电池热管理就是给电池包配个「空调」，以实现如下功能：
以上就是「通俗易懂」地说一说了。那么「展开讲讲」呢？「展开讲讲」就很复杂了，咱们挑重点说一下。
从原理上讲，电池包那么大坨的扁平金属体，工作时放电倍率也不高，自身产热是相当少的，要想把整个电池包弄成过热状态，也是很困难的。那么，散热是指什么问题呢？
凯迪拉克 Lyriq电池马
电芯Cell组成了模组Module，模组Module组成了电池包Pack。整个电池包的平均温度不高，但难保某个电芯的温度略高于平均。
这就涉及到「不患寡而患不均」的问题了，一个社会中穷人太穷、富人太富，就可能带来动荡变革。然而，电池包里的个别电芯只是「略」高于平均啊，也会出问题吗？
个别电芯温度高一点没关系，成不了气候，时间长了就被周边电芯给「冰」回来了。关键问题是，温度一高，电芯里会产生副反应；这些副反应大多是放热的，然后导致温度更高。
温度高 → 副反应 → 温度更高 → 新的副反应 → 温度更高 …… 链式反应到达某个临界点之前，还可以称为是「热堆积」；到达临界点之后，形势就无法逆转，就成了「热失控」了。
个别电芯的热失控放出大量热，把周围的电芯也加热到临界温度，后果可想而知 —— 因此，我们看到的电动汽车惨烈的电池事故，几乎都是「千里之堤溃于蝼蚁」的故事。
所以说，从电池包的整体来说，散热就不太需要关心的事情，但我们需要防止局部过热。具体来说，要防止某个电芯过热，甚至更细一些，防止电芯的某个部位过热。
比如说，通用汽车还给单节电芯设计过一种「毛细血管」散热，保证单体电芯的局部也不过热，这是相当黑科技的，甚至有点过了。
散热的主要任务不是防止整体过热，而是防止局部过热。这思路就和温度一致性问题相似了，所以我就将两个问题放在一起讨论了。
保证电池温度一致性，还是挺难的。 因为外界环境忽冷忽热，导热流体的线路也是固定的，这就造成了电芯间的温度像琴弦一样此起彼伏：
要解决这个问题，思路有两个。
思路一是设计合理的流道。举一个简单的设计迭代例子：
以上只是简单例子，实际情况就要利用流体力学、传热学仿真与工程实践，做成结果就是特斯拉这样子的：
思路二是使用导热效率更高的冷媒。晚秋时节穿个单衣，走在路上还可以忍；但跳到10来度的游泳池里，一般人抗不过10分钟，为什么？ 因为水冷比风冷效率更高。
行业里，一开始风冷与水冷都有，现在以水冷为主了。
散热，防的是局部过热。加热有所不同，它防的是电池包整体太冷，讲究的就是一个「大力出奇迹」的问题。
已经是大力出奇迹了，就要实打实地产生相应的热量，来不得半点虚的。尽管如此，也是有不同技术路线的。
王朝阳教授ACS Energy Lett.：电池热管理和安全的基本见解【成果简介】
近日，美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳教授(通讯作者)团队针对安全性、能量密度和循环寿命三重难题，提出了电动车电池热管理和安全性的新视角。作者对每一项问题的基本原理进行了定量分析，并将高温电池运行和耐热材料确定为未来电池研发的重要方向，以提高安全性、延缓老化和简化热管理系统。本文发现耐热电池对于抵抗热失控以及最终的电池安全是必不可少的。同时，耐热电池在环境温度下闲置时可延长使用寿命，工作时的热管理也大大简化，因为驱动冷却的温差很大。随着社会向无所不在的电气化交通发展，本文所阐述的基本原理揭示了当前和未来电池技术发展的非常规方法。相关研究成果以“Fundamental Insights into Battery Thermal Management and Safety”为题发表在ACS Energy Lett.上。
【核心内容】
