷卻劑的流速，將電池組內的最大溫差進一步降低到2.36℃，則電池組的循環(huán)可靠性還會進一步提高（如下圖中藍色曲線所示），由此可見電池組的使用壽命不僅僅受到單體電池的壽命影響，更受到電池組內溫度均勻性的影響，電池組內最大溫差升高2℃甚至可能導致電池組的使用壽命縮短將近一倍。

2）此外在電池組散熱條件不佳的情況下導致部分電池溫度過高，降低正負極的界面穩(wěn)定性，本身就會導致電池的衰降加速。我們以常見的NCM622材料為例，NCM622扣式半電池在20℃下循環(huán)100次后，容量保持率為87.5%，但是如果環(huán)境溫度提高到60℃后，循環(huán)100次后扣式電池的容量保持率則僅為68.8%，高溫嚴重的降低了NCM622材料的使用壽命。研究表明高溫下NCM622材料會面臨更加嚴重的過渡金屬元素溶解和Li/Ni混排，從而導致NCM622顆粒的表層結構衰變，引起界面阻抗的增加和可逆容量的衰降，這是引起NCM材料高溫下衰降加速的主要原因。

 

鑒于溫度對于單體電池和電池組壽命的巨大影響，在電池組設計中熱管理系統(tǒng)占有非常重要的地位。電池組的熱管理系統(tǒng)一般具有兩種功能：1）加熱，通常通過在電池表面貼加熱帶的方式實現(xiàn)對單體電池的加熱，也有部分學者提出電池內部加熱的方式提高加熱效率；2）散熱功能，常見的散熱方式主要包括風冷、水冷、熱管和相變材料等，由于水的比熱容比較大的，散熱效果良好，因此水冷散熱是目前最為常用的散熱方式。例如特斯拉采用的電池組內部就采用了大量的蛇形管緊貼電池表面為單體電池進行散熱，從而保證電池內部溫度的均勻性，提高電池組的使用壽命。