鋰離子電池會發(fā)熱，而且很難使其保持涼快。在過去的十年里，工業(yè)界對這個問題幾乎視而不見。他們的研究重點放在其他地方：要怎么樣降低成本并提高電池包中單個電池可以存儲的能量（能量密度）。這種策略提高了手機的使用壽命和性能。但是在將來的使用中，如電動汽車和智能電網(wǎng)，一個電池包要蘊含數(shù)千個電池。電池容易過熱的問題值得重視。

大型高能電池包的制造商非得設(shè)計復(fù)雜的系統(tǒng)來管理熱量。例如，電動汽車制造商特斯拉（Tesla）Model3車型的電池包所承載的能量超過了6000部iPhone11。冷卻液通過管道網(wǎng)絡(luò)泵送，將熱量從單個電池中帶走。但這些笨重的附加組件不僅新增了電池包重量，還會消耗它的能量[1]。開發(fā)人員在這些低效的設(shè)計上浪費了太多時間和金錢。為了使電池包既輕便又強大，非得改進(jìn)其散熱策略。

為何散熱策略如此缺乏關(guān)注呢?一個原由是沒有標(biāo)準(zhǔn)的辦法來評估電池包的熱性能。單個電池的制造商不斷追求更高的能量密度。他們的產(chǎn)品規(guī)格表并未說明單個電池的散熱容易程度。因此，電池包的設(shè)計者無法預(yù)先了解單個電池會萌生多少熱量。他們在設(shè)計上投入時間和金錢后才發(fā)現(xiàn)散熱問題，但已經(jīng)太晚了。

鋰離子電池行業(yè)的規(guī)模預(yù)計將在將來10年張大兩倍[2]。在熱管理方面急切要循序式改進(jìn)。使用成熟的技術(shù)可以迅速實現(xiàn)這一目標(biāo)。

第一步是讓電池行業(yè)報告常規(guī)的熱管理。為此，我們開發(fā)了一個標(biāo)準(zhǔn)化的性能度量標(biāo)準(zhǔn)[3,4]。它可以比較不同的電化學(xué)電池，可以使用電池試驗室中現(xiàn)成的設(shè)備進(jìn)行測量。在每個電池規(guī)格表里納入這一指標(biāo)將有利于競爭，進(jìn)而改善單電池設(shè)計和電池包性能。

熱管理

行業(yè)領(lǐng)先的汽車公司正在大力投資和開發(fā)更好的電池包。去年僅寶馬一家就投入了2.3億美元，在德國慕尼黑附近開設(shè)電池研究中心（見go.nature.com/2asxytj）。每家公司都采用不同的電池設(shè)計，并探索自己的冷卻策略。

總的來說，有三種熱管理系統(tǒng)。

空氣冷卻。雷諾ZOE和日產(chǎn)LEAF這兩款汽車的電池通過空氣吹過其表面來散熱。這種辦法關(guān)于固定的能量存儲可能足夠了，比如為家庭供電的電池，但它的散熱速率很低。將來的電動汽車、長途運輸和重型越野車的電池包要求散熱更快，因為它們的性能在逐年提高。

液體冷卻。特定體積液體的散熱能力約莫是同等體積空氣的1000倍[5]。電池可以浸入流動的液體中，或液體通過包裹電池的通道間接冷卻。浸泡是最有效的，但是要昂貴的介電介質(zhì)液體來降低電池包短路的風(fēng)險。因此，電動汽車一般采用冷卻通道的方式。譬如，特斯拉就采用將裝有液態(tài)丙二醇的管道包裹在圓柱形電池上[6]。浸液和冷卻通道的辦法都會消耗能量，因為要冷卻液在電池周圍流動得足夠快。

相變冷卻。一些材料，如美國3M科技公司加工的Novec流體，在從固體變?yōu)橐后w或從液體變?yōu)闅怏w時能夠吸收熱量，而不會自身變熱。電池可以浸入或涂上這種材料來吸熱。很多團(tuán)隊都在研究這種辦法，因為它比空氣或液體冷卻耗能更少，散熱更平均[7]。然而，這種辦法有一個基本的限制。相變材料不會傳導(dǎo)熱量，他們只是把它儲存起來而已。因此，所有的相變設(shè)計都要一個額外的冷卻系統(tǒng)來將熱量從電池包中帶走。

設(shè)計難點

設(shè)計師要為他們的使用選擇最好的冷卻辦法，并用到正確的地方。假如他們不這樣做，電池包就會非常低效，供應(yīng)的有用能量減少，并且迅速退化。而選擇冷卻電池的哪一個區(qū)域是最困難的決定。

所有電池都由不同的材料層組成：電極、電解質(zhì)、分離器和電流收集器。這些層可以被夾在一起，如軟包電池；也可以卷曲成“果凍卷”，如圓柱形和方形電池（見“保持涼快”）。

來源：ClaireWelsh/《自然》

電流通過集流器流入和流出電池，集流器連接到電池的正極和負(fù)極，或“凸耳”。集流器是由易傳熱的金屬制成的。但是，由于電極、電解液和分離器都是絕熱材料，電池各層之間的熱量傳遞很慢。換句話說，平行于這些層的熱傳遞比穿過它們的熱傳遞要快[1]。

