作者：梁沁沁1,2 韩方源1,2 唐彬1,2 何金梅2 李建新1,2 罗宗昌1,2 喻敏1,2 蒙莹1

单位：1. 广西电力装备智能控制与运维重点实验室，广西电网有限责任公司电力科学研究院；2. 广西电网有限责任公司南宁供电局

引用本文：梁沁沁, 韩方源, 唐彬, 等. 锂/钠电池热管理系统中液冷技术研究进展[J]. 储能科学与技术, 2026, 15(1): 275-292.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0797

本文亮点：本文简要总结了液冷技术的分类并结合其工作原理讨论了液冷技术中冷却液的蓄热机理，讨论了液冷技术中冷却液的关键性能要求并系统阐述了六种冷却液的特点和应用场景，重点讨论了冷板式、浸没式和喷淋式液冷技术的最新研究进展，并对液冷技术在钠离子电池中应用和发展进行展望。

摘 要 以锂/钠离子电池为主的新型储能技术是可再生清洁能源开发利用以及实现“双碳”目标的重要支撑，但锂/钠离子电池在高集成度和高功率密度应用场景下的热安全问题值得关注。液冷技术作为增强电池热管理的重要技术成为解决电池热安全问题的关键。本文首先从锂/钠离子电池发展现状和电池热管理需求出发，简要总结了液冷技术的分类(包括冷板式液冷、浸没式液冷和喷淋式液冷)，并结合其工作原理讨论了液冷技术中冷却液的蓄热机理；重点针对液冷技术中冷却液的关键性能要求进行详细分析，并系统阐述了六种冷却液(水基冷却液、纳米流体、碳氢化合物及有机硅类、碳氟化合物类、沸腾液体和液态金属)的特点和应用场景；重点探讨了冷板式液冷、浸没式液冷和喷淋式液冷技术的最新研究进展，并对液冷技术在钠离子电池中应用和发展进行展望，旨在为学术界和产业界提供参考。

关键词 电池热管理；液冷；冷却液；传热

全球能源供需与环境可持续性发展需求之间的矛盾亟需系统性解决方案。在新型储能技术中，电化学储能因其配置灵活性、系统响应速度快和节能环保等特性，在可再生能源并网、智能电网调频以及电动交通领域展现出独特的优势。锂离子电池(LIB)虽因其高能量密度在消费电子及新能源汽车领域获得产业化的巨大成功，但受限于锂资源分布不均和价格波动等因素，在其规模化储能特别是偏远地区风光储一体化应用中面临着挑战。基于钠元素资源丰度高、原料成本低和本征安全特性等优势开发了钠离子电池(SIB)，其“摇椅式”工作原理与锂离子电池具有技术同源性。理论计算表明采用硬碳负极匹配层状氧化物正极材料的钠离子电池可实现140 Wh/kg以上的能量密度，且在-40℃低温下具有80%的容量保持率。因此，钠离子电池在分布式储能及特定工况下电动载具等领域具有应用潜力，目前正逐渐从实验室走向产业化应用，而且在成本敏感的市场上具有明显的竞争优势(图1)。


图1   LIB和SIB发展历史

锂/钠离子电池在使用过程中都存在安全性问题，尽管钠离子电池具有较高的本征热稳定性(热失控触发温度较锂离子电池提升50~80℃)，但其在充放电过程中产生的大量热量会导致电池温度升高，高温加速电池内部化学反应进而影响电池的性能和寿命，电解液大量分解和隔膜收缩破裂等会引发电池热失控，造成起火、爆炸等严重安全事故。据不完全统计，2017—2024年全球累计发生电化学储能电站安全事故约89起，而储能电站的火灾事故通常是单个电池发生热失控，瞬间释放大量热量继而蔓延至邻近电池造成系统连锁反应，引发大面积电池组热失控造成严重的火灾或爆炸事故。因此，有效的热管理技术对于锂/钠离子电池的性能释放和安全运行至关重要。其中，液冷技术以其高效的散热性能和优异的温度均匀性成为目前电池热管理技术的研究热点。

冷却液是液冷技术的关键组成，其性能直接影响液冷系统的散热效果和安全性能。本综述探讨了液冷技术的分类和工作原理，并分析了液冷技术中冷却液的蓄热机理、基本特性及其在各类液冷技术中的应用，重点讨论了冷板式、浸没式和喷淋式液冷技术的近期研究进展，最后对液冷技术的发展进行展望，期望为液冷电池冷却液的研发和技术应用提供参考，推动锂/钠离子电池在储能领域的进一步发展和应用。

1 液冷技术简介

风冷技术是最早使用的电池热管理技术，基于自然对流和强制对流换热原理利用空气流动实现散热，具有结构简单、低成本等优势。但空气的导热系数较低，导致电池温度受到空气流道等因素的影响大且电池组温度均匀性差，一般应用于低产热场景的电池组。液体具有比空气更高的比热容和更优异的导热性，以液体作为冷却介质的液冷技术具有更好的散热效率和温度均一性，可以实现高产热场景下的电池组热管理，在近些年受到广泛关注。

