邱健蓄电池锂离子电池相变冷却技术的最新研究综述

锂离子电芯与电池组因其高能量密度、可循环性及能量效率，成为电动汽车发展的核心部件。然而其安全性与使用寿命对温度变化极为敏感，因此有效的热管理至关重要。相变材料（PCMs）通过利用相变过程中的高潜热，为电芯与电池组提供了一种极具前景的被动式精准热管理与调控方案。本文综述性文章全面考察了基于相变材料(PCM)的电池热管理系统(BTMSs)的研究文献，包括将PCM与空气、液体或热管冷却相结合的混合系统，这些系统旨在提升锂离子电芯与电池组的热消散能力及温度均一性。针对电动汽车等应用场景中当前及未来的电池热管理需求，本研究对该领域最新文献进行了系统梳理与批判性评述。重点探讨了高导热添加剂应用、封装技术和结构优化等关键强化策略，同时明确了电池热管理面临的技术挑战，包括低导热率与材料泄漏等问题。针对未来研究方向，提出了智能调控、多功能PCM及可持续设计等具有前景的发展路径。在这些方向上的突破对于开发新一代热管理技术至关重要，以实现高性能与安全的电能存储。本综述文章预期能为广大读者群体提供参考价值，尤其关注相变材料（PCM）与电化学储能领域的研究者。

引言

从基于化石燃料的交通向更可持续模式的转型，关键取决于高效安全能源转换与存储的能力[1]。在此背景下，电化学储能（通常采用锂离子电池）在电动汽车(EVs)中发挥着核心作用[2]。锂离子电池的安全性与性能直接决定了电动汽车的能效、续航里程及用户体验[3]。尽管锂离子技术具有储能密度高、循环性能好等显著优势，但与电芯过热相关的若干问题依然存在[4]。充放电过程中，内部电化学反应、极化阻抗及渗透阻抗会产生大量热量[5]。若生成的热量无法被及时有效地耗散，将导致电池内部温度升高，进而影响其安全性、功率输出及循环寿命[6]。因此，锂离子电池单体及电池组的热管理已成为重要研究方向，旨在推动新一代电动汽车及其他储能应用的发展[7]。
关于电池热管理已有大量文献报道，涵盖范围广泛的热管理方法，包括空气冷却、液体冷却、相变冷却和热管冷却[8]。这些技术各具特定优势，同时也可能存在相应缺陷[9]。其中，相变冷却通过利用相变材料（PCMs）在物理状态转变期间吸收/释放大量潜热的能力实现温度调控[10]。这为通过吸热与储热实现精确的电池温度控制提供了理论基础[11]。与传统风冷和液冷散热方式相比，相变冷却具有温控波动更小、可持续进行长效热管理以及主动能耗极低的特点[12]。因此，相变冷却尤其适用于需要在持续工作期间保持极高温控精度的锂离子电池系统[13]。在高效温控的辅助下，相变冷却技术能有效抑制材料与元件受热驱动的分解老化现象，从而延长电池循环寿命[14]。该技术同时可降低电池运行过程中发生热失控的概率，进而减少内部短路风险，防止热蔓延[15]。相变材料（PCM）技术的发展有望为电动汽车驱动的可持续交通基础设施快速增长提供有力支撑[16]。
鉴于相变材料（PCM）的多重优势，近年来基于PCM的电池热管理系统（BTMS）研究文献呈现爆发式增长[17]。通过材料与结构优化，基于PCM的热管理技术能显著提升温度控制均匀性，并有效抑制充放电过程中的过热现象[18]。例如，微胶囊封装技术与有机-无机复合相变材料的应用，在提升材料潜热与有效导热系数的同时，显著改善了循环稳定性[19]。由PCM与液冷、热管、金属泡沫等主动冷却技术构成的复合系统，在实现紧凑设计的同时，进一步提高了整体冷却效率[20]。然而，为充分发挥相变材料热管理对电池性能的优化潜力，仍需攻克若干关键挑战，包括本征导热系数偏低、熔融泄漏风险以及电池组质量增加等问题[21]。针对这些缺陷，目前研究正通过纳米增强复合材料、界面改性技术及模块化相变材料设计等创新路径进行探索[22]。未来，宽温域多相变体系、热电耦合集成系统、基于响应面的数字孪生设计以及多目标优化技术，有望在进一步提升电池热管理系统效率与可靠性方面发挥核心作用[23]。
鉴于相变材料（PCM）在电池系统冷却领域展现出的良好前景，本文综述旨在系统阐述相变材料用于锂离子单体电池及电池组热管理所面临的挑战与机遇。为实现这一目标，本文首先系统梳理并讨论了各类相变材料及其在电动汽车中的具体应用场景，进而全面对比分析了不同热管理策略的优劣特性。本文重点探讨了相变材料与其他三类冷却技术整合过程中面临的关键技术挑战，最后通过全面展望未来研究方向，明确了相变材料电池热管理领域若干具有潜力的具体研究机遇。