電池已廣泛應用于交通、儲能及電子消費產品等領域，是實現“雙碳”目標的必要一環。然而，當電池處于適宜的工作溫度范圍以外時，其安全、壽命及性能均受到不同程度的影響。

目前，鋰離子電池在全溫域中材料-單體-系統層級的性能、機理和策略尚未被系統性研究，制約了其全溫域應用與推廣。本文跨尺度和多層級設計方法的提出有助于全面改善現有問題。

現有鋰離子電池存在低溫環境下“趴窩”、續航“腰斬”；高溫環境下 “熱失控”、“熱蔓延”、“燃燒”；快充易“過熱”、“析鋰”等系列問題，嚴重阻礙了電池技術的進一步應用與推廣（圖2）。

圖2 全溫域下鋰離子電池性能、機理及策略

針對鋰離子電池在低溫環境下離子擴散速度減緩、電導率下降、反應速率變慢導致的性能衰退問題，可通過如下的跨尺度策略改善鋰離子電池低溫性能：材料層級的粒徑控制、顆粒包覆、顆粒氧化、溶劑選擇及電極結構設計；單體層級的串聯加熱元件和自加熱電池；系統層級的外部加熱、交流激勵加熱及混合加熱等（圖3）。然而，受限于成本、動力性能和基礎設施等多方面因素，鋰離子電池在低溫高寒環境下的應用仍存在較大挑戰。

圖3 提升鋰離子電池低溫性能跨尺度多層級設計方法

針對鋰離子電池在常溫環境下充放電反應產熱、焦耳熱等所導致的溫升問題，已有研究提出了基于風冷、液冷、相變材料和熱管等系統熱管理方法（圖4）。經過多年的工程應用實踐，結合理論分析、模型計算和實驗，綜合考慮電池系統產熱功率、環境換熱、體積、質量、成本等因素的熱管理系統已十分成熟。

圖4 溫度-電流耦合機制及電池熱管理系統設計

針對由熱、電、機械等濫用方式觸發的鋰離子電池急劇溫升導致的高溫安全問題，已有大量實驗研究了不同觸發方式下的熱失控/蔓延特征，并從材料層級的釋熱反應角度揭示了主要反應隨溫度觸發的反應時序。

在材料層級，通過界面構筑、耐高溫隔膜、電解液添加劑/阻燃劑等手段，有助于提升電池本征安全性；在單體層級，利用長薄型單體設計、自毀電池及泄壓閥設計可一定程度減輕單體熱失控對系統的危害；在系統層級，本文從**“燃燒三要素”的角度分析了電池系統火災中“可燃物”、“氧氣”、“高溫”**的來源，并對各項來源所帶來的問題提出了針對性的解決措施，以期延緩甚至阻斷系統層面的熱失控蔓延（圖5）。

圖5 緩解鋰離子電池熱失控/蔓延跨尺度多層級設計方法

總結與展望

全溫域鋰離子電池的材料改性、單體設計及系統級熱管理-安全設計有助于提升電池的性能、壽命與安全。

隨著高比能電池單體、系統的發展，對不同類型電池開展關鍵熱特性參量演變機制的研究尤為重要，有助于下一代電池管理系統高效、精準地將電池溫度控制在適宜范圍內。此外，高焓值滅火劑，高換熱效率熱管理系統及基于智能傳感、云計算和人工智能的電池管理算法等將為未來長壽命-高性能-高安全電池系統的全溫域應用保駕護航。






審核編輯：劉清