考慮熱膨脹效應的鋰離子電池防水殼體結構設計研究

【關鍵詞】鋰離子電池；熱膨脹；防水殼體；熱管理

引言

隨著鋰離子電池在儲能系統等領域的廣泛應用，儲能系統的安全性成為關鍵關注點。在高倍率充放電過程中，電池內部會產生大量熱量，導致溫度升高并引發熱膨脹效應。特別是在水下等極端環境中，電池殼體面臨著水下壓力和溫度變化引起的熱變形等挑戰。不同材料的熱膨脹特性差異可能導致電池殼體變形或密封失效，影響電池的結構穩定性。因此，設計能夠應對這些熱膨脹效應并確保電池在高溫、高水壓條件下穩定運行的防水殼體，成為保障電池安全的關鍵。

一、鋰離子電池及其熱膨脹特性

（一）電池體系選擇

鋰離子電池廣泛應用于消費電子設備、電動汽車及儲能系統等領域，常見的類型包括鈷酸鋰、磷酸鐵鋰以及三元鋰等。因具有高比能量、高工作電壓、大倍率等優點，鈷酸鋰電池常用于諸多需要高能量、大電流輸出的設備。本文選擇發熱較高的鈷酸鋰電池作為研究對象，是因為這類電池在高倍率充放電過程中產熱較多，在3C及以上充放電情況下很容易造成密封性殼體膨脹變形等問題。因此，對這類鈷酸鋰電池在工作環境下散熱需求的探討，可為防水和熱脹效應的殼體設計提供一定參考。

（二）熱膨脹效應分析

物體因溫度變化而發生的膨脹現象稱為“熱膨脹”。通常是指在外壓強不變的情況下，大多數物質溫度升高時體積增大，溫度降低時體積縮小。在相同條件下，氣體膨脹最大，液體膨脹次之，固體膨脹最小。也有少數物質在一定的溫度范圍內，溫度升高時，其體積反而減小。電池外殼和內部材料熱膨脹系數不一致，會引起電池外殼與內部部件應力集中，影響電池結構的安全性能。高充放電倍率（5C模式）的鈷酸鋰電池，充放電時溫度變化快，溫度變化引起的膨脹效應會使電池產生較小的體積形變。一個50 kg電池組，在5C放電過程中，能放電12 min，20°C時溫度會發生顯著變化。在熱膨脹下，電池體積膨脹約0.02 L，雖變化不大，但影響到外殼電池受壓和電池性能，在密封條件下，壓力累積會使電池外殼受擠變形和漏水[1]。

二、防水殼體設計要求

（一）防水等級要求

10 m水深要求鋰離子電池殼體具有可靠的防水性。10 m水深所產生的靜水壓力為0.1 MPa，殼體需要經受0.1 MPa的靜壓而不滲漏?；趯嶋H使用的動態情況，殼體設計需要承受的壓力應該在0.15～0.2 MPa之間，預留30%～50%的安全系數。IP68（Ingress Protection 68）防水等級相當于“持續浸水且深度由制造商指定”。據IEC60529標準，為滿足水深達10 m水深應用的殼體，需要超過標準IP68以上的防水性能，即能夠連續浸泡殼體2 h以上且殼體深度高于10 m的防水要求。殼體設計采用雙重密封圈，密封圈壓縮率為15%～25%，以防止過量壓縮造成密封圈破損而導致漏水，以及因壓縮不足產生的密封失效。殼體密封處的預壓力設置為0.8～1.2 MPa，以補償因溫度變化和殼體材料老化導致的密封壓力下降。

（二）殼體材料選擇

電池的熱膨脹特性使得殼體材料選用有特殊需求，鈷酸鋰電池在5C充放電工況下的表面最高溫度為70℃～85℃，熱膨脹特性系數為16～25×10-6/K。使用高性能鋁合金，其熱膨脹特性系數為23.4×10-6/K與電池包相似，導熱能力導熱系數分別為121～167 W/（m·K），易將電池包產生的熱量傳遞；抗拉強度為276 MPa，鋁合金陽極氧化處理后，表面硬度值可達到250～300 HV。不銹鋼316L對防水性能有更高要求的場合可使用，其熱膨脹特性系數為16×10-6/K，不易腐蝕，比鋁合金抗拉強度高為515 MPa，不過其導熱系數為16.3 W/（m·K）小且其密度為7.9 g/cm3大。

