納米流體在鋰電池熱管理系統中的應用分析

摘 要：有效的熱管理對于維持鋰電池安全性和延長使用壽命至關重要，在此基礎上，本文介紹了納米流體的特點，包括熱導率、穩定性、黏度等性質，通過與傳統冷卻液的性能對比以及納米流體在鋰電池熱管理中的應用案例，展示了納米流體在強化傳熱效率、實現更優的溫度分布、提高鋰電池熱管理效率等方面的優勢。

關鍵詞：納米流體 鋰電池 熱管理系統

1 緒論

鋰電池熱管理系統（BTMS）是新能源汽車中重要的組成部分，其主要目的是維持電池在最佳的溫度范圍內工作，以確保電池的使用性能、安全性和壽命。

鋰電池在充放電過程中，由于電化學反應的作用會產生大量的熱，如果控制不好可能會因為過熱而導致失控，因此，鋰電池需要一個有效的冷卻系統來保持其在較長壽命下的使用性能，BTMS通過限制電池的溫度波動，在整個充放電過程中將平均溫度保持在安全范圍內，從而解決熱失控的問題。

目前，行業內使用的冷卻技術主要分為主動冷卻和被動冷卻兩類。在主動冷卻中，散熱是由外部設備（如風扇、水泵和壓縮機等）作用的，在被動冷卻中，常用自然對流的傳熱方法冷卻。主動冷卻系統在冷卻效果上具有優勢，但其伴隨的振動、噪音和維護保養等問題難以解決，被動冷卻因其較低的系統復雜性、維護需求和成本而更適宜鋰電池的冷卻[1]。

納米流體由于其獨特的性質及其作為高密度電池的冷卻介質而備受關注，并具有多種應用場景，包括新能源汽車動力電池、儲能系統、航空航天技術和醫療設備等。

2 納米流體的特點

納米流體是在基礎工質（水、乙醇或導熱油等）中均勻分散有納米顆粒的流體。在BTMS中加入納米顆?？梢杂行岣邆鹘y流體的熱導率，從而提高傳熱效率并減少能源消耗。不過納米流體比傳統的冷卻劑制造成本更高，并且隨著時間的推移，納米顆粒更傾向于聚集和沉降，這樣就會影響納米流體的穩定性。同時，這些納米顆粒的直徑范圍在1–100 nm內，如果人長時間暴露在含有這樣小尺寸的納米顆粒的環境中，有可能滲透到呼吸道、肺中而破壞人的免疫系統[2]。

2.1 熱導率

納米流體熱管理系統的熱導率特性是傳熱流體發展中最重要的部分。理論上講，在同等環境條件下，固相材料比液相材料具有更高的熱傳導行為。例如，在室溫下，與水和發動機油相比，銅的熱導率特性分別比水和發動機油高700和3000倍。因此，與液體相比，由納米顆粒材料組成的流體懸浮液具有更高的傳熱效率，將其應用在BTMS中，可以有效地提升冷卻效率[3]。

2.2 黏度

黏度是描述流體（液體或氣體）內部阻力的物理量，它表征了流體流動時相鄰層之間的摩擦程度。冷卻劑黏度的變化會影響泵的輸送功率，并可能導致系統的壓力損失。納米流體的黏度應保持較低，以減少泵的能源消耗，從而降低BTMS能耗。納米流體的黏度會受到納米添加劑的體積濃度、顆粒類型、粒徑、溫度等因素的影響。有研究表明，隨著納米粒子分散度的增加，黏度也會增加，并且在較高的溫度下，由于納米流體內部納米顆粒之間的分子作用力減弱，納米流體的黏度會減小并接近恒定的黏度值[4]。

2.3 穩定性

納米流體的穩定性是指納米顆粒在基礎流體中分散的均勻性和抗沉降的能力。穩定性好的納米流體可以長時間保持其較強的熱傳導性能，不會因為顆粒的沉降和聚集而使性能下降。提升納米流體的穩定性可以通過調節pH值、添加表面活性劑、應用超聲技術、使用混合納米顆粒、控制納米流體濃度、優化制備工藝、選擇合適的基液、控制納米顆粒尺寸和形態等多種方法實現。通過使用上述方法，納米顆粒團聚得到抑制，納米流體的穩定性得到提升，為BTMS長期穩定運行打下基礎[5]。

