纳米流体在锂电池热管理系统中的应用分析

摘 要：有效的热管理对于维持锂电池安全性和延长使用寿命至关重要，在此基础上，本文介绍了纳米流体的特点，包括热导率、稳定性、黏度等性质，通过与传统冷却液的性能对比以及纳米流体在锂电池热管理中的应用案例，展示了纳米流体在强化传热效率、实现更优的温度分布、提高锂电池热管理效率等方面的优势。

关键词：纳米流体 锂电池 热管理系统

1 绪论

锂电池热管理系统（BTMS）是新能源汽车中重要的组成部分，其主要目的是维持电池在最佳的温度范围内工作，以确保电池的使用性能、安全性和寿命。

锂电池在充放电过程中，由于电化学反应的作用会产生大量的热，如果控制不好可能会因为过热而导致失控，因此，锂电池需要一个有效的冷却系统来保持其在较长寿命下的使用性能，BTMS通过限制电池的温度波动，在整个充放电过程中将平均温度保持在安全范围内，从而解决热失控的问题。

目前，行业内使用的冷却技术主要分为主动冷却和被动冷却两类。在主动冷却中，散热是由外部设备（如风扇、水泵和压缩机等）作用的，在被动冷却中，常用自然对流的传热方法冷却。主动冷却系统在冷却效果上具有优势，但其伴随的振动、噪音和维护保养等问题难以解决，被动冷却因其较低的系统复杂性、维护需求和成本而更适宜锂电池的冷却[1]。

纳米流体由于其独特的性质及其作为高密度电池的冷却介质而备受关注，并具有多种应用场景，包括新能源汽车动力电池、储能系统、航空航天技术和医疗设备等。

2 纳米流体的特点

纳米流体是在基础工质（水、乙醇或导热油等）中均匀分散有纳米颗粒的流体。在BTMS中加入纳米颗粒可以有效提高传统流体的热导率，从而提高传热效率并减少能源消耗。不过纳米流体比传统的冷却剂制造成本更高，并且随着时间的推移，纳米颗粒更倾向于聚集和沉降，这样就会影响纳米流体的稳定性。同时，这些纳米颗粒的直径范围在1–100 nm内，如果人长时间暴露在含有这样小尺寸的纳米颗粒的环境中，有可能渗透到呼吸道、肺中而破坏人的免疫系统[2]。

2.1 热导率

纳米流体热管理系统的热导率特性是传热流体发展中最重要的部分。理论上讲，在同等环境条件下，固相材料比液相材料具有更高的热传导行为。例如，在室温下，与水和发动机油相比，铜的热导率特性分别比水和发动机油高700和3000倍。因此，与液体相比，由纳米颗粒材料组成的流体悬浮液具有更高的传热效率，将其应用在BTMS中，可以有效地提升冷却效率[3]。

2.2 黏度

黏度是描述流体（液体或气体）内部阻力的物理量，它表征了流体流动时相邻层之间的摩擦程度。冷却剂黏度的变化会影响泵的输送功率，并可能导致系统的压力损失。纳米流体的黏度应保持较低，以减少泵的能源消耗，从而降低BTMS能耗。纳米流体的黏度会受到纳米添加剂的体积浓度、颗粒类型、粒径、温度等因素的影响。有研究表明，随着纳米粒子分散度的增加，黏度也会增加，并且在较高的温度下，由于纳米流体内部纳米颗粒之间的分子作用力减弱，纳米流体的黏度会减小并接近恒定的黏度值[4]。

2.3 稳定性

纳米流体的稳定性是指纳米颗粒在基础流体中分散的均匀性和抗沉降的能力。稳定性好的纳米流体可以长时间保持其较强的热传导性能，不会因为颗粒的沉降和聚集而使性能下降。提升纳米流体的稳定性可以通过调节pH值、添加表面活性剂、应用超声技术、使用混合纳米颗粒、控制纳米流体浓度、优化制备工艺、选择合适的基液、控制纳米颗粒尺寸和形态等多种方法实现。通过使用上述方法，纳米颗粒团聚得到抑制，纳米流体的稳定性得到提升，为BTMS长期稳定运行打下基础[5]。

3 纳米流体在BTMS中的应用

锂电池主要依靠锂离子（Li+）在正极和负极之间移动来工作，在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。但在温度过高时，电池内部会发生不可逆的副反应，使可参与循环的Li+减少，从而缩短电池寿命。Hao等[6]的研究表明，锂电池的最高温度每上升13℃，寿命将减少50%，纳米流体由于良好的传热性能，在锂电池的热管理系统中受到研究者广泛关注。

3.1 波浪形通道设计中的纳米流体

波浪形通道是研究人员试图提高冷却系统性能的方法之一，如图1所示，波浪形通道与圆柱形电池组融为一体，冷却通道的几何形状与电池形状相匹配，提供了更大的接触面。流体在阶梯边缘形成尾流，尾流间相互作用导致局部湍流，从而增强对流换热。界面面积的增加可以提高电池模块的热效率，略微提高相邻锂电池之间的热传导。增加电池与波浪通道壳之间的变形区域可以大大降低模块中最高温度，同时增加电池模块中温度的不均匀性。Sarchami等[7]的研究表明，以体积分数2.0%的水基Al2O3纳米流体为工质时，与直形通道相比，波浪形通道可使电池组在充放电工况下的温差分别减少0.19℃和0.22℃。

