功能热流体及其在电池热管理中的应用

来源 | Journal of Energy Chemistry

原文 | https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.02.054

背景介绍

随着“碳中和”目标的提出，能源需求不断增加，如何提高能源利用率成为当务之急。高效的热能储存与传热系统是解决能源利用率低的有效途径之一。此外，该系统的关键是开发一种新型的储热和传热工质。功能热流体作为一种新型流体，具有蓄热密度高、传热速率大、应用范围广等优点，从而减少蓄热传热过程中的热量损失，实现换热器及相应管道的小型化。同时，可以有效加强设备的热量吸收和传递。它们还可以提高系统的传热效率，为了减少碳排放和环境污染，航空航天、汽车工业、造船工业等领域逐渐实现电气化。在动力电池中，锂离子电池（LIB）凭借能量密度高、自放电率低、无记忆效应等优点，已成为电动交通的首选电源。然而，LIB的性能受温度影响显着。低温时电池容量下降，而高温则影响电池寿命，甚至可能导致热失控。因此，电池热管理（BTM）技术迅速发展。

在这个过程中，为了满足交通运输中的轻量化要求，动力电池和电池热管理系统（BTMS）也正在向高集成度和小型化方向发展。为了使动力电池在适当的温度范围内安全运行，对高性能BTM技术的需求不断增长，正在推动传统冷却技术的创新，包括空气冷却、液体冷却、相变材料（PCM）冷却等。然而，由于这些传热工质的初始热力学特性，其冷却能力难以满足集成空间中快速增长的散热需求。尤其是液冷方面，水、油等传统流体已经很难解决电池在极端条件下的散热问题，导致电池性能快速衰减和能量利用率低。一方面，水会导致电池组件和金属通道的腐蚀。此外，由于水的比热容相对较低，因此需要更多的水来吸收和散发大量的热量。另一方面，油具有导热系数低、易燃等缺陷，对系统的效率和安全性提出了挑战。功能热流体作为一种新型流体，主要包括纳米流体（NFs）和相变流体（PCFs），具有高导热率和高比热的优点，可以有效提高液冷的传热效率和温度均匀性系统。它们有望成为替代传统流体的新型高效工作介质。在此基础上，开发具有良好性能的功能导热流体非常重要。

成果掠影

近日，宁波大学邹得球教授团队概述了功能热流体的分类、热物理性质、缺点及相应的修改。对于NFS，主要阐述了高导热性和高对流传热性能,同时分析了稳定性和粘度问题.然后,重点阐述了高热载热密度,并分析了过冷、稳定性和粘度等问题。在此基础上,总结了复合流体的NFS和PCFFS技术。此外，对传统流体、NFS、PC及复合流体的热性能进行了比较，证明功能热流体是取代传统流体作为冷却剂的较好选择。然后，详细总结了基于功能热流体的电池热管理系统，并与水基热管理系统进行了热管理效果和水泵消耗的比较。最后，系统地介绍了功能热流体参数优化和BTMS结构优化的技术挑战。今后有必要更加重视利用机器学习来预测功能热流体的热物理性质及其在实际车辆条件下的应用。研究成果以“Functional thermal fluids and their applications in battery thermal management: A comprehensive review”为题发表在《Journal of Energy Chemistry》。

图文导读

图1 功能性热流体的研究特性及其在BTMS中的应用。

图2 实验热导率、温度和NFs浓度之间的(a)三维图形表示。(b)超声波对稳定性和导热系数增强的影响示意图。(c)MWCNT负载和超声处理时间对NFs的ZP分布（左）和热导率（右）的影响。(d)CNT-tio2杂化NFs与CNT NFs和水的局部传热系数的比较。(e)PVP/PEG/CuNFs的对流传热系数。(f)基流体和Al2O3-CuO杂化NFs的传热系数(I)和Nusselt数（II）

图3 (a)不同温度范围下每升水量和2%PCFs的蓄热容量比较。(b)物理模型示意图。(c)与NFs比热容比较。(d)低成本PCE与水相比的焓-温度曲线。(e)在温差为6℃的情况下，含有不同质量分数的n-十六烷的PCE的压降与质量流量、泵送功率比与蓄热容量。

图4 (a)pcf的不稳定现象。(b)不同乳化方法下的照片。(c)在剪切速率为0.6 s 1下，不同NPs含量的PCFs的破碎比和表观粘度。(d)粘度与温度在100 s 1：20 wt%制备的PCE和不同质量分数的石蜡的PCE。(e)不含表面活性剂的pcf。(f)不同NEPCMs含量的pcf在不同温度下的导热系数。(g)两种种子固定种子浓度的种子分离效果示意图。液滴尺寸的变化（左）会导致结晶光谱的变化（右）。(h)不同石蜡质量分数下的DSC冻结和熔融曲线。

图5 (a)氧化石墨烯混合PCMEs的制备示意图。(b)在25下稀释100：1后的光学显微图 C (c)有/没有GE的MEPCMS示意图。(d)GE对(I)热导率和（II）60比热容的影响 C(e)不同质量分数石墨PCE的DSC曲线：熔化曲线(I)和冻结曲线（II）。