3 納米流體在BTMS中的應用

鋰電池主要依靠鋰離子（Li+）在正極和負極之間移動來工作，在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。但在溫度過高時，電池內部會發生不可逆的副反應，使可參與循環的Li+減少，從而縮短電池壽命。Hao等[6]的研究表明，鋰電池的最高溫度每上升13℃，壽命將減少50%，納米流體由于良好的傳熱性能，在鋰電池的熱管理系統中受到研究者廣泛關注。

3.1 波浪形通道設計中的納米流體

波浪形通道是研究人員試圖提高冷卻系統性能的方法之一，如圖1所示，波浪形通道與圓柱形電池組融為一體，冷卻通道的幾何形狀與電池形狀相匹配，提供了更大的接觸面。流體在階梯邊緣形成尾流，尾流間相互作用導致局部湍流，從而增強對流換熱。界面面積的增加可以提高電池模塊的熱效率，略微提高相鄰鋰電池之間的熱傳導。增加電池與波浪通道殼之間的變形區域可以大大降低模塊中最高溫度，同時增加電池模塊中溫度的不均勻性。Sarchami等[7]的研究表明，以體積分數2.0%的水基Al2O3納米流體為工質時，與直形通道相比，波浪形通道可使電池組在充放電工況下的溫差分別減少0.19℃和0.22℃。

3.2 微通道設計中的納米流體

鋰電池的微通道納米流體冷卻是一種先進的熱管理技術，它利用微通道技術和納米流體的良好的熱物理性能來提高電池的冷卻效率，如圖2所示。微通道是一種高效的換熱設備，可以直接集成在電池或電池組中，通過流體的流動來帶走電池產生的熱量。

Srinivaas等[9]的研究表明，在微通道內，流體流速逐漸增大，提升了對流傳熱系數。同時，流體與壁面接觸面積縮小，導致了溫差的增大；在微通道內，流速減小導致了傳熱系數減小，使溫度增大，但接觸面積增大使溫差減小。因而，微通道更有利于控制溫升以及溫差。

3.3 矩形設計中的納米流體

許多研究都是在矩形或長方體排列（附著在電池的外部表面）中進行的，由于特定表面積的增加，熱傳導速率有所提高。Jindal等[10]使用納米流體作為冷卻劑液體，設計并模擬了一個立方體排列的鎳錳鈷鋰電池組。為了評估電池內部溫度降低的效果，將石墨烯納米顆粒懸浮在體積分數分別為0.001%和0.005%的水和乙二醇（50：50）混合物中。研究人員展示并比較了單層、雙層和三層三種不同的立方體設計。結果發現，與基本流體相比，體積分數為0.001%的流體的工作溫度范圍降低了12%-24%，體積分數為0.005%的流體的工作溫度范圍降低了24%-29%。納米流體冷卻能力的提高歸功于石墨烯納米片的大表面積和高導熱性。此外，研究還表明，與純流體中石墨烯納米顆粒成分相同的一層設計模型相比，二層和三層設計模型獲得的最高溫度分別降低了6%-12%。

3.4 圓柱形設計中的納米流體

圓柱形鋰電池由于其表面積有限，導致換熱面積較小，因此在熱管理上面臨挑戰。納米流體作為一種高效的熱傳導介質，在圓柱形鋰電池的熱管理中具有顯著的應用潛力。

Azizi等人[11]通過實驗評估了在雷諾數介于400和1300之間的層流圓柱形微通道散熱器的熱性能。該模型由48個圓柱形微通道組成，銀納米粒子懸浮在水中，質量濃度分別為10%、45%和80%。他們發現，添加納米顆粒對出口區域的壁溫和熱傳導系數沒有影響。然而，濃度對入口區域的壁溫有相當大的影響（近10%）。另一方面，銀納米粒子的加入導致的壓力損失小于0.2bar，與質量濃度相反，熱傳遞系數受到雷諾數的顯著影響，通過數值模擬和實驗，觀察到Re=850，質量濃度為80%的納米流體是最有效的方案。

3.5 拓撲設計中的納米流體

Yang等人[12]以數字模擬的方法設計了一種混合冷卻系統，利用不同的微通道作為擴展表面和非牛頓流體來冷卻。該系統根據最小壓降和最大傳熱率進行了優化。非牛頓納米流體由作為納米顆粒的MWCNTS-SiO2和作為基礎工質的水/乙二醇組成。結果表明，在微通道中添加納米粒子可提高鋰電池的性能和效率，但使用過量的納米顆粒會導致黏度大幅增加，進而使系統內泵的功率急劇上升。