3.2 微通道设计中的纳米流体

锂电池的微通道纳米流体冷却是一种先进的热管理技术，它利用微通道技术和纳米流体的良好的热物理性能来提高电池的冷却效率，如图2所示。微通道是一种高效的换热设备，可以直接集成在电池或电池组中，通过流体的流动来带走电池产生的热量。

Srinivaas等[9]的研究表明，在微通道内，流体流速逐渐增大，提升了对流传热系数。同时，流体与壁面接触面积缩小，导致了温差的增大；在微通道内，流速减小导致了传热系数减小，使温度增大，但接触面积增大使温差减小。因而，微通道更有利于控制温升以及温差。

3.3 矩形设计中的纳米流体

许多研究都是在矩形或长方体排列（附着在电池的外部表面）中进行的，由于特定表面积的增加，热传导速率有所提高。Jindal等[10]使用纳米流体作为冷却剂液体，设计并模拟了一个立方体排列的镍锰钴锂电池组。为了评估电池内部温度降低的效果，将石墨烯纳米颗粒悬浮在体积分数分别为0.001%和0.005%的水和乙二醇（50：50）混合物中。研究人员展示并比较了单层、双层和三层三种不同的立方体设计。结果发现，与基本流体相比，体积分数为0.001%的流体的工作温度范围降低了12%-24%，体积分数为0.005%的流体的工作温度范围降低了24%-29%。纳米流体冷却能力的提高归功于石墨烯纳米片的大表面积和高导热性。此外，研究还表明，与纯流体中石墨烯纳米颗粒成分相同的一层设计模型相比，二层和三层设计模型获得的最高温度分别降低了6%-12%。

3.4 圆柱形设计中的纳米流体

圆柱形锂电池由于其表面积有限，导致换热面积较小，因此在热管理上面临挑战。纳米流体作为一种高效的热传导介质，在圆柱形锂电池的热管理中具有显著的应用潜力。

Azizi等人[11]通过实验评估了在雷诺数介于400和1300之间的层流圆柱形微通道散热器的热性能。该模型由48个圆柱形微通道组成，银纳米粒子悬浮在水中，质量浓度分别为10%、45%和80%。他们发现，添加纳米颗粒对出口区域的壁温和热传导系数没有影响。然而，浓度对入口区域的壁温有相当大的影响（近10%）。另一方面，银纳米粒子的加入导致的压力损失小于0.2bar，与质量浓度相反，热传递系数受到雷诺数的显著影响，通过数值模拟和实验，观察到Re=850，质量浓度为80%的纳米流体是最有效的方案。

3.5 拓扑设计中的纳米流体

Yang等人[12]以数字模拟的方法设计了一种混合冷却系统，利用不同的微通道作为扩展表面和非牛顿流体来冷却。该系统根据最小压降和最大传热率进行了优化。非牛顿纳米流体由作为纳米颗粒的MWCNTS-SiO2和作为基础工质的水/乙二醇组成。结果表明，在微通道中添加纳米粒子可提高锂电池的性能和效率，但使用过量的纳米颗粒会导致黏度大幅增加，进而使系统内泵的功率急剧上升。

3.6 热管中的纳米流体

热管由蒸发器段、绝热段和冷凝器段三部分组成。工质在蒸发段吸收热量产生水蒸气，水蒸气在压差的作用下流向冷凝器，在冷凝器中释放热量凝结成液体，冷凝水通过毛细力回流到蒸发器。

Zhou等人[13]采用了一种充满纳米流体的混合振荡热管（OHP），以消除锂电池在充放电过程中产生的热量，该系统由带有毛细铜管冷凝器和环形通道的铜制平板蒸发器构成。纳米流体以碳纳米管（CNT）作为纳米颗粒，水/乙醇为基液，结果发现，在输入功率为56W时，使用纳米流体的系统具有更高的传热性能和更好的启动性能。OHP的热阻和平均蒸发器温度分别降至0.066℃/W和43.1℃，比基础流体分别低0.278℃/W和9.8℃。这表明，采用纳米流体的混合振荡热管系统能够有效地为锂电池冷却提供一种高效的解决方案。

4 结论

在BTMS中使用纳米流体的技术已经引起了广泛的关注。将纳米颗粒引入BTMS可以有效提高传统流体的热传导性，从而提高传热效率并节约能源，基于纳米流体的BTMS的总体趋势是降低温差和最高温度。随着纳米颗粒的逐渐增加，黏度会显著提高，这会导致系统内泵的功率增加，因此，加入过多的纳米颗粒并不是提高冷却效率的可行技术。与传统的冷却剂相比，纳米流体可能会产生更高的生产成本，并且纳米流体会随着使用时间的增加，导致沉积和团聚问题，所使用的纳米颗粒也会导致环境问题。

参考文献：

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