电池安全可能在电动汽车的应用中更为重要，因此必须保持其优先级。如果LiBs由于电池热管理（BTM）不足或其他形式的问题(如短路)达到90~130℃，电解液的可燃性和电池材料的放热分解将带来有潜在的灾难性故障——热失控(TR)的威胁。随着镍含量的增加，高压三元层状氧化物正极材料的发展趋势也加剧了电池安全运行的挑战，虽然电池能量密度(ED)的提高，但伴随而来的是热稳定性的下降。在过热的情况下，通过冷却来减缓TR是可能的，并且在一个小的温度范围内，电池产生的热量不会超过BTMS的冷却能力(图1)。因此，BTMS也提供了一个防止热失效的屏障。显然，电动汽车的关键指标(安全性、使用寿命、续航里程等)相互竞争，电池科学家和工程师需要重新审视这些指标的基本原理，从而推动从材料到系统水平的逐步创新。
图1. 电池热特性。电池热管理系统必须将运行过程中产生的热量散热，以避免温度持续升高。具有不同温度依赖关系的多种老化机制导致了电池寿命的最佳工作温度，这需要BTMS进行温度调节。在由于滥用或冷却不足导致的高温下，电池会由于电池材料之间的加速放热反应而发生热失控(TR)。BTMS是防止这种热失效的屏障。
电池热管理
为了应对BTM的挑战，作者通过eq1比较了各种车辆动力总成(内燃机车(ICEV)、燃料电池汽车(FCEV)和纯电动汽车(BEV))的热产生情况:
其中q̇gen是峰值功率时产生的热量，P是峰值功率，η是系统效率。在此基础上，通过平衡系统的产热率和散热率，考虑了零升温的理想热管理条件，eq2：
其中U是电力系统与环境之间的有效传热系数，A是有效传热面积，Tc 是电池工作温度，Tamb 是环境/冷却液温度。为了简化热管理，作者考虑eq2并确定了三个要素:(i)增加热导率，(ii)提高电池的工作温度，使其远离环境，即扩大冷却时的温差，或(iii)降低热生成速率(例如，降低电池电阻)。目前的BTMS设计灵感来自经典技术，如空气冷却、直接/间接液体冷却和/或扩大传热面积(如散热鳍片、冷板等)，以增加热导率。在目前的BTMS设计中，冷却表面积是限制因素，但其扩展(如散热鳍片阵列)消耗了不可用的封装体积。因此，U必须增加，这也增加了整个电池系统(泵、阀门、热交换器等)的成本/质量/体积，以及运行的寄生能量消耗。此外，系统的复杂性也会产生一系列可靠性相关的问题。因此，尽管主动液冷和某些情况下的空冷能够提供足够的散热，但仍需要寻求更安全、更可靠、更有效的方法来实现BTM。另外，被动热管理也具有相当的吸引力，因为它消除了主动热管理辅助组件的寄生功率、重量和空间消耗。热管通常被认为是BTM的被动选择。虽然它们本身是被动的，能够有效地将电池附近的热量散发出去，但热量仍必须被输送到电动汽车组件外，这就需要一些其他辅助冷却系统。此外，其存在的成本高、接触面积小等缺点，使其目前还无法满足电动汽车BTM的要求。另一方面，相变材料(PCM)可以提供完全被动式的BTM解决方案。自2005年提出将pcm应用于BTM以来，pcm一直受到研究界的关注。有效的基于pcm的系统已经在实验室规模的计算或实验中被证明；然而，PCM系统对质量法(GCTP)和体积法(VCTP)的实际影响却很少被报道或讨论。为了从系统的角度评估PCM，在给定高能量(SE)的情况下考虑LiB的热产生。在考虑了PCM和电池在从环境温度提高到工作温度(假设大约等于PCM固相线平均温度)过程中所吸收的感热后，GCTP效率可以估计为
其中SEi和cp,i是标明的电池或电池组的SE和比热，λ是PCM的熔化潜热，fperiphery是外围质量(电缆、电池组外壳)的比率、电子设备等，不包括BTMS)到电池质量。通常提出的相变材料具有150~250 kJ/kg或平均55 Wh/kg的熔化潜热。根据Diekmann等人提供的包装质量分解方法，作者保守估计fperiphery为0.36(包装质量的56%和20%分别来自电池和外周)。如图2所示，200和300 Wh/kg电池设计的最大GCTP分别为61%和55%。同样，VCTP效率估计为