1.1液冷技术种类及工作原理

液冷技术主要包括冷板式、浸没式和喷淋式三类，相应的液冷系统结构示意图如图2。冷板式液冷技术[图2(a)]属于间接冷却技术(电池-液冷板-冷却液)，采用内部集成流道的液冷板与电池表面接触，常用乙二醇和水混合溶液作为冷却液在液冷板流道内循环流动带走电池产生的热量。冷板式液冷技术具有结构简单、安全性高、维护简单以及适配现有的电池组设计等优势，但存在空间占用大和接触热阻大导致的温度均匀性差等问题。浸没式液冷技术[图2(b)]属于直接冷却技术，通过将电池组直接浸没在绝缘冷却液中，冷却液与电池直接进行热交换快速将电池产热带走。浸没式液冷技术的优势是散热效率高和温度均匀性好，缺点是高性能冷却液的价格昂贵且存在冷却液泄漏风险。喷淋式液冷技术[图2(c)]在直接和间接冷却中均可以应用，常在电池模组上方或侧面布置喷头，冷却液直接喷淋在产热的电池组上实现电池散热，随后经导流板收集回流实现循环。喷淋式液冷相对冷板式和浸没式液冷技术的优势是用液量较少和灵活性高，但系统紧凑性困难、液体管理和对喷头的要求较高。


图2   (a) 冷板式；(b) 浸没式和 (c) 喷淋式液冷系统结构示意图

1.2液冷技术冷却液换热机理

材料吸收热量时会使自身温度升高或发生相转变，如[图3(a)]所示：固态材料吸收热量温度升高(OA段)；到达熔点时发生固-液相变(AB段)；完全转变为液态后温度继续升高(BC段)；到达沸点时发生液-气相变(CD段)；完全转变为气态后温度继续升高(DE段)。相应的热量在存储过程中存在两种形式：显热存储(OA段、BC段和DE段)和潜热存储(AB段和CD段)，且潜热储存量远高于显热储存。固-液相变由于相变潜热大、相变前后体积变化小、过冷度低、化学性质稳定和成本低廉等优点常用作相变材料冷却系统，也是锂/钠离子电池常见的热管理系统之一。依靠材料的吸热特性，液冷技术主要通过BC段和CD段液体作为冷却液，吸收热量实现电池组温度的降低。根据冷却液在散热过程中是否发生液-气相变，浸没式液冷技术可分为单相浸没式液冷和两相浸没式液冷，这两种系统在工作原理和应用场景等方面存在一定的差异，表1中直观地对比了两种浸没式液冷技术。


图3   (a) 材料加热过程中的温度-时间关系；(b) 单相和 (c) 两相浸没式液冷结构示意图

表1   两种浸没式液冷技术对比

单相浸没式液冷系统的工作原理是基于液体介质的显热传递[图3(a)BC段，图3(b)]，浸没在高沸点冷却液中电池产热时冷却液温度升高，利用强制对流将局部温度升高的冷却液输运到换热器中降温后循环到电池周围，重复该过程可以实现电池组温度的降低。单相浸没式液冷技术具有以下特点。①热力学稳定。冷却介质全程维持液态，避免相变引发的压力和流动不稳定等影响。②介质适配性好。可根据工况需求选择不同黏度和介电强度的冷却液。③能效优化潜力高。在低产热或低温环境中利用温差实现零功耗散热，提升系统能效比。然而，该技术存在明显的局限性，显热传递主导的散热效率低于两相冷却液，在高温工况需提升流量以满足散热需求，增加循环泵的功损耗占比。

两相浸没式液冷技术的工作原理基于液体的相变潜热[图3(a)CD段，图3(c)]，电池浸没在低沸点的绝缘冷却液中，冷却液吸收热量到达沸点时发生液-气转变，在此过程中冷却液吸收大量相变潜热快速将电池产热带走实现高效散热。气态冷却液经冷凝管冷却重新凝结成液体回流至电池周围完成循环。两相浸没式液冷技术具有以下优势。①传热效率更高。两相冷却液的对流换热系数是单相冷却液的2倍以上。②温度均一性好。相变过程中温度稳定，电池温度均一性更好。③低温适应性好。两相冷却液的沸点更低，相应的热管理系统能够在较低的温度范围内运行，有利于提高电池的性能和使用寿命。然而，两相浸没式液冷技术也面临一些挑战，如冷却液的相变过程对系统的密闭性要求高，冷却液泄漏和挥发存在安全隐患；液冷系统的设计和控制相对复杂，对冷却液的流量、温度和压力等参数需要精确控制以保证系统的稳定运行；氟化液等低沸点冷却液的成本较高难以在储能系统中规模使用。

2 液冷技术冷却液的关键性能

液冷技术的散热效果、系统可靠性和经济性高度依赖冷却液的物理化学性质。冷却液不仅需要在热力学、电化学及材料兼容性等方面满足严苛要求，同时还需要兼顾环保性和经济性。近些年，随着高能量密度电池在储能领域的推广，冷却液体系优化与新型流体的开发成为液冷技术研究的热点。

