邱健蓄电池空气与浸没冷却条件下电池应变行为的结构与热调控

近年来，电池热管理领域的浸没式冷却（IC）技术已成为新兴趋势，但针对液态浸没环境中电池应变行为的研究仍显不足。为填补这一空白，本研究通过实验探究了圆柱形、软包和方形电池在两种冷却条件下的应变演变规律。结果表明，电池类型的结构差异会显著影响其主应变分布模式。圆柱形和棱柱形电池因其刚性金属外壳的机械约束，在负极耳附近表现出更强的应变响应；而软包电池由于其柔性封装特性，应变集中主要出现在电池中心区域。此外，随着倍率的提升，不同电池类型的应变响应呈现显著差异，浸没冷却对应变幅度的影响也因电池构型而异。在3C倍率浸没冷却条件下，圆柱电池的应变增加了9.1微应变（με），同时温度降低了14℃。3°C条件下，软包电池应变增加2με且温度降低9.5°C；而方形电池应变减少12με且温度下降5°C。此外，浸没冷却（IC）能显著减弱高倍率下的应变反转现象——圆柱电池对此最为敏感，另两类电池受影响较小。这些差异可能与电池结构柔性和增强的热扩散特性相关。微分容量-微分应变曲线分析表明：在不同冷却条件下，充电过程中机械信号普遍滞后于电化学信号。本研究系统探究了不同浸没冷却工况下锂离子电池的机械行为，重点揭示了其共性与差异。

