鋰離子電池會發熱，而且很難使其保持涼快。在過去的十年里，工業界對這個問題幾乎視而不見。他們的研究重點放在其他地方：要怎么樣降低成本并提高電池包中單個電池可以存儲的能量（能量密度）。這種策略提高了手機的使用壽命和性能。但是在將來的使用中，如電動汽車和智能電網，一個電池包要蘊含數千個電池。電池容易過熱的問題值得重視。

大型高能電池包的制造商非得設計復雜的系統來管理熱量。例如，電動汽車制造商特斯拉（Tesla）Model3車型的電池包所承載的能量超過了6000部iPhone11。冷卻液通過管道網絡泵送，將熱量從單個電池中帶走。但這些笨重的附加組件不僅新增了電池包重量，還會消耗它的能量[1]。開發人員在這些低效的設計上浪費了太多時間和金錢。為了使電池包既輕便又強大，非得改進其散熱策略。

為何散熱策略如此缺乏關注呢?一個原由是沒有標準的辦法來評估電池包的熱性能。單個電池的制造商不斷追求更高的能量密度。他們的產品規格表并未說明單個電池的散熱容易程度。因此，電池包的設計者無法預先了解單個電池會萌生多少熱量。他們在設計上投入時間和金錢后才發現散熱問題，但已經太晚了。

鋰離子電池行業的規模預計將在將來10年張大兩倍[2]。在熱管理方面急切要循序式改進。使用成熟的技術可以迅速實現這一目標。

第一步是讓電池行業報告常規的熱管理。為此，我們開發了一個標準化的性能度量標準[3,4]。它可以比較不同的電化學電池，可以使用電池試驗室中現成的設備進行測量。在每個電池規格表里納入這一指標將有利于競爭，進而改善單電池設計和電池包性能。

熱管理

行業領先的汽車公司正在大力投資和開發更好的電池包。去年僅寶馬一家就投入了2.3億美元，在德國慕尼黑附近開設電池研究中心（見go.nature.com/2asxytj）。每家公司都采用不同的電池設計，并探索自己的冷卻策略。

總的來說，有三種熱管理系統。

空氣冷卻。雷諾ZOE和日產LEAF這兩款汽車的電池通過空氣吹過其表面來散熱。這種辦法關于固定的能量存儲可能足夠了，比如為家庭供電的電池，但它的散熱速率很低。將來的電動汽車、長途運輸和重型越野車的電池包要求散熱更快，因為它們的性能在逐年提高。

液體冷卻。特定體積液體的散熱能力約莫是同等體積空氣的1000倍[5]。電池可以浸入流動的液體中，或液體通過包裹電池的通道間接冷卻。浸泡是最有效的，但是要昂貴的介電介質液體來降低電池包短路的風險。因此，電動汽車一般采用冷卻通道的方式。譬如，特斯拉就采用將裝有液態丙二醇的管道包裹在圓柱形電池上[6]。浸液和冷卻通道的辦法都會消耗能量，因為要冷卻液在電池周圍流動得足夠快。

相變冷卻。一些材料，如美國3M科技公司加工的Novec流體，在從固體變為液體或從液體變為氣體時能夠吸收熱量，而不會自身變熱。電池可以浸入或涂上這種材料來吸熱。很多團隊都在研究這種辦法，因為它比空氣或液體冷卻耗能更少，散熱更平均[7]。然而，這種辦法有一個基本的限制。相變材料不會傳導熱量，他們只是把它儲存起來而已。因此，所有的相變設計都要一個額外的冷卻系統來將熱量從電池包中帶走。

設計難點

設計師要為他們的使用選擇最好的冷卻辦法，并用到正確的地方。假如他們不這樣做，電池包就會非常低效，供應的有用能量減少，并且迅速退化。而選擇冷卻電池的哪一個區域是最困難的決定。

所有電池都由不同的材料層組成：電極、電解質、分離器和電流收集器。這些層可以被夾在一起，如軟包電池；也可以卷曲成“果凍卷”，如圓柱形和方形電池（見“保持涼快”）。

來源：ClaireWelsh/《自然》

電流通過集流器流入和流出電池，集流器連接到電池的正極和負極，或“凸耳”。集流器是由易傳熱的金屬制成的。但是，由于電極、電解液和分離器都是絕熱材料，電池各層之間的熱量傳遞很慢。換句話說，平行于這些層的熱傳遞比穿過它們的熱傳遞要快[1]。