（三）防水殼體結構設計

防水殼體為非整體結構，即殼體分為上殼體和下殼體，通過法蘭面進行組裝，殼體厚度為4.5 mm，在2 MPa水壓下防水殼體變形量小于0.2 mm[2]。O型圈密封方式，主O型圈使用耐-40℃～200℃的氟橡膠材料，備用O型圈使用硅橡膠材料，通過兩根O型圈實現防爆殼體的密封。采用殼體法蘭面通過不銹鋼螺栓（M8）進行組裝連接，電纜接口部分使用電纜密封接頭，防水殼體設計壓力平衡閥，使防水殼體內部與外界壓力保持平衡。防水殼體內部結構使用厚度為5 mm的導熱硅膠作為緩沖層，緩沖電池熱膨脹并增強導熱效果，防水殼體外部增加散熱翅片，擴大散熱面積。

三、熱管理設計

（一）電池溫度控制

鋰離子單體電池的充放電倍率一般可達到5C，最高充電狀態溫度范圍約在50℃～85℃之間，高于60℃容易加快電解液的耗損、固體電解質界面膜分解及降解速率，故確定鋰離子單體電池恒溫范圍為40℃±5℃。溫度控制優先級處理，采用鉑電阻100電阻溫度傳感器測試電池組表面12個熱敏節點，精度為±0.1℃的溫度檢測裝置實時檢測溫度分布情況，并在溫度升至55℃時發出警報并主動對電池組進行降溫，溫度升至65℃時則主動切斷充放電回路，防止產生熱失控?？刂扑惴ɑ跍囟群蜏厣俾实闹悄軠乜夭呗?，實現預測與控制功能，可以在環境溫度-10℃～50℃的有效范圍內運行，水下溫度范圍適應性增加25%，鋰離子電池總體熱管理系統效率比值為3.2。

（二）被動散熱設計

被動冷卻方案“魚骨式”布置的金屬散熱板厚度為3 mm，緊貼電池單體，接觸熱阻小于0.05℃·cm2/W，散熱板與殼體內壁間填充導熱系數為4.5 W/（m·K）的導熱硅膠，形成有效的熱通道。魚骨式散熱板的結構示意圖和魚骨式散熱板的橫截面示意圖分別如圖1中的（a）（b）所示。

該散熱板的特征在于：包括導熱座、骨架以及散熱片，所述骨架類似魚骨狀，設置在所述導熱座上面，所述散熱片安裝在骨架上，所述散熱片交錯設置在骨架兩側。殼體內部熱點區域通過正十八烷相變材料，相變溫度為28℃～30℃，潛熱為241 J/g，每單位體積能夠吸收112 J/cm3的熱量，封裝在鋁蜂窩結構內部，覆蓋電池組80%的表面面積[3]。殼體外表面采用散熱鰭片，增大殼體的散熱面積178%；水接觸面上采用微溝槽結構，提升換熱效果41%，在5C連續放電工況下能將電池表面溫升降低13.5℃，克服熱脹冷縮的結構變形。

四、實驗與測試

（一）設計的電池殼體樣品與熱膨脹實驗

1.電池在5C充放電過程中的熱膨脹測量

本研究制造的50 kg鈷酸鋰電池防水殼體試樣，采用6061T6鋁合金材料，壁厚4.5 mm，密封結構為雙O型圈密封。通過溫控箱對殼體的熱膨脹實驗，借助激光位移傳感器檢測殼體重要位置的熱膨脹位移。結果表明在電池5C放電的過程中，殼體溫度由25℃上升至68.7℃，殼體縱向最大熱膨脹量為1.68 mm，橫向最大熱膨脹量為1.42 mm，與計算得到的理論值相對誤差分別為2.3%和2.7%。殼體熱膨脹速率在電池放電初始的15～25 min達到最大值0.082 mm/min，此時熱像儀觀察的溫度梯度最大值為23.4℃/cm。殼體彈性緩沖層有效地緩沖了83.7%的熱膨脹應力。在測試過程中，殼體內壓力最大達到126.5 kPa，殼體結構與密封未受損。

