The Innovation | 电池全温域应用的性能、机理及策略

导 读

电池已广泛应用于交通、储能及电子消费产品等领域，是实现“双碳”目标的必要一环。然而，当电池处于适宜的工作温度范围以外时，其安全、寿命及性能均受到不同程度的影响。目前，锂离子电池在全温域中材料-单体-系统层级的性能、机理和策略尚未被系统性研究，制约了其全温域应用与推广。本文跨尺度和多层级设计方法的提出有助于全面改善现有问题。

图1 图文摘要

现有锂离子电池存在低温环境下“趴窝”、续航“腰斩”；高温环境下 “热失控”、“热蔓延”、“燃烧”；快充易“过热”、“析锂”等系列问题，严重阻碍了电池技术的进一步应用与推广（图2）。

图2 全温域下锂离子电池性能、机理及策略

针对锂离子电池在低温环境下离子扩散速度减缓、电导率下降、反应速率变慢导致的性能衰退问题，可通过如下的跨尺度策略改善锂离子电池低温性能：材料层级的粒径控制、颗粒包覆、颗粒氧化、溶剂选择及电极结构设计；单体层级的串联加热元件和自加热电池；系统层级的外部加热、交流激励加热及混合加热等（图3）。然而，受限于成本、动力性能和基础设施等多方面因素，锂离子电池在低温高寒环境下的应用仍存在较大挑战。

图3 提升锂离子电池低温性能跨尺度多层级设计方法

针对锂离子电池在常温环境下充放电反应产热、焦耳热等所导致的温升问题，已有研究提出了基于风冷、液冷、相变材料和热管等系统热管理方法（图4）。经过多年的工程应用实践，结合理论分析、模型计算和实验，综合考虑电池系统产热功率、环境换热、体积、质量、成本等因素的热管理系统已十分成熟。

图4 温度-电流耦合机制及电池热管理系统设计

针对由热、电、机械等滥用方式触发的锂离子电池急剧温升导致的高温安全问题，已有大量实验研究了不同触发方式下的热失控/蔓延特征，并从材料层级的释热反应角度揭示了主要反应随温度触发的反应时序。在材料层级，通过界面构筑、耐高温隔膜、电解液添加剂/阻燃剂等手段，有助于提升电池本征安全性；在单体层级，利用长薄型单体设计、自毁电池及泄压阀设计可一定程度减轻单体热失控对系统的危害；在系统层级，本文从“燃烧三要素”的角度分析了电池系统火灾中“可燃物”、“氧气”、“高温”的来源，并对各项来源所带来的问题提出了针对性的解决措施，以期延缓甚至阻断系统层面的热失控蔓延（图5）。

图5 缓解锂离子电池热失控/蔓延跨尺度多层级设计方法

总结与展望

全温域锂离子电池的材料改性、单体设计及系统级热管理-安全设计有助于提升电池的性能、寿命与安全。

随着高比能电池单体、系统的发展，对不同类型电池开展关键热特性参量演变机制的研究尤为重要，有助于下一代电池管理系统高效、精准地将电池温度控制在适宜范围内。此外，高焓值灭火剂，高换热效率热管理系统及基于智能传感、云计算和人工智能的电池管理算法等将为未来长寿命-高性能-高安全电池系统的全温域应用保驾护航。

责任编辑

侯鸿浩   南方医科大学

周东方   南方医科大学

扫二维码｜查看原文

原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00093-0

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第四期以Review发表的“All-temperature area battery application mechanism, performance, and strategies” (投稿: 2023-02-27；接收: 2023-06-19；在线刊出: 2023-06-21)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100465

引用格式：Chen S., Wei X., Zhang G., et al. (2023). All-temperature area battery application mechanism, performance, and strategies. The Innovation. 4(4),100465.

作者简介

陈思琦，同济大学汽车学院博士研究生在读。研究方向为电池安全、管理及智能优化设计。迄今发表SCI期刊论文三十余篇、公开发明专利20项（授权4项），作为主要研究人员参与国家自然科学基金3项（其中重点基金2项）、国家重点研发计划1项、横向项目3项。担任Materials客座编辑和多个SCI期刊审稿人。

魏学哲，现为同济大学汽车学院教授、博士生导师。近年来作为主要研究人员参与国家电动汽车专项课题的研究，作为项目负责人主持国家科技支撑计划项目1项，国家自然科学基金重点项目1项，作为课题副组长及主要研究人员参加国家“863”课题十余项。参与电动汽车国家标准工作组研究，并作为中国专家参与国际标准的协调。目前的主要研究方向为汽车电子及新能源汽车储能电源系统。以第一或通讯作者在Nature Communications、Applied Energy、Energy等学术期刊上发表论文100余篇。