電池的電化學性能對溫度敏感；在高溫下，電流的電阻要低得多。因此，為了電池的有效和穩定，每一層都應當暴露在相同的熱條件下。每一層與下一層之間的溫度梯度意味著每一層的運作略有不同。這種情況下，從電池中輸出的能量更少，因為較熱的層消耗能量的速度更快，會有一些能量留在較冷的層中。而且當每一層暴露在不同流速的電流中時，電池退化得更快[1,8]。

惟有當熱量以相同的速率從每一層中去除時，它們才可能有相同的熱條件。而表面冷卻做不到這一點，因為它會萌生溫度梯度[1]。

通過連接到每一層的凸耳進行散熱可以使整個電池平均冷卻[1,8]。不幸的是，凸耳冷卻無法使用到今朝的鋰離子電池中。凸耳通常彼此靠得太近，而且太小、太薄，無法為每一層帶走足夠的熱量。因此，通過凸耳散熱的電池依然會過熱，存在隱患。

關鍵指標

最大的問題也是最實際的：世界上還不存在能在任何地方輕易復制的電化學電池的熱性能指標，同時又不揭露電池設計或制造等商業敏感信息。

在電池行業中，沒有好的或通用的辦法來測量電池的熱性能。傳熱專家酷愛畢渥數（biotnumber），它描述了物體通過和散發熱量的能力。機械工程師更喜歡熱傳導和導熱系數的含義；它們含義了在給定的溫度梯度下，某種材料所能達到的傳熱速率。

德國大眾（Volkswagen）的員工正在組裝ID.3電動汽車的下半車身和電池。：RonnyHartman/AFP/Getty

這些辦法都不能計算電池工作時的溫度梯度，因為電化學電池的整個體積都會萌生自身熱量。假如不了解單個電池的溫度梯度，就不可能為蘊含1000個電池的電池包設計熱管理系統。

我們提出了一種稱為電池冷卻系數（cellcoolingcoefficient）的指標[3,4]，可以用來描述工作中的電池的溫度梯度，單位是瓦特每開爾文(WK-1)。一個電池采用表面冷卻或凸耳冷卻的電池冷卻系數不同，因為每種辦法都會萌生不同的溫度梯度。這個系數可以告訴設計師對電池包中選定的電池熱量進行管理的難度。

我們的冷卻系數可以在試驗室筆直測量。研究人員可以讓電池萌生電化學熱，然后使用溫度傳感器確定電池的溫度梯度。電池的熱量損失可以用熱流傳感器來測量。關于表面冷卻，即電池的一側已冷卻而另一側仍是熱的時，電池的冷卻系數可以通過用熱散失率除以熱側到冷側的溫度梯度來計算。

電池的冷卻系數越大越好。這意味著更多的熱量可以被移走，電池內部僅有一個小的溫度梯度。在我們研究的電池中，大的軟包電池表現最好，如日產LEAF的電池的冷卻系數接近5WK-1(參考文獻9)。小的圓柱形電池差一點，如特斯拉Model3中的電池，冷卻系數低于0.5WK-1（結果尚未發表）。

假如產品表現不如競爭對手，一些電池制造商可能會反對使用熱性能指標。有些反對者會說新增一個變量會使優化電池設計的協議復雜化，新增時間和成本。但我們評估過，這個指標只要額外兩個小時的探測，而通常不同類型的電池的表征探測就要花費數天。而且那些采用該指標的制造商在競爭中也更占優點。

下一步

我們呼吁研究人員和工程師對電池冷卻系數進行常規測量和報告。我們的指標應當和其他典型的電池報告指標，如能量容量和放電率，一起納入發表文獻中。

設計人員在評估電池能量密度和功率時，應同時評估其熱性能，以確定哪種電池最適合他們的電池包。他們應當在設計確定前的早期階段這樣做。計算機模擬可能有助于評估電池的潛能。了解電池冷卻系數將有助于設計師評估熱管理和能量密度之間的權衡，提高整個電池包的工作性能。

在電池行業競爭如此猛烈的情況下，能夠保持電池涼快的制造商將會有光明的將來。