2.1热性能要求

冷却液的热性能是影响电池散热效率的关键，主要参数包括比热容、导热系数和运动黏度等，这些参数相互关联，共同决定冷却液在电池热管理系统中的散热效果，具体的热性能要求如下。①高比热容。比热容直接影响单位质量冷却液升高单位温度吸收的热量，高比热容冷却液在吸收相同热量时自身温度升高幅度较小，能够更有效地带走电池产生的热量，有利于电池在高倍率充放电维持温度稳定。水基冷却液的比热容约为4.2 kJ/(kg K)，远高于油基液体。②高导热系数。导热系数是衡量冷却液导热能力的物理量，反映热量在冷却液中的传递效率。导热系数越高越有利于热量的快速传递，是实现电池温度均一性的关键指标。水的导热系数约0.6 W/(m·K)，优于大多数油类。③宽工作温度范围。冷却液的熔点和沸点直接影响液冷技术的使用范围，低熔点可以防止冷却液在低温下凝固而无法使用；高沸点能避免冷却液在高温下沸腾，如乙二醇水溶液沸点可达105~130℃，满足高产热场景的散热需求。④低运动黏度。运动黏度对冷却液的流动性和散热效果具有重要影响。低黏度冷却液在流动时阻力小，更容易降低循环泵能耗和实现热量的快速传输；而高黏度冷却液流动困难，容易在局部形成高温区，无法发挥冷却液的散热作用，导致最高温度较高和电池温差较大。

2.2化学稳定性和材料相容性

冷却液化学性质稳定和与材料的兼容性是冷却液的基本特性。稳定的冷却液要避免因分解、氧化或与其他物质发生反应而产生杂质、腐蚀性物质以及出现性能下降，确保系统长期稳定运行。冷却液的稳定性与本身成分密切相关，如氟化液的化学键强，化学稳定性明显高于碳氢类冷却液。此外，冷却液在高温、高压以及高湿度等环境下容易发生化学变化。基于电池热管理系统的结构和冷却液使用场景，冷却液不仅需要对金属(铜、铝、钢等)、橡胶密封件、塑料管道等无化学侵蚀性，还需要耐高温氧化、紫外线降解，避免产生酸性物质或沉淀。

2.3安全性和环保性

冷却液需具备无毒无害、不易燃和可降解等特性。冷却液在生产、使用和废弃处理等过程中需尽量减少冷却液对环境的负面影响，如碳氟化合物冷却液的挥发性和毒性对生态环境及人体健康有不利影响，一些含重金属的冷却液泄漏对水体和土壤造成破坏，不适合用于电池管理系统中的冷却液。不易燃和高闪点能降低火灾风险，如氟化液的闪点高于200℃，而矿物油的闪点约150℃，使用时需注意高温使用场景的安全性。冷却液的可降解性是衡量冷却液环境友好性的核心指标。在冷却系统意外泄漏时，可快速生物降解的冷却液能大大减轻对土壤和水体的污染负担；冷却液在寿命结束时可以简化废弃处理流程，降低成本。

2.4电绝缘性

电绝缘性是浸没式液冷技术的一项关键性能指标，对于确保电池正常工作和系统安全运行具有重要的作用。电绝缘性主要通过电阻率和介电常数来衡量，材料的电阻率越高则电绝缘性越好，而介电常数则需要在合适的范围内。电池在充放电过程中存在电压差，冷却液直接与电气部件接触，冷却液的电绝缘性不佳会导致电池自放电和短路等严重问题，引发火灾、爆炸等安全事故。为了确保冷却液的绝缘性能，在冷却液的研发和生产过程中，需要严格控制原材料的纯度和杂质含量，金属离子和水分等会显著降低冷却液的电绝缘性能。

2.5其他实用要求

除了以上特性，冷却液在实际应用中还必须满足一系列关键的实用性要求，如易维护性、长寿命、消泡性好、成本低和易获取等，这些要求共同决定了其市场接受度和全生命周期。易维护性意味着冷却系统无需频繁、复杂的维护操作，降低系统维护成本；长寿命是降低冷却液成本的关键指标，延长冷却液更换周期；气泡的产生会影响冷却液循环和热传递效率，可通过添加消泡剂抑制泡沫产生或快速消除；合理的成本和易于获取是推动冷却液规模应用的基石，利于建立稳定的供应链和具备市场竞争力。

3 冷却液的种类及特点

3.1水基冷却液

去离子水具有较高的比热容[约4.2 kJ/(kg·K)]和导热系数[约0.6 W/(m·K)]，且成本较低。电池热管理系统中冷却液常以去离子水为基液，然后添加防冻剂(如乙二醇、丙二醇)、缓蚀剂、表面活性剂等添加剂。添加乙二醇或丙二醇可有效降低冷却液的冰点，使其适用于低温环境，但冷却液的热导率随着醇类冷却液的比例增加而降低。水基冷却液常作为间接接触式液冷热管理系统，电池和冷却液间增加液冷板等冷却部件将电池产生的热量吸收并通过水基冷却液流动将热量带走，在目前的商用电动汽车和储能领域广泛使用。此外，当电池表面经过特殊的表面处理后，水也可以作为浸没式液冷技术的冷却液。Zhou等采用表面绝缘涂层并设计了对称的冷却液蛇形通道，结果表明，10 μm厚的聚氨酯涂层提供了出色的电气保护且吸水率仅为0.07%。锂离子电池在快速充放电循环测试下电池最高温度保持在低于35℃，最大温差在4℃以内。Li等将硅酮密封胶(SS)和高导热、低电导氮化硼(BN)结合作为水冷却液和18650锂电池之间的隔离层，并对比了自然空气冷却[图4(a)]、纯SS冷却[图4(b)]和SS/BN(质量分数10%)混合冷却[图4(c)]3种散热模式。SS/BN复合材料的导热系数明显增加，有效地将热量传递给周围环境，降低电池温度。此外，实验表明浸没式SS/BN系统可以显著降低电池模块的最高温度，并在不同的放电速率下平衡模块中的温度。在3 C放电过程中，三种浸没式SS模块的最高温度低于35℃。此外，浸入式SS/BN模块的温度差可保持在0.5℃之内。Sourirajan等选择6种冷却液(包括乙二醇、丙二醇、甘油、乙醇、水、水/乙二醇)研究流速对电池热管理效果的影响，结果表明冷却液在1 m/s流速下效果最好。其中乙醇和丙二醇在5318 W/m3的产热速率下效果最好，其他冷却液在19452 W/m3的产热速率下效果最好。研究还发现液冷系统中使用低速流体可以通过提高传热效率、确保结构完整性、延长热交换持续时间、增强温度均匀性和降低能耗来增强热管理。这些因素共同助力锂离子电池在一系列应用中更安全、更有效。