其中，ρcell和ρPCM分别是软包电池和PCM密度。根据软包电池和PCM的密度分别为2000和900 kg/m3, 400和600 Wh/L电池的VCTP效率分别为61%和50%，这意味着大约40-50%的封装体积将分配给PCM材料。因此，就转化效率(CTP)而言，PCM与目前的液冷电动汽车相比几乎没有优势。最近，吸附剂被提议作为一种类似于PCM的近被动BTM策略。电池加热和冷却分别通过水吸附和解吸发生。由于水的大量蒸发热(2400 J/g），这种技术相比PCM(~220 J/g) 在吸附热方面提供了数量级的优势。然而，对BTM重要的是每单位质量或体积的吸附剂加上水的吸附热。后一个参数是否以及如何使电动汽车电池的实际应用可行，还有待观察。
图2. PCM的电池-封装组装效率。重量法和体积法电池-封装效率vs比能(蓝色)和能量密度(红色)。插图显示了300 Wh/kg电池的质量和体积分解，电池是目前锂离子电池的高端产品。PCM占据了封装质量和体积的45%和50%，以实现相当于电池在一个放电循环中产生的热量的潜热容量。
先前采用或尝试的主动和/或被动冷却方法的缺点促使人们进一步寻找替代解决方案以简化热管理，即前面描述的类别(ii)和(iii)中的机会。一个大胆的想法是，如果可以将LiB设计成类似于在80℃下运行的聚合物电解质燃料电池，那么机会(ii)和(iii)将分实现，实现BTM的消失。事实上，最近出现了一类通过强界面钝化开发的高安全性耐热电池。这些电池必须在高温下运行，例如60℃，才能恢复供电。这些耐热电池在热管理方面具有显着优势，因为增加Tc同时增加了驱动散热的温差，并通过降低电池电阻以指数方式减少发热(图1)。由于热通量降低(由于产生的热量较少)，还提供了内部温度梯度的互补降低以确保均匀的电极老化。图3a表明相比在30和35℃操作(环境温度25℃)，将操作温度提高到60℃可使UA在天气炎热的地区运行也存在类似的优势，其中将电池温度保持在40℃或45℃的要求分别是60℃运行的6.6倍和3.0倍。从广义上讲，在远高于任何实际气候的温度下运行电池可降低UA要求，从而大大简化BTM，而不受环境条件的影响。虽然通过提高工作温度来简化BTMS可能有多种形式，但我们提出了一种“无热管理”(TMF)的EV，如图3b所示。首先，存在两种提高电池温度的操作策略：一种用于低功率需求（例如，城市/社区驾驶），另一种用于按需提供高功率(例如，高速公路加速行驶）。前者通过让电池自然升温而不会消耗额外的能量，而后者使用自热电池结构中的电池内加热元件(镍箔)实现快速热调制。展望未来，如果耐热电池设计为在80℃下运行，就像聚合物电解质燃料电池一样，热管理系统将从电池组中消失。因此，本文认为耐热材料和高温操作将是牵引电池安全和大大简化或完全消除热管理的现实且重要的方向。
图3. 抽气式空气冷却用于轻量化、低成本LiB组件的可行性。(a)对于典型的高能、最先进的锂离子电池，电池电阻与ΔT驱动传热相对于60℃时的比率。(b)概念上的无热管理、耐热电池在电动汽车中的应用，以及整体电池组的简单性、比能量和能量密度带来的好处。
电池安全
在中等温度范围内，例如高达90℃，BTMS可用于防止传统LiB中的TR。一般而言，TR发生在滥用条件下（例如，短路、过热、过充电等）。对于当前的LiB，一旦电池温度升高超过ca.90–130℃，一系列放热物质分解开始。SEI层首先发生热分解，使阳极和电解质之间发生放热反应，然后是隔膜熔化、阴极分解/氧气释放和电解质分解。此外，普遍的线性碳酸酯电解质溶剂的低沸点(例如，碳酸二甲酯(DMC)为91℃，碳酸甲乙酯(EMC)为110℃）会导致压力积聚，导致电池外壳在相对较低的温度，将大气中的氧气引入电池。在热-温度-反应循环的后期阶段，温度飙升至ca.600–1000℃并发生剧烈的电池破坏。自热的起始温度通常称为T1，实际上对应于电池内热稳定性最低的材料。剧烈TR开始时的温度(即“不归路温度”)称为T2（例如，150–250℃）。在高水平上，防止TR需要完全避免T1和/或通过增加所选电池材料的系统热稳定性来延迟T1和T2。
