在严寒气候中通过预热和氧化铝泡沫相变材料结构维持2170锂离子电池工作温度

为何电池在低温下成问题

电动汽车、笔记本电脑和家用储能都依赖锂离子电芯，这类电芯在相对温和的温度范围内性能最佳。然而在严冬中，这些电池往往难以恢复正常性能，可用续航下降，若使用不当还会加速老化。本研究探讨如何在严寒启动时，将一种常见的圆柱形电芯——2170电池保持在其舒适温区，通过温和的预热与一种特殊的蓄热壳体的智能组合来实现。

让电池组维持适宜温度

大多数锂离子电池偏好在大约15至35摄氏度之间工作。低于此范围，内部反应变慢、电阻上升，导致输出功率下降并在充电时承受更大压力；高于此范围则会加速老化并可能带来安全隐患。作者关注在环境温度低至零下40摄氏度时——这类温度是严寒地区的典型值——2170电芯的启动过程，研究如何快速加热并在其开始高功率工作后防止过热。

包裹电芯的蓄热外壳

所提出的方案是将圆柱形电芯包裹在由高孔隙率氧化铝泡沫制成的矩形壳体中，泡沫中浸渍有一种类石蜡的材料—十六烷。该材料在约18至22摄氏度熔化，恰好接近电池的理想工作区。当电池升温并开始产生热量时，蜡通过吸收熔化潜热来储存这部分能量，从而避免电芯温度急剧上升。氧化铝泡沫具有较高的导热性和良好的力学强度，它能快速在壳体内传导热量，加速蜡的熔化过程，同时为电芯提供机械保护。

模拟极端冬季启动

为了在不进行昂贵且复杂的实测条件下评估该方案，研究人员建立了一个详细的电池及其壳体周围的传热与流体流动的计算模型。他们模拟了在环境温度从零下40至0摄氏度、以及不同放电倍率（从较温和的1C到高负荷的4C）条件下系统的行为。在每次放电前，一个外部20瓦的预热源将电池从冻结起始温度加热到15摄氏度，以便进入更安全的工作区。模型追踪平均和峰值电芯温度、蜡的熔化程度、热量分布均匀性以及预热器的能耗等指标。

系统如何分配与存储热量

模拟结果显示，预热能可靠地将冷浸电芯在大约10至53分钟内加热到15摄氏度，具体时间取决于随后的放电强度及环境温度。开始放电后，在低到中等功率水平下，蜡层会持续熔化并将电芯维持在约20摄氏度附近，防止温度剧烈波动。在更高功率下，电池自身升温更快，可能在放电结束前完全熔化蜡，之后温度仍会上升但在研究的最温暖工况下仍低于约42摄氏度。该壳体还将电芯内部的温差控制在中等范围内，限制了可能缩短寿命的热点产生。

在升温时间与能耗之间的权衡

一个重要的实际问题是预热器需额外消耗多少能量。模型发现，在最冷工况（零下40摄氏度）下，低功率放电（1C）需要最长的加热时间，因此能耗最高。随着放电倍率上升，电池自身的损耗热会参与升温，外部预热器可以更早关闭，从而使能耗下降超过一半。在接近0摄氏度的较温和低温环境中，电芯往往能通过自发加热达到目标温度，进一步减少对预热器的需求。

对真实车辆的意义

总体而言，预热与充蜡泡沫外壳的组合能在严寒启动条件下将这种常见电池类型维持在一个安全且有效的温度区间内。该方法在很大程度上是被动的，既能抑制温度尖峰和热点，也能减少为加热冻结电池组所需的额外能量。对驾驶者而言，这可能意味着更好的低温续航、更快的可用性以及长期安全性的改善。在这类系统进入商用电池包之前，工程师仍需研究泡沫-蜡复合材料的长期耐久性以及如何将该策略与现有电池控制电子设备最佳地集成，但该工作为冬季防护下一代电动汽车电池提供了一条可行路径。

引用: Alkhatib, O.J., Ali, A.B.M., Tursunzoda, F. et al. Maintaining a 2170 lithium-ion battery’s operating temperature in freezing climates using preheating and an alumina foam PCM structure. Sci Rep 16, 10330 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40953-1

关键词: 锂离子电池, 寒冷气候, 热管理, 相变材料, 电动汽车