图4   电池的不同散热模式：(a)空气冷却模式；(b)纯SS冷却模式和(c) SS/BN冷却模式

3.2纳米流体

纳米流体是指金属或非金属纳米粉分散到水、醇和油等传统换热介质中，制备成均匀、稳定和高导热的新型换热介质。在电池热管理领域，Cu、Al、CuO、Al2O3、TiO2、SiO2、CNTs等纳米颗粒常添加到水和醇混合溶液中，以提高冷却液的导热系数。Zakaria等研究了在乙二醇和水混合溶液中添加Al2O3对其热导率的影响。结果表明乙二醇和水混合溶液的热导率会随着乙二醇含量的增加而降低[图5(a)]；然而，对于特定的乙二醇和水混合溶液(50∶50，体积比)，当Al2O3纳米颗粒的体积分数分别为0.1%、0.3%和0.5%时，热导率分别提升约2%、4.2%和7.5%。Das研究了普通纳米流体和混合纳米流体的热导率，发现混合纳米流体热导率是纳米颗粒体积分数的增函数。即当Al2O3、TiO2和SiO2的添加量(φ)在0~6%之间时，混合纳米流体的热导率提升量可以用1+3φ来近似表示[图5(b)]。Kumar等人开发了电池热管理系统(BTMS)的三维计算流体动力学(CFD)模型，该模型包含2×2排列的圆柱形锂离子电池。该BTMS的CFD使用空气、水、Al2O3-水纳米流体和HFE7100四种冷却介质进行模拟。设置所有冷却剂的入口温度为298K，风冷、水冷、纳米流体和HFE7100电池组在5 C放电速率下最高温度分别为341.61、300.91、300.29和309.13K[图5(c)]，表明水和Al2O3-水纳米流体是高倍率运行时BTMS的最佳冷却剂，而空气冷却会导致电池组热失控。

图5   (a) 乙二醇/水混合溶液的热导率变化；(b) 混合纳米流体的热导率线性关系；(c) 不同冷却介质的温度变化

3.3碳氢化合物及有机硅类

碳氢化合物类冷却液在工业领域具有广泛的应用历史，在浸没式液冷钠离子电池系统中也备受关注，主要包括天然矿物油、合成油和有机硅油三类。天然矿物油来自石油中蒸馏提取并经过深度氢化处理，具有成本低的优势，广泛应用于室外变压器冷却。但天然矿物油存在一些明显的缺点，如使用过程中烃类分子氧化分解导致冷却液酸性增强而产生污染物，影响冷却液热导率和流动性，降低电池热管理系统的使用寿命。合成油是在烷烃类或酯类化合物的基础上人工合成的，主要有聚烯烃、天然气合成油和合成酯等。与天然矿物油相比，合成油的杂质含量低，抗氧化性、导热性和与材料的兼容性更好，但同样存在闪点低的问题，在较高温度下使用存在起火爆炸等安全风险。有机硅油因结构中含有硅氧键而具有较高的闪点，在电池热管理系统中应用具有明显的优势。但有机硅油的闪点与黏度正相关，高闪点的有机硅油黏度较高，导致有机硅油流动性较差，影响相应热管理系统的散热性能。此外，有机硅油在潮湿环境中容易发生水解和沉淀等问题，增加冷却液黏度而导致散热效果下降。Liu等综述了基于单相绝缘油的油浸式电池热管理系统的研究进展。介绍了绝缘油的发展历程并对它们的基本冷却性能进行了比较分析。然后从浸没程度、流道配置、热性能参数等方面分析了多种因素对油浸式电池冷却系统有效性的影响。最后，讨论了使用绝缘油作为锂电池浸没式冷却介质的挑战，并概述了未来潜在的研究方向。

