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纳米流体在锂电池热管理系统中的应用分析

摘要：有效的热管理对于维持锂电池安全性和延长使用寿命至关重要，在此基础上，本文介绍了纳米流体的特点，包括热导率、稳定性、黏度等性质，通过与传统冷却液的性能对比以及纳米流体在锂电池热管理中的应用案例，展示了纳米流体在强化传热效率、实现更优的温度分布、提高锂电池热管理效率等方面的优势。

关键词：纳米流体锂电池热管理系统

锂电池热管理系统（BTMS）是新能源汽车中重要的组成部分，其主要目的是维持电池在最佳的温度范围内工作，以确保电池的使用性能、安全性和寿命。

锂电池在充放电过程中，由于电化学反应的作用会产生大量的热，如果控制不好可能会因为过热而导致失控，因此，锂电池需要一个有效的冷却系统来保持其在较长寿命下的使用性能，BTMS通过限制电池的温度波动，在整个充放电过程中将平均温度保持在安全范围内，从而解决热失控的问题。

目前，行业内使用的冷却技术主要分为主动冷却和被动冷却两类。在主动冷却中，散热是由外部设备（如风扇、水泵和压缩机等）作用的，在被动冷却中，常用自然对流的传热方法冷却。主动冷却系统在冷却效果上具有优势，但其伴随的振动、噪音和维护保养等问题难以解决，被动冷却因其较低的系统复杂性、维护需求和成本而更适宜锂电池的冷却[1]。

纳米流体由于其独特的性质及其作为高密度电池的冷却介质而备受关注，并具有多种应用场景，包括新能源汽车动力电池、储能系统、航空航天技术和医疗设备等。

2纳米流体的特点

纳米流体是在基础工质（水、乙醇或导热油等）中均匀分散有纳米颗粒的流体。在BTMS中加入纳米颗粒可以有效提高传统流体的热导率，从而提高传热效率并减少能源消耗。不过纳米流体比传统的冷却剂制造成本更高，并且随着时间的推移，纳米颗粒更倾向于聚集和沉降，这样就会影响纳米流体的稳定性。同时，这些纳米颗粒的直径范围在1–100nm内，如果人长时间暴露在含有这样小尺寸的纳米颗粒的环境中，有可能渗透到呼吸道、肺中而破坏人的免疫系统[2]。

2.1热导率

纳米流体热管理系统的热导率特性是传热流体发展中最重要的部分。理论上讲，在同等环境条件下，固相材料比液相材料具有更高的热传导行为。例如，在室温下，与水和发动机油相比，铜的热导率特性分别比水和发动机油高700和3000倍。因此，与液体相比，由纳米颗粒材料组成的流体悬浮液具有更高的传热效率，将其应用在BTMS中，可以有效地提升冷却效率[3]。

2.2黏度

黏度是描述流体（液体或气体）内部阻力的物理量，它表征了流体流动时相邻层之间的摩擦程度。冷却剂黏度的变化会影响泵的输送功率，并可能导致系统的压力损失。纳米流体的黏度应保持较低，以减少泵的能源消耗，从而降低BTMS能耗。纳米流体的黏度会受到纳米添加剂的体积浓度、颗粒类型、粒径、温度等因素的影响。有研究表明，随着纳米粒子分散度的增加，黏度也会增加，并且在较高的温度下，由于纳米流体内部纳米颗粒之间的分子作用力减弱，纳米流体的黏度会减小并接近恒定的黏度值[4]。

2.3稳定性

纳米流体的稳定性是指纳米颗粒在基础流体中分散的均匀性和抗沉降的能力。稳定性好的纳米流体可以长时间保持其较强的热传导性能，不会因为颗粒的沉降和聚集而使性能下降。提升纳米流体的稳定性可以通过调节pH值、添加表面活性剂、应用超声技术、使用混合纳米颗粒、控制纳米流体浓度、优化制备工艺、选择合适的基液、控制纳米颗粒尺寸和形态等多种方法实现。通过使用上述方法，纳米颗粒团聚得到抑制，纳米流体的稳定性得到提升，为BTMS长期稳定运行打下基础[5]。

3纳米流体在BTMS中的应用

锂电池主要依靠锂离子（Li+）在正极和负极之间移动来工作，在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。但在温度过高时，电池内部会发生不可逆的副反应，使可参与循环的Li+减少，从而缩短电池寿命。Hao等[6]的研究表明，锂电池的最高温度每上升13℃，寿命将减少50%，纳米流体由于良好的传热性能，在锂电池的热管理系统中受到研究者广泛关注。

3.1波浪形通道设计中的纳米流体

波浪形通道是研究人员试图提高冷却系统性能的方法之一，如图1所示，波浪形通道与圆柱形电池组融为一体，冷却通道的几何形状与电池形状相匹配，提供了更大的接触面。流体在阶梯边缘形成尾流，尾流间相互作用导致局部湍流，从而增强对流换热。界面面积的增加可以提高电池模块的热效率，略微提高相邻锂电池之间的热传导。增加电池与波浪通道壳之间的变形区域可以大大降低模块中最高温度，同时增加电池模块中温度的不均匀性。Sarchami等[7]的研究表明，以体积分数2.0%的水基Al2O3纳米流体为工质时，与直形通道相比，波浪形通道可使电池组在充放电工况下的温差分别减少0