基于相变材料的锂离子电池冷却系统的解析建模

为什么更凉的电池很重要

锂离子电池为我们的手机、笔记本和电动汽车供电，但它们也面临一个隐蔽的问题：会发热。多余的热量会缩短电池寿命，在极端情况下还可能引发危险故障。本文研究了一种用会熔化并吸收能量的特殊材料来抑制热量的聪明方法，并提供了一种快速的笔算式方法，能在工程师动手组装电池包之前预测这种冷却方案的效果。

储能与散热

随着我们逐步摆脱化石燃料，电池已成为储存清洁电力和驱动交通工具的核心。锂离子电池因在有限体积内储能高、可反复充放电而具有吸引力。但缺点是，带来高功率的反应也会产生热量。如果温度过高或在电池包内变化剧烈，电池会加速老化、容量下降，并更容易发生热失控——一种可能导致起火的连锁反应。

每个电池的类似蜡的夹套

一种有前景的电池冷却方式是用相变材料包裹每个电池，通常是一种类似蜡的物质。当电池升温时，该材料会熔化并在接近恒定温度的情况下吸收大量能量，有点像冰在融化过程中保持饮料凉爽。以往的实验与数值模拟表明，这类相变夹套能使电池外表面更凉且温度更均匀，但到目前为止，针对圆柱形电池的理论要么受限，要么计算缓慢，或建立在较强的简化假设之上。

预测圆柱电池内部温度的更快方法

作者们提出了一个解析模型，即一组可以直接求解的方程，而非依赖大规模数值仿真。他们将问题分为两个关联部分：圆柱电池内部的热产生与传导，以及从电池表面向外融化的相变材料中吸收与传输的热量。利用称为格林函数的数学工具描述电池，并对熔化材料采用微扰展开，他们迭代匹配两边在共用边界处的温度和热流，直到二者一致。由此可以得到电池各半径处的温度以及随时间推进的熔化前沿位置。

决定电池芯有多热的因素

借助这些新方程，研究人员测试了不同材料与参数如何影响冷却性能。他们确认提高相变材料的导热性可以降低电池表面温度并帮助扩散热量，但这种作用有一定上限。体系中最热的点仍然是电池芯，而该区域对电池自身导热性的响应最强：在样例情况下，提高电池的导热性可以将峰值芯温大致降低约三分之二。增加相变材料的潜热有助于进一步平滑表面温度，但对电池内部最热区域的影响相对较小。

为功率与安全设计电池包

模型还显示，快放电循环和更高电流会导致更快的升温和更快的相变材料熔化。通过追踪熔化前沿的推进距离，作者能够估算相变层的合适厚度，使其在电池完成最苛刻放电时刚好熔化完毕。这种平衡可以将温度保持在安全区间，同时避免过多的蜡增加重量并降低整体储能。研究总结道，尽管相变冷却是一个有效的被动工具，但要在圆柱形电池中充分发挥其优势，还需配合设计上让电池自身更容易将热量从芯部散出。

引用: Farajollahi, A., Gheshlaghchaei, B.A., Jalalvand, M. et al. Analytical modeling of pcm-based cooling system for lithium-ion batteries. Sci Rep 16, 14791 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44226-9

关键词: 锂离子电池, 电池冷却, 相变材料, 热管理, 圆柱形电池