Web: https://auto.tongji.edu.cn/info/1146/6332.htm

张广续，同济大学汽车学院博士研究生在读，主要研究方向为锂离子电池全生命周期热安全性演化及评估。迄今为止在Renewable & Sustainable Energy Reviews、Journal of Power Sources、ACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表SCI/EI论文共19篇；申请发明专利共22项，授权4项；作为主要研究人员参与国家级科研项目2项。

王学远，现为同济大学助理教授，研究方向为动力电池管理，入选中国科协青年托举工程。在IEEE Trans. Ind. Electron.、IEEE Trans. Transp. Electrif.、eTrans.等期刊/会议上发表SCI/EI论文48篇。目前主持国家自然科学基金青年基金等省部级及以上课题/项目共3项；担任WEVJ期刊客座编辑和多个期刊审稿人；授权中国发明专利23项，获得省部级科技一等奖3项。

朱建功，现为同济大学副教授，博士生导师。长期从事车用电池技术开发，包含状态感知及先进管理方法研究，获得德国 “洪堡学者”、DAAD Fellow、上海市海外高层次人才“特聘专家”称号，担任Communications Engineering编委，E-Prime青年编委，《汽车工程》青年编委。在Nature Communications、Journal of Power Sources、Applied Energy等共计发表论文60余篇；授权国家发明专利8项；主持国家级科研项目5项。

Web: https://auto.tongji.edu.cn/info/1147/7542.htm

冯旭宁，现为清华大学车辆与运载学院副教授，博士生导师、中国汽车工程学会第一届青年工作委员会委员、电池设计与管理青年学者联合会委员，入选中国科协青年人才托举工程，科睿唯安全球高被引学者。主要研究方向为动力及储能电池安全性。迄今为止以第一或通讯作者在Joule、Journal of Power Sources、Applied Energy, Energy等学术期刊上发表论文100余篇。

Web: http://www.svm.tsinghua.edu.cn/essay/74/1837.html

戴海峰，现为同济大学汽车学院教授，博士生导师；获上海市人才发展资金资助，入选上海市优秀学术带头人、上海市东方学者特聘教授。长期从事新能源汽车研究，发表SCI论文90余篇，连续入选Elsevier中国高被引学者，授权发明专利40余项，参编各类标准3部，出版专著3部，教材2部。获上海市科技进步奖等省部级或一级学会一等奖励6项。

Web: https://auto.tongji.edu.cn/info/1146/6301.htm

欧阳明高，中国科学院院士,新能源动力系统与交通电动化专家。担任eTransportation 期刊的主编。长期从事新能源动力系统与交通电动化研究。2007-2021年任国家新能源汽车科技专项首席专家，为中国新能源汽车引领全球做出了重要贡献。他先后在混合动力与电控系统、燃料电池与氢能系统、动力电池与储能系统、车网互动与智慧能源系统等方面取得一系列科研成果，推广应用经济效益超过百亿元。获国内外科技奖10余项。孵化包括科创板上市公司在内的学生创业企业超过30家。发表SCI收录学术论文400余篇，他引2万余次，多次入选科睿唯安全球高被引科学家。

Web: http://www.svm.tsinghua.edu.cn/essay/74/1848.html

往期推荐

	超疏水助剂强化CO2加氢制甲醇

	流体忆阻器架起化学与神经形态器件的桥梁

	藏在“猪鼻子”纳米结构里的电纺仿生设计

	薄膜太阳能电池性能突破的新方法

	超越极限：合理设计钙钛矿/半导体异质结实现器件性能突破

	百花齐放的硅基量子比特

	钯膜反应器的新应用：优势与挑战

	23.6%！柔性钙钛矿电池效率新纪录

期刊简介

扫二维码 ｜ 关注期刊官微

The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球54个国家；已被126个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有196位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，37位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI等数据库收录，2022年影响因子为32.1，CiteScore为23.6。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

期刊官网：

www.the-innovation.org

www.cell.com/the-innovation

期刊投稿（Submission）：

www.editorialmanager.com/the-innovation

商务合作（Marketing）：

[e-mail]

Logo｜期刊标识

See the unseen & change the unchanged

创新是一扇门，我们探索未知；  

创新是一道光，我们脑洞大开；  

创新是一本书，我们期待惊喜；  

创新是一个“1”，我们一路同行。

The Innovation 姊妹刊

The Innovation