图4. 当前和未来电池短路的威胁。(a)在25℃的环境下，通过短路放电，将10%或20%的能量以热量的形式释放，变成比能电池所达到的绝热温度。(b)fsc限制避免不同的自热温度(T1)与电池比能。
一条通往安全和高能的道路
一个既具有高安全性又具有高ED的耐热电池的具体例子可以通过一种被称为安全、高能量密度电池(SEB)的设计来说明。SEB电池由石墨负极和NCM811正极组成，阴极负载为4 mAh/cm2，相当于290 Wh/kg的大容量电池。在3.3 Ah电池的耐刺穿(NP)测试中，950℃的温升证实了这一点(图5a)。为了减轻这种威胁，在电解液中加入少量的阻燃剂(如1.5 wt%)磷酸三烯丙基(TAP)。TAP在正极和负极上聚合，形成厚的、高阻抗的电极电解质界面(EEIs)，如图5b所示。通过在环境条件下抑制或关闭电极的反应性，电池对NP的反应变得良性。事实上，图5c显示SEB电池的NP测试显示渗透后放电非常缓慢。TAP引起的阻抗上升意味着较差的倍率性能，但当SEB电池热调制到60℃时，Arrhenius效应打开EEIs产生了59%的倍率增益。最后，保护EEIs的热稳定性和机械完整性，阻止晶格氧从金属氧化物正极释放，抑制有机电解质溶剂在正极和负极的分解，并且在电极循环过程中抗颗粒断裂/EEIs生长，克服了传统锂离子电池在高温下循环寿命降低的问题，即使存在不稳定的高镍三元氧化物正极材料。总体而言，SEB设计体现了LiB安全性的可行性，并在不牺牲SE/ED的情况下从这个角度说明了简化的热管理概念。在此示例的指导下，电池材料社区现在敞开大门，可以发现用于耐热设计的大量替代和/或特定化学解决方案，而不再受到低阻抗的RT要求的阻碍。
图5. 单电池高温稳定性和安全性。(a,c)SEB和LiB电池在NP测试过程中温度和电池电压的变化。(b)SEB电池的EIS光谱。(d)SEB电池在60°C时循环的容量保持。
本文探讨的对BTM和安全性的新见解引申出重新定义的电池热特性示意图(图6)。使用热稳定的电池材料可以延缓老化，延长使用寿命，同时也提供了更大的安全屏障，并有效消除TR的威胁。此外，热稳定的材料和界面使电池能够在高温下工作，显著增大了温差，驱动散热，因此对热管理的要求更低或不需要热管理。采用自加热结构，可以在不考虑环境条件的情况下，对高功率的高温工作温度进行快速热调制。在与环境平衡储存时(>~95%的寿命)，耐热电池实现了很长的使用寿命，同时也保证了其在短路情况下的安全性。
图6. 用热稳定材料制成并在高温下工作的耐热电池的热行为。热稳定的材料提高了安全性，在所有温度下都能延长循环寿命，而灵活的热调制使高功率操作成为可能。在高温下的操作也大大降低了BTMS对热导率(UA)的要求，简化了其设计和实现。
【结论】
综上所述，对于高能量锂电池和下一代电池(例如锂金属ASSB)来说，设计具有高安全性和高功率高温工作的耐热电池，为超高ED和高安全性开辟了一条新道路。通过减少或不增加BTM，还可以获得额外的封装ED增益和有利于成本降低。这些优势对于轻型、大众市场的电动汽车尤其具有吸引力。此外，采用双峰状态，电池在驾驶时加热，以实现高效运行和怠速休眠，为电动汽车在任何实际气候条件下运行提供了一种新方法。最后，作者希望这一观点能够激发电池研究各个领域的非传统思维，为当今和未来的电池找到意想不到但有效的解决方案。
Ryan S. Longchamps, Xiao-Guang Yang, and Chao-Yang Wang*, Fundamental Insights into Battery Thermal Management and Safety, ACS Energy Lett., 2022, DOI:10.1021/acsenergylett.2c00077