3.4碳氟化合物类

碳氟化合物与碳氢化合物相比引入了大量氟原子，分子间作用力相对较弱，具有更高的导热系数和较低的黏度。高导热系数能够更快传输热量而提高散热效率，低黏度有利于冷却液流动，减少泵输送功率的同时实现冷却液快速传输而提高热交换效率。强电负性的氟原子引入使碳氟键能增强，分子结构更加稳定，具有无闪点和不可燃的特性。同时碳氟化合物具有化学惰性，不易与其他物质发生反应，因而与其他材料具有良好的兼容性。根据碳氟化合物的组成和结构不同，可将其分为氯氟烃(CFC)、氢氯氟烃(HCFC)、氢氟烃(HFC)、全氟碳化合物(PFC)和氢氟醚(HFE)等。CFC和HCFC对大气环境特别是臭氧层有破坏作用，被《蒙特利尔议定书》中认定为禁止使用的冷却剂。HFC是家用冰箱和空调中广泛使用的制冷剂，尽管没有臭氧层破坏作用，但会加剧温室效应，在浸没式液冷技术中使用也受到一定限制。PFC包含全氟烷烃、全氟胺和全氟聚醚等类型，在沸点和介电常数方面的特性较为适合半导体设备冷却场景，但由于温室效应而被限制推广。HFE是具有应用前景的浸没式液冷冷却液，对臭氧层无破坏作用、温室效应较小、具有较高的介电常数，其已广泛用于数据中心领域，随着碳氟化合物类冷却液的价格的降低，将会逐渐应用到电动汽车和电池储能等领域。

3.5沸腾液体

沸腾液体利用在沸腾过程中吸收大量汽化热来实现电池的高效冷却，常见的沸腾液体主要有含氯氟烃、全氟碳和氢氟醚等。与传统冷却方式相比，沸腾液体冷却具有明显的优势。Wang等提出一种新型的SF33流体冷却(两相)浸没式液冷系统并通过18650电池的冷却性能评估热管理对电池组性能的影响。结果表明电池的有效热均匀化和冷却可以通过与沸腾介质的热交换来实现[图6(c)]。在电池产热的初始阶段，冷却剂的温度低于其沸点，此时为显热吸收。随着电池温度略高于沸点，周围流体通过自然对流吸收显热[图6(a)]。当电池温度继续升高时，冷却液达到部分沸腾，最终稳定在全核沸腾阶段[图6(b)]。Li等进一步研究了SF33流体在4680电池组中的冷却效果，讨论了影响池冷却传热的影响因素，包括电池表面结构、腔内压力、冷却剂特性等。研究表明，两相浸没式液体冷却系统的使用能够在整个交替充电/放电过程中始终将电池温度保持在33~35℃。Tang等为商用圆柱形锂离子电池组提出了一种采用两相冷却液(R141b)的新型间接沸腾冷却电池热管理系统。采用导热块扩大电池与直圆管之间的传热面积，R141b冷却液在管内流动沸腾，带走电池产生的热量。建立三维仿真模型，研究部分结构参数(导热块高度、圆管数量和直径)、流型布局、冷却液流量和电池放电速率对电池热管理系统的冷却性能的影响。结果表明，错流布局显著提高了电池的温度均匀性，最大温差较并流减小了30%。同时，适当的几何参数可以进一步提高BTMS的冷却能力和电池的温度均匀性。


图6   (a) 沸腾曲线；(b) 4 C放电时的温度演变过程以及 (c) 沸腾传热行为的示意图

3.6液态金属

液态金属泛指熔点在室温附近的金属或合金材料，具有优异的导电、导热特性且集金属和流体特性于一体，典型的液态金属包括稼基合金、铋基合金和锡基合金等。Muhammad等人对承受恒定热通量的微通道散热器中的单相流和共轭传热进行了3D数值模拟。使用不同的镓合金(EGaInSn、EGaIn、GaSn和GaIn)和各种衬底材料(铜合金、铝、钨和硅)对温度分布、泵功率、压降、最大热通量等的影响对一系列雷诺数(300~1900)的热阻进行了全面研究。在所有考虑的冷却剂中，发现EGaIn最有效地降低了流动阻力。衬底材料的电导率显著影响微通道的热阻，较高的电导率导致较低的热阻。此外，与其他镓合金相比，具有更高热导率和比热的GaIn合金具有更好的热性能。Yang等提出了一种新型液态金属冷却剂，可用于电池组的热管理。通过数学分析和数值模拟评估液态金属冷却系统的冷却能力、泵功耗和模块温度均匀性，并与水冷进行比较。结果表明，在相同流量条件下，液态金属冷却系统可以获得更低、更均匀的模块温度，所需的泵功耗更少。

综上所述，表2中总结了这六类冷却液的特点及代表性物质。水/乙二醇体系具有成本低、易制备、热传导性好、比热容大和不易燃易爆等优势，但由于电绝缘性差和易变质等特性常作为间接式液冷系统的冷却剂；油类的成本低、闪点高、耐湿性强、电绝缘性好、耐热性好、低凝固点、低毒性且抗腐蚀，黏度和密度较大，可作为直接式和浸没式液冷的冷却液；纳米流体和液态金属的导热性好、热稳定高、可调性强且环保，但制备成本高，在电池热管理技术中应用较少；沸腾液体具有自调节性、高效节能和高传热系数等优势，常用作浸没式液冷的冷却液。