引言

随着新能源汽车和储能系统的快速发展，锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、长循环寿命和优异的循环稳定性，已成为电化学储能技术领域的主导选择之一[1]。然而在实际应用中，体积扩展包、热效应及充放电过程中的应力演化问题日益引发关注[2]。
因此，研究电池在充放电过程中的机械结构变化对于阐明结构失效机制和优化电极材料设计至关重要。电极材料在锂离子嵌入和脱嵌过程中会发生本征体积变化，这从根本上导致了内应力的产生[3]。以石墨负极为例，锂离子嵌入会导致层状结构膨胀，在完全锂化形成LiC6时产生约13%的体积膨胀。₆[4]。相比之下，LiNi₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃(NMC111)正极材料表现出相对较小的体积变化，通常介于0%至2.4%之间[[5], [6], [7]]。尽管这些体积变化源于材料内部的微观尺度，但通常会在更大范围内表现为电池结构内部的机械应变。₂ (NMC111) cathode shows relatively small volume changes, usually between about 0 % and 2.4 % [[5], [6], [7]]. Although these volume changes originate at the microscopic level inside the materials, they usually appear on a larger scale as mechanical strains within the cell structure.
多项研究采用多种原位测量技术来量化分析电池循环过程中的机械应变。Ren等[8]通过采用应变片对18650圆柱电池壳体进行应变监测，发现所测应变响应与电池荷电状态（SOC）之间存在明确关联。这一结果表明应变测量能有效反映电池工作过程中内部体积变化与结构演变。Song等[9]观察到在充放电倍率低于2C时应变响应保持稳定，但在更高倍率下则呈现显著超调与残余应变，表明结构应力积累加剧。Wu等[10]通过结合原位通过对18650电池进行计算机断层扫描(CT)分析的应变测量，研究者观察到金属外壳在连续循环过程中应变分布日益不均。这种不均匀性与电极卷芯和外壳之间的内部间隙变化密切相关。Li等人[11]开发了一种结合三维扫描与红外热成像的测量系统，能够在静态条件下同步获取电池外部形貌与热分布数据。该系统可提供同步的电学、热学和机械结构信息。Chen等人[12]采用系统化方法分析了大尺寸方形电池的变形行为，原位测量平台识别出由锂插层导致的电极扩展包、内部组件分布不均及外壳刚度差异引发的三种主要变形模式。文献中用于测量电池应变的其他方法包括数字图像相关法(DIC)[13,14]、X射线衍射(XRD)[15]以及激光束偏转技术[16,17]。 measurement platform, identifying three main deformation patterns caused by electrode expansion from lithium intercalation, uneven internal component distribution, and casing stiffness differences. Alternative methods used in the literature for measuring battery strain include digital image correlation (DIC) [13,14], X-ray diffraction (XRD) [15], and laser beam deflection techniques [16,17].
这些研究为理解电池的机械形变奠定了坚实的实验基础。然而，多数研究主要聚焦于应变行为的测量，而对应变信号在实际电池监测与诊断中的功能性应用直到近年才开始发展。基于这些进展，研究者们正探索如何将应变演变作为运行过程中潜在电化学状态与热力学状态的可靠表征指标。
与此同时，应变信号凭借其实时监测能力，为电池状态估计与失效预测提供了新途径。Peng等[18]率先利用光纤布拉格光栅(FBG)传感器测得的应变数据进行荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)估计，证实应变可作为电池状态监测的重要结构信息。Hendricks等[19]开发了基于应变片测量的锂离子电池放电深度(DOD)预测模型，验证了应变在DOD评估中的关键指示作用。Hou等文献[20]提出了一种基于应变特征的电池健康状态(SOH)估计方法，研究表明整合应变测量数据可显著提升预测精度，使估计误差降低25%以上。Lin等[21]提出了一种融合应变特征提取优化与卷积神经网络(CNN)的电池SOH预测模型，强调利用应变数据可大幅提升估计精度。Chen等[22]进一步研究了棱柱形锂离子电池在结构失效前机械应变的演变规律，提出应变信号可作为结构异常的潜在早期指标，从而促进对电池潜在故障的快速检测与响应。黄等人[23]基于应变信号提出了一种锂离子电池热失控预警方法，验证了该技术相较传统温升监测能更早识别结构异常，进而提升预警时效性。
综合研究表明，应变信号能够反映内部结构变化，在电池状态评估、故障检测与安全管理方面具有重要潜力。然而关键局限仍然存在：既往大多数基于应变的研究均在理想化恒温条件下开展，未考虑热管理系统的影响。由于温度与散热条件会显著影响电化学反应与机械形变，忽略热边界条件极大限制了这些研究成果在实际电池系统中的适用性。
近年来，浸没式冷却（IC）凭借其高效换热、温度分布均匀、系统设计简化以及运行安全性提升等优势，已成为极具前景的创新性电池热管理技术（BTMS）[24]。该技术尤其适用于对热安全性和快速充电能力有严苛要求的应用场景。Liu等[25]研究了浸没式冷却条件下电池模块的电热平衡行为，结果表明该方法显著降低了单体电池间的温度和电压差异，从而提升了热平衡性并改善了模块运行一致性。Satyanarayana等[26]通过实验评估了锂离子电池的热管理系统，发现在3C倍率下，与自然风冷相比，强制风冷使单体最高温度降低43.83%，导热油降低49.17%，矿物油降低51.54%。 该浸没式冷却系统（IC）将电池温度维持在推荐限值内，最高可支持2C倍率充放电，表明其作为Novec和AmpCool™等商业介电流体的低成本替代方案具有应用潜力。Suresh等[27]提出了一种基于先进介电流体的IC方法，使电池温度始终低于40°C且电芯间温差小于2.5°C，显著优于自然对流和传统冷板冷却方案。恰当的热管理措施与合适的环境介质可有效提升电池性能并降低安全风险。 浸没式冷却系统（IC）在锂离子电池热管理领域具有显著应用前景。
基于上述文献综述，现有对浸没式冷却（IC）的研究主要集中于热管理性能方面，包括温度均匀性、冷却效率以及介电流体的传热特性。既往研究系统地揭示了不同介质的散热行为与热稳定性：低粘度矿物油和氟化介电流体能显著降低电池单体间温差并维持高倍率运行时的热平衡，而硅油或酯类油等高导热系数流体则能提供更优的温度控制效果。此外，多项研究已探讨了浸没式冷却（IC）如何影响电化学一致性及电池老化，发现浸没环境能有效抑制温度梯度引发的副反应并降低容量衰减。然而，这些研究主要聚焦于热性能与安全评估，而浸没冷却下电池的机械应变行为尚未得到系统研究。这一空白在实际工况中尤为关键，因电池并非孤立运行；其应变响应很大程度上受电池热管理系统（BTMS）策略的影响。电池应变研究需综合考虑电池热管理系统(BTMS)策略与环境介质对力学响应的影响。事实上，在空气中开展的研究可视为以空气作为浸没介质。将其与液体浸没条件下的研究进行对比，有助于更深入地理解电池的力学行为。鉴于温度会显著影响电池内部电化学反应，其直接作用于内部结构动力学与外部应变响应。通过将热管理策略与机械应变测量相结合，不仅能更精确地掌握应变演变规律，还可为电池性能评估与故障诊断提供更可靠的依据。
基于这一基础，该领域已逐步发展出一个结合电池系统内热力学、机械与电化学相互作用的系统性研究框架。然而，若干关键性未解问题仍需深入探究。例如，在动态剧烈热环境远超实验室受控条件的实际工况下，变量与极端温度条件对应变幅值、波动及滞回效应的影响机制尚未完全阐明。此外，尽管先前的研究已从传热和温度均匀性角度探讨了强制流动浸没冷却技术，但在此类流动条件下的机械应变行为尚未通过雷诺数和努塞尔数等无量纲参数进行系统表征或量化。%%更重要的是，关于不同冷却策略下应变的循环后演变机制与机械退化机理仍缺乏深入理解，特别是长期循环过程中残余应变累积、疲劳效应以及微观结构弛豫等关键问题。%%现有研究还缺乏耦合计算流体力学-有限元分析的热机械模型，这限制了对温度-应力-应变相互作用及局部变形机制的预测性认知。
鉴于这些问题的复杂性和广泛性，系统性研究必须从严格受控条件下的基础实验验证开始。作为该研究框架的初步步骤，本研究选取了三种典型电池类型：18650圆柱电池、软包电池和方形磷酸铁锂电池（LFP）。通过高精度应变测量，系统研究了它们在两种冷却条件（风冷（AC）与浸没冷却（IC））、不同放电倍率及不同荷电状态（SOC）水平下的力学响应特性。通过引入"应变波动"的概念，本研究对比分析了三种类型结构稳定性的差异。此外，结合微分容量（dQ/dV）与微分应变（dμε/dV）分析方法，探究了电化学反应与力学响应之间的关联机制。该研究首次对浸没式冷却过程中电池与冷却介质热力耦合引发的机械应变特性，提供了系统的实验量化与机理分析。针对浸没式液冷条件下机械应变响应的深入研究，将对该技术的实际应用推广与持续发展起到关键推动作用。