鋰電池雙策略熱管理系統：浸沒式冷卻與形狀穩定相變材料的融合

論文信息：

Jie Mei, Guoqing Shi, Mingyi Chen, Bohong Wang, Dingding Yang, Qing Li, Yi Zhang, Weiguang An.A dual-strategy thermal management system for lithium-ion battery: integrating immersion cooling with shape-stable phase change materials.Applied Thermal Engineering 290 (2026) 130001.

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2026.130001

PART1

研究背景

鋰離子電池因其高能量密度、長循環壽命和環境友好性，廣泛應用于電動汽車和儲能系統。然而，電池性能對溫度高度敏感：低溫下電解液粘度增加、鋰離子遷移速率下降，導致容量衰減；高溫下副反應加速，可能引發熱失控，造成火災或爆炸事故。理想的電池工作溫度范圍為20–40°C，且單體間溫差應控制在5°C以內。傳統的熱管理方式如空氣冷卻、液冷和熱管冷卻各有局限：空氣冷卻散熱能力有限，液冷和熱管結構復雜且存在溫度不均問題。相變材料利用潛熱吸收熱量，具有被動冷卻、溫度均勻性好等優點，但存在導熱率低、易泄漏和形狀不穩定等挑戰。為此，本文設計并優化了一種兼具高導熱性和形狀穩定性的復合相變材料，并將其與浸沒式液冷耦合，構建高效混合熱管理系統。

PART2

研究內容

形狀穩定相變材料的制備與優化：以石蠟為相變基材，膨脹石墨構建導熱骨架，六方氮化硼提升導熱性能，環氧樹脂確保形狀穩定。通過調控各組分配比，制備了SPCM0至SPCM3四種材料。SEM顯示PA均勻吸附于EG孔隙中（圖1），XRD證實各組分僅為物理混合（圖2）。 leakage測試表明，SPCM3在70°C下2小時質量保留率達99.8%，形狀穩定性最佳（圖3）。BN的加入使SPCM3導熱系數達1.23 W/m·K，較純PA提升363%；抗壓強度達6.05 MPa，較無BN樣品提升20.7%（圖4、5）。DSC顯示SPCM3相變焓為83.5 J/g，相變溫度范圍適合電池熱管理（圖6）。TG-DTG分析表明SPCM3熱穩定性優于純PA（圖7）。

圖1. (a) EG、(b) PA、(c) PA/EG、(d) SPCM1、(e) SPCM2、(f) SPCM3的SEM圖像。

圖2. SPCM 的 XRD 模式。

圖3. (a) 泄漏現象，(b) 質量泄漏率。

圖4. 各種SPCMs的最大抗壓強度對比。

圖5. 不同相變材料（SPCMs）的導熱系數示意圖。

圖6. 不同SPCMs的DSC曲線。

圖7. (a) 不同SPCMs的TG曲線與(b) DTG 曲線。

單體與模組熱管理性能：在25°C下對單體電池進行1C–3C充放電測試，未加SPCM時3C放電溫度達54.7°C，超出安全閾值；SPCM3包裹后溫度降低31.1%（圖8）。在4串2并電池模組中，中心電池（4、5號）散熱困難，3C放電時未加SPCM模組最高溫達55.3°C，溫差達10°C；SPCM3包裹后最高溫降至39.8°C，溫差降至7.1°C（圖9、10）。表明SPCM3雖能降低溫度，但內部溫差仍需進一步控制。

圖8. 25℃下不同測試條件下的電池表面溫度：(a)、(b)和(c)分別對應1C、2C和3C的放電速率，(d)為測試期間電池的峰值表面溫度。

圖9. 電池組在25°C放電時的最大溫度及最大溫差：(a)、(b)和(c)分別對應1C、2C和3C放電速率，(d)為3C放電速率下的電池組溫度曲線。

圖10. (a) SPCM3電池組在25°C下3C倍率下的溫度曲線，(b) SPCM3對電池組最高溫度及電池間溫差的影響。

混合熱管理系統優化：將SPCM3與浸沒式液冷耦合，采用變壓器油作為冷卻液。實驗優化了流量和通道配置：在3C放電、25°C環境下，2500 ml/h雙通道配置效果最佳，最高溫降至35.8°C，溫差僅1.9°C（圖11）。循環測試（3C放電/0.5C充電三周期）顯示系統穩定性良好，最高溫與溫差波動?。▓D12）。在40°C高溫環境下，單獨SPCM3已無法將電池控制在理想范圍，耦合系統則能將最高溫控制在47.2°C，溫差1.7°C（圖13）。

圖11. 液冷流速對電池組溫度的影響：(a) 最高溫度，(b) 最大溫差。

圖12. 充放電循環過程中電池組的溫度變化特性：(a) 最高溫度；(b) 最大溫差。

圖13. 電池組在40°C下的熱管理性能：(a) 僅使用SPCM3，(b) SPCM3與浸沒式液體冷卻耦合。

傳熱機制分析：基于能量守恒和牛頓冷卻定律，計算了電池自發熱量及向SPCM的傳熱量。結果表明，中心電池因散熱受限，向SPCM傳熱量低于邊緣電池（圖14）。混合系統中，液冷恢復了部分SPCM潛熱，且各電池向SPCM傳熱量的差異減小（圖15），解釋了溫度均勻性提升的原因。

圖14. (a) 單個電池放電過程中向不同固態相變材料（SPCM）傳遞的熱量，(b) 電池組內各電池向SPCM3傳遞的熱量。

圖15. (a)SPCM3在不同放電速率（25℃）下浸沒冷卻的Qspcm，(b) SPCM 與耦合系統（40℃）的Qspcm對比。

PART3

總結與展望

本研究成功制備了兼具高導熱、高抗壓和形狀穩定的復合相變材料SPCM3，并將其與浸沒式液冷耦合，構建了高效的混合熱管理系統。主要結論如下：

SPCM3具有優異的熱物理性能：導熱系數1.23 W/m·K，抗壓強度6.05 MPa，形狀穩定性好，相變焓83.5 J/g。

單獨使用SPCM3可顯著降低單體電池溫度，但模組內部溫差仍需改善。

耦合浸沒式液冷后，在3C放電下最高溫降至35.8°C，溫差僅1.9°C，且在循環和高溫環境下均表現穩定。

傳熱分析揭示了液冷恢復SPCM潛熱、提升溫度均勻性的機制。未來可進一步探索更低粘度、更高導熱系數的冷卻液，優化流道設計，并研究該混合系統在快充工況及極端環境下的長期可靠性。該研究為高能量密度鋰電池的高效熱管理提供了新思路。

A dual-strategy thermal management system for lithium-ion battery integrating immersion cooling with shape-stable phase change materials.pdf

歡迎關注公眾號 “芯片散熱”