表2   六种冷却液的特点及典型代表

4 液冷技术近期研究进展

4.1冷板式液冷

冷板式液冷是目前研究最多和使用最广泛的电池热管理系统，近期的研究主要集中在锂离子电池组冷板式液冷热管理系统的多种创新设计与优化策略，这些策略主要围绕提升冷却效率、确保温度均匀性和增强热管理系统的安全性等。主要包括优化冷却液特性、创新结构流道设计、改进热管理系统和优化系统层面的流量分配等。Jindal等基于有限元模型设计了一种三元锂电池组并使用乙二醇(50%)和水(50%)混合溶液中添加体积分数为0.001%和0.005%的石墨烯纳米颗粒(GNPs)的冷却液进行模拟，模拟了电池组的单层、双层和三层系统设计以优化流动冷却液与电池的散热效果和表面接触。与乙二醇/水混合冷却液相比，添加0.001%和0.005%GNP的冷却液使电池组温差分别降低12%~24%和24%~29%，液冷系统冷却能力的提高得益于GNP高热导率和大表面积等特性。Li等为提高电动振动锂离子电池的安全性和延长循环寿命，开发并评估了两种类型的电池组的液冷结构(单进单出和双进双出)。液冷结构的热性能通过整个电池组的最高温度、单体之间的最大温差和单体温度的标准偏差(SD)系数三个指标来评价。结果表明，单进单出液冷结构的最大温差和SD系数分别为7.43℃和6.49%，不符合指标。在双进双出液冷结构中，最高温度随着冷却剂入口温度的增加而线性增加。当冷却液入口温度低于33.9℃、冷却液流速大于350 g/s时，可以达到电池包的热性能评价指标(图7)。此外，电动震源现场试验表明，双进双出结构完全可以达到冷却要求。

图7   不同入口流量下电池组的温度分布: (a) 250 g/s；(b) 300 g/s；(c) 350 g/s；(d) 500 g/s；(e) 700 g/s；(f) 950 g/s

Liu等受枫叶叶脉和流线型启发设计了一种新型仿生液冷板[图8(a)]，为了评估叶形通道的冷却性能，使用经过实验验证的电池模型模拟了锂离子电池在充电和放电过程中的热行为。将叶形通道的冷却性能与直线、鱼骨和蛇形通道进行比较，发现在相同的热交换区域和边界条件下，叶形通道在热管理和能源效率方面优于同类产品，并更有效地优化了电池极耳的影响。充电时，叶形通道的平均电池温度比直线和鱼骨通道分别降低0.4℃和0.14℃。进一步优化叶形通道使电池组温差和能耗分别降低了11%和13%，增强液冷系统的制造和应用的实用性。Yang等受人体血管结构启发设计了一种新型仿生血管流道液冷板。通过与传统的V形和蛇形对比，验证了新颖设计在散热性能方面具有显著优势[图8(b)]。Yang等设计了一种新型蛇形液冷板(NSCP)结构[图8(c)]以提高液冷板的冷却性能。利用数值模拟研究了电池组在2 C放电速率下乙二醇(50%)溶液冷却液质量流速、入口温度、流向和流道数对液冷板性能的影响，NSCP的冷却性能优于传统蛇形液冷板(SCP)。Han等提出了一种基于冷板-阻燃板-冷板(CFCP)的电池间接冷却系统，该系统结合了液冷板的良好冷却性能和阻燃材料的防火性能，抑制电池热失控的传播。研究了三种典型冷却流道结构和三种典型的阻燃材料(玻璃棉、气凝胶和聚酰亚胺泡沫)的使用效果。结果表明，基于CFCP的冷却系统可以实现更好的冷却性能，当流速为0.05 m/s时可以有效抑制热失控池向邻近池的传热；基于气凝胶的冷却系统和具有5个垂直通道结构的冷板可以达到最佳冷却效果。刘帆等提出了一种耦合歧管式进出液结构、分布式射流和微针翅的新型歧管式微通道散热器实现了高效散热。Qi等设计了一种瑞士卷式电池热管理系统并研究了系统结构参数、冷却液入口流量、冷却液类型和入口温度对电池散热性能的影响。结果表明，冷却液入口流量是电池模块散热性能的主要控制因素，优化后瑞士卷式电池模组的最高温度和温差分别为300.4K和3.3K，与其他研究人员优化的蛇形流道BTMS相比，瑞士卷电池模块的最高温度和温差分别降低了1.2K和0.2K。Xian等提出调控不同的孔板尺寸来改变三级管道中的压降和改变二级管道支路来设计不同的流支，这两种方法使单个电池簇的流场分布均匀，从而将误差控制在10%以内。改变二次管路的管径可以使从一次管路分流到各次级管路的流量均匀，实现液冷系统中每个电池组入口处流量的均匀分布。