電池的電化學(xué)性能對溫度敏感；在高溫下，電流的電阻要低得多。因此，為了電池的有效和穩(wěn)定，每一層都應(yīng)當(dāng)暴露在相同的熱條件下。每一層與下一層之間的溫度梯度意味著每一層的運作略有不同。這種情況下，從電池中輸出的能量更少，因為較熱的層消耗能量的速度更快，會有一些能量留在較冷的層中。而且當(dāng)每一層暴露在不同流速的電流中時，電池退化得更快[1,8]。

惟有當(dāng)熱量以相同的速率從每一層中去除時，它們才可能有相同的熱條件。而表面冷卻做不到這一點，因為它會萌生溫度梯度[1]。

通過連接到每一層的凸耳進(jìn)行散熱可以使整個電池平均冷卻[1,8]。不幸的是，凸耳冷卻無法使用到今朝的鋰離子電池中。凸耳通常彼此靠得太近，而且太小、太薄，無法為每一層帶走足夠的熱量。因此，通過凸耳散熱的電池依然會過熱，存在隱患。

關(guān)鍵指標(biāo)

最大的問題也是最實際的：世界上還不存在能在任何地方輕易復(fù)制的電化學(xué)電池的熱性能指標(biāo)，同時又不揭露電池設(shè)計或制造等商業(yè)敏感信息。

在電池行業(yè)中，沒有好的或通用的辦法來測量電池的熱性能。傳熱專家酷愛畢渥數(shù)（biotnumber），它描述了物體通過和散發(fā)熱量的能力。機械工程師更喜歡熱傳導(dǎo)和導(dǎo)熱系數(shù)的含義；它們含義了在給定的溫度梯度下，某種材料所能達(dá)到的傳熱速率。

德國大眾（Volkswagen）的員工正在組裝ID.3電動汽車的下半車身和電池。：RonnyHartman/AFP/Getty

這些辦法都不能計算電池工作時的溫度梯度，因為電化學(xué)電池的整個體積都會萌生自身熱量。假如不了解單個電池的溫度梯度，就不可能為蘊含1000個電池的電池包設(shè)計熱管理系統(tǒng)。

我們提出了一種稱為電池冷卻系數(shù)（cellcoolingcoefficient）的指標(biāo)[3,4]，可以用來描述工作中的電池的溫度梯度，單位是瓦特每開爾文(WK-1)。一個電池采用表面冷卻或凸耳冷卻的電池冷卻系數(shù)不同，因為每種辦法都會萌生不同的溫度梯度。這個系數(shù)可以告訴設(shè)計師對電池包中選定的電池?zé)崃窟M(jìn)行管理的難度。

我們的冷卻系數(shù)可以在試驗室筆直測量。研究人員可以讓電池萌生電化學(xué)熱，然后使用溫度傳感器確定電池的溫度梯度。電池的熱量損失可以用熱流傳感器來測量。關(guān)于表面冷卻，即電池的一側(cè)已冷卻而另一側(cè)仍是熱的時，電池的冷卻系數(shù)可以通過用熱散失率除以熱側(cè)到冷側(cè)的溫度梯度來計算。

電池的冷卻系數(shù)越大越好。這意味著更多的熱量可以被移走，電池內(nèi)部僅有一個小的溫度梯度。在我們研究的電池中，大的軟包電池表現(xiàn)最好，如日產(chǎn)LEAF的電池的冷卻系數(shù)接近5WK-1(參考文獻(xiàn)9)。小的圓柱形電池差一點，如特斯拉Model3中的電池，冷卻系數(shù)低于0.5WK-1（結(jié)果尚未發(fā)表）。

假如產(chǎn)品表現(xiàn)不如競爭對手，一些電池制造商可能會反對使用熱性能指標(biāo)。有些反對者會說新增一個變量會使優(yōu)化電池設(shè)計的協(xié)議復(fù)雜化，新增時間和成本。但我們評估過，這個指標(biāo)只要額外兩個小時的探測，而通常不同類型的電池的表征探測就要花費數(shù)天。而且那些采用該指標(biāo)的制造商在競爭中也更占優(yōu)點。

下一步

我們呼吁研究人員和工程師對電池冷卻系數(shù)進(jìn)行常規(guī)測量和報告。我們的指標(biāo)應(yīng)當(dāng)和其他典型的電池報告指標(biāo)，如能量容量和放電率，一起納入發(fā)表文獻(xiàn)中。

設(shè)計人員在評估電池能量密度和功率時，應(yīng)同時評估其熱性能，以確定哪種電池最適合他們的電池包。他們應(yīng)當(dāng)在設(shè)計確定前的早期階段這樣做。計算機模擬可能有助于評估電池的潛能。了解電池冷卻系數(shù)將有助于設(shè)計師評估熱管理和能量密度之間的權(quán)衡，提高整個電池包的工作性能。

在電池行業(yè)競爭如此猛烈的情況下，能夠保持電池涼快的制造商將會有光明的將來。