鋰離子電池對(duì)于溫度十分敏感，在較高的溫度下鋰離子電池阻抗降低，性能上升，但是高溫也會(huì)加劇鋰離子電池的衰降速度，而在較低的溫度下，鋰離子電池內(nèi)阻上升，電池性能下降，在極低溫度下甚至?xí)?dǎo)致負(fù)極析Li，嚴(yán)重的影響鋰離子電池的使用安全。為了保證鋰離子電池良好的性能，以及優(yōu)異的循環(huán)壽命，需要將鋰離子電池的工作溫度控制在一定的溫度范圍之內(nèi)，因此溫度管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，然而不同散熱結(jié)構(gòu)的散熱效果千差萬(wàn)別，例如我們之前曾經(jīng)報(bào)道過(guò)對(duì)于軟包電池而言極耳散熱的效果要明顯好于電池表面散熱，極耳散熱能夠在電池內(nèi)部產(chǎn)生更小的溫度梯度從而減少電流分布不均的現(xiàn)象，減緩電池的衰降速度。

對(duì)于圓柱形鋰離子電池而言，由于電池表面的面積比較大，極柱面積比較小，因此我們通常通過(guò)表面散熱的方式為其降溫，但是在直徑方向上由于電極/隔膜/電極/隔膜的層狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得鋰離子電池在該方向上的熱阻較大，因此表面散熱往往會(huì)導(dǎo)致更大的溫度梯度，從而影響電池內(nèi)部的電流分布，加速電池可逆容量的衰降速度。近日，德國(guó)斯圖加特大學(xué)的ChristophBolsinger（第一作者，通訊作者）與KaiPeterBirke對(duì)比了極柱散熱和表面散熱對(duì)于圓柱形鋰離子電池內(nèi)部溫度梯度的影響，研究發(fā)現(xiàn)極柱散熱能夠有效的降低在直徑方向上的溫度梯度，且不會(huì)顯著的增加電池高度方向上的溫度梯度，從而達(dá)到改善鋰離子電池的循環(huán)壽命的目的。

ChristophBolsinger以A123的ANR26650M1B電池作為研究對(duì)象，并在電池內(nèi)部中心的上部、中部和底部分別植入了三個(gè)熱電偶，用于研究電池在表面散熱和極柱散熱方式下，內(nèi)部與外表面之間的溫度梯度，以及在軸向方向上的溫度梯度。26650電池正極材料為L(zhǎng)FP，負(fù)極材料為石墨，電池結(jié)構(gòu)如下圖所示，負(fù)極采用12um的銅箔，正極采用22um的Al箔，隔膜厚度為20um，電池外殼的厚度為0.3mm。

上表總結(jié)了電芯中各組成部分的熱導(dǎo)率、熱容、密度和厚度信息，在軸向上電芯各個(gè)部分導(dǎo)熱方式為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此電芯的熱導(dǎo)率可以通過(guò)下式1計(jì)算得到，但是在直徑方向上電芯不同組分之間導(dǎo)熱呈現(xiàn)出串聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此在直徑方向的熱導(dǎo)率可以通過(guò)公式2計(jì)算得到，根據(jù)下面的兩個(gè)公式結(jié)算發(fā)現(xiàn)，電芯在軸向方向上的熱導(dǎo)率高到39.49W/mK，但是在直徑方向上的熱導(dǎo)率僅為1.18W/mK，同時(shí)考慮在直徑方向上不同層之間的接觸熱阻，因此在直徑方向上的實(shí)際熱導(dǎo)率僅為0.15W/mK左右，因此電芯在軸向方向上導(dǎo)熱能力要比在直徑方向上的導(dǎo)熱能力高263倍，這也是表面散熱方式容易在電池內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度的原因。

下圖為該電池在20A電流下的放電時(shí)電池外殼溫度的分布情況，可以看到由于正極與殼體之間是直接聯(lián)系的，因此正極與外殼之間的溫度非常接近，但是負(fù)極極柱與外殼之間通過(guò)塑料密封件絕緣，因此負(fù)極極柱要比外殼溫度高一些。

為了測(cè)試表面散熱和極柱散熱兩種方式的散熱效果之間的差距，作者對(duì)于26650電池進(jìn)行了改造，首先在正極一側(cè)中央位置打了一個(gè)直徑1mm的微孔，然后放入三根熱電偶，分別測(cè)量電池底部、中部和上部的溫度，然后將微孔密封。

兩種散熱方式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖所示，極柱散熱方式是通過(guò)在正極蓋和負(fù)極極柱上分別放置一個(gè)直徑12mm的圓柱形Al塊，將電池在放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去。表面散熱是通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的管道結(jié)構(gòu)讓空氣流過(guò)電池表面，將電池產(chǎn)生的熱量從電池表面帶走。

為了驗(yàn)證兩種散熱方式的效率，作者采用脈沖（40A放電3s，10A充電12s）的方式在電池內(nèi)產(chǎn)生熱量，下圖分別展示表面散熱方式和極柱散熱方式電池核心和表面的溫度變化曲線，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)即便是在產(chǎn)熱功率和散熱功率相近的情況下，采用極柱散熱的電池的內(nèi)外溫差都要小于采用表面散熱的電池。

下圖為兩種散熱方式下電池在直徑方向上的溫度梯度，從圖中能夠看到表面散熱方式會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生更大的溫度梯度，特別是在電池中間的位置，核心溫度與表面溫度之間的差距能夠達(dá)到6℃，在靠近負(fù)極極柱的位置內(nèi)外溫差也達(dá)到了4.56℃，在靠近正極蓋的位置內(nèi)外溫差最小，僅為3.25℃，這主要是因?yàn)檎龢O蓋直接與正極極耳和電池外殼相聯(lián)，因此提高了散熱效率。而采用極柱散熱方式的電池，在電池上中下位置的內(nèi)外溫差都要小于表面散熱的電池。

下圖為兩種散熱方式的電池在高度方向上的內(nèi)部的溫度梯度，從圖中可以看到如果采用極柱散熱方式會(huì)增加正極蓋到電池中間的溫度梯度，但是負(fù)極極柱到電池中間的溫度梯度兩種散熱方式則基本相同。

下圖為電池外殼在高度方向上的溫度梯度，從下圖能夠看到如果采用極柱散熱方式，正極到電池的溫差要高于采用電池表面散熱方式的電池，但是負(fù)極與電池中間的溫差要小于表面散熱方式。

總的來(lái)看，采用極柱散熱的方式能夠有效的降低電池在直徑方向上的溫度梯度，同時(shí)僅僅會(huì)輕微的增加在電池高度方向上的溫度梯度，因此采用極柱散熱方式能夠在電池內(nèi)部形成更加均勻的溫度分布，從而減少電流分布不均，因此極柱散熱方式有助于減緩鋰離子電池在循環(huán)中的壽命衰降。