在德国慕尼黑附近的宝马汽车研究中心，技术人员正在处理电池材料。来源：宝马集团

大型高能电池组的制造商必须设计复杂的系统来管理热量。例如，电动汽车制造商特斯拉Model 3车型的电池组所承载的能量超过了6000部iPhone 11。冷却液通过管道网络泵送，将热量从单个电池中带走。但这些笨重的附加组件不仅增加了电池组重量，还会消耗它的能量。开发人员在这些低效的设计上浪费了太多时间和金钱。为了使电池组既轻便又强大，必须改进其散热策略。

锂离子电池行业的规模预计将在未来10年扩大两倍。在热管理方面迫切需要循序式改进。使用成熟的技术可以迅速实现这一目标。

热管理

总的来说，有三种热管理系统。

液体冷却。特定体积液体的散热能力大约是同等体积空气的1000倍。电池可以浸入流动的液体中，或液体通过包裹电池的通道间接冷却。浸泡是最有效的，但是需要昂贵的介电介质液体来降低电池组短路的风险。因此，电动汽车一般采用冷却通道的方式。譬如，特斯拉就采用将装有液态丙二醇的管道包裹在圆柱形电池上。浸液和冷却通道的方法都会消耗能量，因为需要冷却液在电池周围流动得足够快。

设计难点

所有电池都由不同的材料层组成：电极、电解质、分离器和电流收集器。这些层可以被夹在一起，如软包电池；也可以卷曲成“果冻卷”，如圆柱形和方形电池（见“保持凉爽”）。

电流通过集流器流入和流出电池，集流器连接到电池的正极和负极，或“凸耳”。集流器是由易传热的金属制成的。但是，由于电极、电解液和分离器都是绝热材料，电池各层之间的热量传递很慢。换句话说，平行于这些层的热传递比穿过它们的热传递要快[1]。

只有当热量以相同的速率从每一层中去除时，它们才可能有相同的热条件。而表面冷却做不到这一点，因为它会产生温度梯度。

关键指标

在电池行业中，没有好的或通用的方法来测量电池的热性能。传热专家青睐毕渥数，它描述了物体通过和散发热量的能力。机械工程师更喜欢热传导和导热系数的定义；它们定义了在给定的温度梯度下，某种材料所能达到的传热速率。

这些方法都不能计算电池工作时的温度梯度，因为电化学电池的整个体积都会产生自身热量。如果不知道单个电池的温度梯度，就不可能为包含1000个电池的电池组设计热管理系统。

我们的冷却系数可以在实验室直接测量。研究人员可以让电池产生电化学热，然后使用温度传感器确定电池的温度梯度。电池的热量损失可以用热流传感器来测量。对于表面冷却，即电池的一侧已冷却而另一侧仍是热的时，电池的冷却系数可以通过用热散失率除以热侧到冷侧的温度梯度来计算。

如果产品表现不如竞争对手，一些电池制造商可能会反对使用热性能指标。有些反对者会说增加一个变量会使优化电池设计的协议复杂化，增加时间和成本。但我们评估过，这个指标只需要额外两个小时的测试，而通常不同类型的电池的表征测试就要花费数天。而且那些采用该指标的制造商在竞争中也更占优势。

我们呼吁研究人员和工程师对电池冷却系数进行常规测量和报告。我们的指标应该和其他典型的电池报告指标，如能量容量和放电率，一起纳入发表文献中。

在电池行业竞争如此激烈的情况下，能够保持电池凉爽的制造商将会有光明的未来。