2.在模擬水下環境中進行的壓力測試

壓力測試采用專業水壓測試裝置，水深逐步從1 m提升到15 m。殼體在1 m水深條件下，應變片檢測顯示最大應變為278 μm/m，安全系數2.84。在模擬水深15 m極限測試中，殼體變形量為0.287 mm，低于設計極限0.3 mm，壓力釋放后變形回復率達96.8%[4]。外部壓力與熱膨脹共同作用下，殼體法蘭面接觸壓力增加12.7%，增強了密封效果，驗證了防水殼體在熱膨脹條件下的結構可靠性。

（二）防水性能測試

防水性深水測試在專用深水池內進行，水溫保持在18℃±1℃，pH為6.8～7.2之間，測試系統中可控制殼體在5 m到15 m的深度自由調節支架進行深度測試。測試期間在殼體內安裝完整的鈷酸鋰電池組并用電子負載加載5C倍率循環充放電以模擬工作狀態，殼體內可采用高精度濕度傳感器，并將其放置于不同位置觀察是否出現水分滲漏。測試期間控制殼體上升下降速度為0.5 m/min盡量避免殼體受到沖擊載荷，測試時間分為24 h、72 h和168 h三個不同時長進行。測試完成后解剖殼體，采用染色滲透法檢查是否存在微裂通道泄漏并測量密封圈是否出現壓縮變形[5]。

溫度-壓力結合試驗采用專門研制的水壓-溫度環境模擬儀，同時控制環境水壓和殼體內部熱狀態來開展評價。試驗循環為在固定水深條件下通過控制電池組件完成從常溫到70℃高溫的溫度循環，再冷卻回常溫，每個試驗循環有10次溫度循環，在此過程中記錄殼體尺寸和密封性能參數變化情況。為驗證殼體密封結構工作可靠性，在極端條件下進行溫度沖擊試驗，將浸泡在水中的殼體快速升溫到85℃后再快速冷卻到5℃，如此重復5次后檢驗殼體的密封完整性并進行壓力平衡閥工作能力驗證，以證實閥在壓力周期性變動時的開閉功能[6]。

（三）結果分析與討論

實驗結果表明熱膨脹效應與水壓環境對防水殼體設計形成復雜影響。熱膨脹測試驗證了設計的有效性，充放電過程中溫度變化導致殼體材料不均勻膨脹[7]，內部電池區域溫度高于外部區域，形成溫度梯度。水壓環境對熱膨脹產生抑制作用，隨水深增加限制增強。對比分析了不同材料和結構組合在熱膨脹條件下的性能差異，如表1所示。

鋁合金雖熱膨脹系數高于不銹鋼，但優異的導熱性使溫差更小。雙O型圈設計比單O型圈在相同熱應力下具有更好的密封保持能力。添加相變材料能減小溫差并緩解熱膨脹位移，而水冷系統設計最為有效地控制了溫差和熱膨脹效應[8]。結果證明高導熱性與適當的結構設計比低膨脹系數更關鍵，良好的熱管理比單純抵抗熱膨脹更有效，特別是在水環境應用中主動熱管理系統表現最佳，密封性能維持率達97.2%。

結語

文章通過對鋰離子電池在5C充放電過程中的熱膨脹效應進行深入分析，提出了一種基于高導熱材料和優化結構的防水殼體設計方案。實驗結果驗證了該設計方案在水下10 m深度和高溫環境下的有效性。未來的研究可進一步優化熱管理系統和材料選擇，以實現更高效的電池熱控制與結構穩定性。

參考文獻：

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