图8   (a) 叶形通道结构的BTMS；(b) 具有不同流道结构的电池模块的温度和流道压力图；(c) NSCP和SCP液冷板流道示意图

4.2浸没式液冷

浸没式液冷是现今最具应用前景的电池热管理技术，多项研究通过对比和仿真一致证明，浸没式液冷在降温效果和稳定均匀性方面显著优于传统的空气冷却。Tian等对比研究了空气冷却、HFE7100静流浸没式冷却(SFIC)、强制流浸没式冷却(FFIC)和浸入耦合直接冷却(ICDC)的性能。结果表明，与自然对流条件相比，SFIC、FFIC和ICDC的最高温度分别降低了4.23%、5.70%和13.29%[图9(a)]。FFIC模式对冷却液的流动参数具有最高的敏感性，调控冷却液的流速可以提高冷却液热导率和比热容，降低电池模块的最高温度。Koster等对比研究了空气冷却和新型浸没式冷却系统对18650电池组的冷却性能影响。发现浸没冷却电池组中最大温差为1.5℃，远低于风冷(15℃)，在600次循环后浸没式液冷电池组的容量保持率提高了3.3%。Wu等建立了60节浸没式液冷电池组的三维模型，仿真结果表明在2 C放电倍率下采用0.2 L/min的低流量下电池组最高温度为34.22℃，内部没有出现局部异常过热现象，随着冷却液流量的增加，电池组内的温度均匀性得到明显改善，建议保持流量高于0.5 L/min以确保电池温差低于5℃。Li等提出并测试了一种基于FS49的新型BTMS用于在快速充电条件下圆柱形锂离子电池的液冷模块。比较了强制风冷(FAC)和液体浸没式冷却(LIC)下电池模块在2 C和3 C倍率充电下的温度响应。结果表明LIC模块比FAC在2 C和3 C倍率充电时的峰值温度分别降低7.7℃和19.6℃[图9(b)]，而LIC相应的冷却能量和消耗量仅为FAC的14.41%和40.37%，同时LIC下电池组具有更好的温度均匀性。Gao等提出了一种基于共形映射技术和仿生学原理设计的带有鱼形孔导流结构的浸没式液冷电池冷却系统[LIBCS，图9(c)]。与不使用导流器的情况相比，3 C放电倍率的锂离子电池使用普通导流器的LIBCS在质量流量为0.00273 kg/s时，电池最高温度降低了5.3%，但泵功耗增加了81.4%，而使用带有圆形孔和鱼形孔的导流件可将最高LIB温度分别降低9.2%和12.2%，同时将最大温差保持在5℃以内。此外，在相同工况下采用鱼形孔导流器的LIBCS与普通导流器和圆孔导流器相比，泵功耗分别降低了42.1%和11.8%，在质量流量为0.00273 kg/s时，使用鱼形孔导流器的LIBCS综合性能因子比不使用导流器、普通导流器和带有圆孔的导流件的情况分别提高了24%、39.3%和7.3%，在实际工程中具有更大的应用价值。上述研究揭示了浸没式液冷技术的性能优化方向：一方面，提高冷却液流速能有效提升散热能力并改善温度均匀性；另一方面，在流道结构上进行创新设计是提升能效的关键。

图9   (a) 四种模式的截面温度分布云图；(b) FAC和LIC模块在2 C和3 C的温度；(c) 鱼形洞结构

4.3喷淋式液冷

喷淋式液冷技术因其高效散热和抑制热失控的独特优势成为电池热管理研究的一个重要方向，该技术的研究主要集中在两个方面。一是对系统进行优化设计以实现常规散热，包括通过喷嘴结构、布置方式、喷嘴参数和冷却液性质来提升流程均匀性和冷却效率，从而显著降低电池组的最高温度和温差。二是卓越的热安全防护能力，多项研究证实其能有效切断电池热失控的传播路径。Chen等总结了喷淋式液冷系统的典型喷嘴布置、系统配置和更高效的系统设计等研究进展，提出未来的喷淋式液冷技术发展方向是通过喷嘴结构设计和布置方式实现均匀的流量分布，同时必须研究合理的排水方案，避免液体积聚和方向限制。Shi等介绍了一种单相喷雾技术以优化电池热管理系统中流场并增强热特性[图10(a)]。使用计算流体动力学仿真分析了介电流体类型、喷嘴直径、喷雾角度和喷嘴位置等关键因素。指出导热系数和黏度是冷却液的关键指标(Novec7500效果较好)，并确定了喷淋式液冷的最佳条件：喷嘴直径和喷淋角度分别为0.47 mm和88.16°，该条件下电池组的最高温度和温差分别为25.43℃和3.41℃。此外，该系统将36个电芯模块的最高温度和温差分别降低了27.28%和69.39%。Dhuchakallaya等将非导电液体氢氟醚(HFE)和强制空气流动相结合[图10(b)]，利用计算流体力学软件(ANSYS Fluent)建立了圆柱形锂离子电池模块的三维瞬态传热模型研究液体喷射速率和喷射器布置对电池模块冷却性能的影响。研究结果表明，与传统的空气冷却相比，该技术有效降低了电池模块内的最高温度和温差。优化后的系统需要将喷嘴放置在电池模块的第1排和第2排之间并保持20 g/s的流量，使电池组最高温度和温差分别降低约6℃和4℃。Liu等使用R410A冷却液研究喷淋式液冷对电池组内传播过热的抑制效果，并通过增加喷嘴数量和提前喷淋等方式有效降低了过热电池的平均温度，抑制了过热分解反应。同时，喷淋式液冷有效抑制电池组内过热电池的热传播，防止和延缓电池组热失控的发生。Qin等研究了4×4排列的18650圆柱电池组喷淋式液冷技术(C6F12O冷却液)的散热效果。结果表明对于6 cm喷雾高度和2.05 g/s流速的条件下液膜带走的热量约占总散热量的30%，而直接喷淋冷却约占70%，有效切断了电池热失控的传播。Huang等研究了电池热失控传播特性并在热失控传播的各个阶段应用了不同冷却时间的应急喷雾技术。结果表明连续喷雾有效降低电池最高温度并延迟热失控在多个电池之间的扩散。Jia等探讨了一种喷淋式液冷控制三元锂电池热失控的创新方法，系统研究了两种冷却液(R134a、R227ea)和三种不同喷射模式对紧急冷却效率的影响。结果表明冷却介质喷雾显著降低了热失控电芯的温度，对相邻电池具有明显的热抑制作用，且间隔较短的间歇喷洒的冷却性能优于连续喷洒。当R134a冷却液的入口温度为0℃并采用间歇喷涂时，电池温度以相对较快的速度下降。Liu等提出了一种针对锂离子三元电池过热阶段的冷却液紧急喷淋冷却方法以防止热失控。通过建立锂离子电池过热行为和紧急喷淋冷却的耦合计算模型，分别对四个电池过热阶段的喷雾冷却效果进行了研究[图10(c)]。研究结果表明，在固体电解质界面(SEI)分解阶段，施加0.8 MPa的最小喷雾压力即可防止电池过热分解反应；在负极-溶剂反应阶段，最大喷射压力为2.4 MPa、喷射持续时间增加到5.4 s，可以中断过热分解反应；在正极-溶剂反应阶段，将喷嘴数量从两个增加到四个，可以成功阻止反应继续进行；在电解质分解反应阶段，制冷剂喷雾冷却虽然不能阻止反应，但可以减缓电池的升温速度和热失控时间，使电池达到160、200、240℃的时间分别延迟10.4、14.3、18.7 s。