3.6 熱管中的納米流體

熱管由蒸發器段、絕熱段和冷凝器段三部分組成。工質在蒸發段吸收熱量產生水蒸氣，水蒸氣在壓差的作用下流向冷凝器，在冷凝器中釋放熱量凝結成液體，冷凝水通過毛細力回流到蒸發器。

Zhou等人[13]采用了一種充滿納米流體的混合振蕩熱管（OHP），以消除鋰電池在充放電過程中產生的熱量，該系統由帶有毛細銅管冷凝器和環形通道的銅制平板蒸發器構成。納米流體以碳納米管（CNT）作為納米顆粒，水/乙醇為基液，結果發現，在輸入功率為56W時，使用納米流體的系統具有更高的傳熱性能和更好的啟動性能。OHP的熱阻和平均蒸發器溫度分別降至0.066℃/W和43.1℃，比基礎流體分別低0.278℃/W和9.8℃。這表明，采用納米流體的混合振蕩熱管系統能夠有效地為鋰電池冷卻提供一種高效的解決方案。

4 結論

在BTMS中使用納米流體的技術已經引起了廣泛的關注。將納米顆粒引入BTMS可以有效提高傳統流體的熱傳導性，從而提高傳熱效率并節約能源，基于納米流體的BTMS的總體趨勢是降低溫差和最高溫度。隨著納米顆粒的逐漸增加，黏度會顯著提高，這會導致系統內泵的功率增加，因此，加入過多的納米顆粒并不是提高冷卻效率的可行技術。與傳統的冷卻劑相比，納米流體可能會產生更高的生產成本，并且納米流體會隨著使用時間的增加，導致沉積和團聚問題，所使用的納米顆粒也會導致環境問題。

參考文獻：

[1]Haddad Z， Belkadi D， Mourad A， Aissa A， Said Z， Younis O， Alazzam A， Abu-Nada E. Advancements and comprehensive overview of thermal management systems for lithium-ion batteries： Nanofluids and phase change materials approaches[J]. Journal of Power Sources， 2024， 603.03787753

[2]Sofiah A G N， Pasupuleti J， Samykano M， Pandey A K， Rajamony R K， Sulaiman N F， Che Ramli Z A. A class of promising fuel cell performance： International status on the application of nanofluids for thermal management systems[J]. Materials Today Sustainability， 2024， 26.25892347

[3]吳俊杰，侯竣升，馬麗，等.納米流體電池熱管理研究進展[J/OL].工程科學學報：1-11[2024-05-08].https：//doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2023.11.10.003.

[4]D.Toghraie，S.M.Alempour，M.Afrand， Experimental determination of viscosity of water based magnetite nanofluid for application in heating and cooling systems，J. Magn.Magn Mater. 417 （2016） 243–248.

[5]熊亞選，宋超宇，藥晨華，等.納米流體穩定性研究綜述[J].華電技術，2021，43（07）：68-74.

[6]Hao M L， Li J， Park S，et al. Efficient thermal management of Li-ion batteries with a passive interfacial thermal regulator based on a shape memory alloy[J]. Nat Energy， 2018，3：899

[7]SARCHAMI A， TOUSI M， KIANI M， et al. A novel nanofluid cooling system for modular lithium-ion battery thermal management based on wavy/stair channels[J/OL]. International Journal of Thermal Sciences， 2022： 107823.

[8] REN H， DANG C， YIN L， et al. Optimization research on battery thermal management system based on PCM and mini-channel cooling plates[J].

[9]Srinivaas S， Li W， Garg A， et al. Battery thermal management system design： Role of influence of nanofluids， flow directions， and channels[J]. J Electrochem Energy， 2020， 17（2）： 021110

[10]P. Jindal， P. Sharma， M. Kundu， S. Singh， D.K. Shukla， V.J. Pawar， Y. Wei， P. Breedon， Therm. Sci. Eng. Prog. 31 （2022） 101282.

[11]Z. Azizi， R. Barzegarian， M. Behvandi， Sustain. Energy Technol[J].. Assessments 50 （2022） 101876.

[12]X. Yang， Z. Zhao， Y. Liu， R. Xing， Y. Sun， Int. J. Mech. Sci. 212 （2021） 106836.

[13]Z. Zhou， Y. Lv， J. Qu， Q. Sun， D. Grachev， Appl[J]. Therm. Eng. 196 （2021） 117300.