图10   (a) 喷淋浸没式液冷示意图；(b) HFE液滴在电池模块中的运动轨迹和分散情况；(c) 模拟电池过热阶段的温度变化

随着钠离子电池技术的快速发展及其在储能和电动汽车领域应用潜力的凸显，其热管理需求也日益受到关注。因此钠离子电池的液冷技术也受到学者的广泛关注。目前，该领域的研究已从基础散热向精准化、系统化和混合化发展。①产热特性研究与精准控温。彭宇翔等采用实验和数值仿真相结合的方法，研究了单体210 Ah(172 mm×71.6 mm×202 mm)组成的1并52串(1P52S)电池组产热特性及内置液冷流道的冷板式液冷。结果表明电池产热功率呈现显著的阶段性变化特征，基于相关实验数据建立了分阶段流量控制策略，并通过实验测试、建模分析和多工况仿真证实了该策略的有效性。闻有为等针对170 Ah和185 Ah两种方形电池在不同放电倍率下的电化学性能表现和产热行为进行研究，并建立了钠离子电池系统液冷仿真模型。②混合式电池热管理系统研究。王培志通过优化电气架构提高了钠离子电池储能系统的性能，在电池热管理方面采用冷板式液冷(乙醇-水混合介质)结合相变材料(十八烷)的混合散热方案。Zhang等采用实验测试和建模方法探讨内阻、比热容和热导率对电池发热的影响，并开发了一种铝板结合液冷板的液冷管理系统，铝板的引入和液体流速的优化有效地将电池组最高温度降低了17℃。这些工作为未来开发高效、节能、可靠的钠离子电池热管理系统奠定了坚实的基础。

5 展望

锂/钠离子电池作为新型储能技术的核心，其热安全问题在高集成度、高功率密度场景中尤为关键，液冷技术凭借高效散热能力和优异的温度均匀性，成为解决电池热管理难题的核心方案。冷板式结构简单、适配性强，但存在接触热阻问题；浸没式散热效率高、温度均匀性好，却受限于冷却液成本和系统密封性；喷淋式灵活性高，但需优化喷嘴设计与液流分布。此外，冷却液作为液冷技术的核心，其性能直接决定系统能效，其未来发展将围绕新型冷却液研发和多技术融合。在高性能冷却液体系开发方面，如通过分子结构设计开发高性能冷却液，提高热导率的同时降低运动黏度；优化冷却液配方，添加导热添加剂和稳定剂，避免导热材料在冷却液中聚集和沉积；加快环保型冷却液研发进度，提高冷却液的生物降解率和环境友好性。在多种冷却技术融合方面，液冷与风冷、相变材料冷却、热管冷却等混合冷却系统组合设计和开发具有重要价值，通过分级热管理策略可降低能耗、降低热阻和提高散热效率等。

液冷技术在锂离子电池中的成熟经验为其向钠离子电池的迁移提供了重要参考，未来发展需围绕钠离子电池的特性进行针对性创新，重点聚焦在以下方向。

（1）结合钠离子电池的电极体系、电芯结构和充放电特性等方面开发适配的钠离子电池液冷技术。

（2）匹配钠离子电池的低成本核心优势，开发低成本、易获取的冷却液，如优化水基冷却液的绝缘性、改性碳氢化合物类冷却液的抗氧化性与流动性、降低高闪点硅油的黏度和提升散热效率等。

（3）结合钠离子电池产热的阶段性特征，开发多技术融合与智能化管理策略，如开发分阶段流量控制策略，在低产热阶段降低泵耗，高热阶段提升流量，实现能效优化；通过三维仿真模型实时预测电池组温度分布，动态调整冷却液流量、流速及流道切换，避免局部过热。

综上所述，液冷技术在钠离子电池中的应用需以低成本和高适配为核心，通过跨技术融合与精准设计，推动钠离子电池在规模化储能领域的安全高效应用，为“双碳”目标下的能源转型提供关键支撑。

第一作者：梁沁沁（1989—），女，博士，研究方向为钠离子电池储能系统；

通讯作者：韩方源，高级工程师，研究方向为钠离子电池储能系统。