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Discover蓄电池基于光导相变材料的电池低温预热与长效保温
锂离子电池因其高能量密度和长循环寿数，已广泛使用于固定式储能体系、电动汽车等领域[1][2]。尽管不同类型电池的高效工作温度范围存在差异[3][4]，但普遍要求高于15°C[5]。低温会导致电池功能衰减并引发安全隐患，例如在-10°C和-20°C条件下，电池可用能量别离仅为室温状况的74%和60%[6][7]。当环境温度低于-20°C时，电池寿数将出现明显衰减[8]。此外，低温还会引发电池内部短路[9][10]，导致过热乃至起火爆炸等安全事故[11][12][13]。因此，在冰冷区域使用时，电池加热与保温技能对其正常运转至关重要。
现在，电池低温加热技能主要分为内部加热与外部加热两类。内部加热技能经过电池本身产热或内置加热元件完成温升，但该技能普遍存在控制机制复杂、电路安稳性要求高、需额外耗费电池本身电量等问题[14][15]。Ruan等[16]提出了一种基于模型的电池内部加热低温优化办法。该办法可快速均匀提高电池温度，但仍会耗费本身能量，且在荷电状况较低时无法对电池进行加热，因此在实际使用中存在局限性。外部加热技能经过外部热源与传热介质将热量传递至电池[17]。该技能相对成熟，已使用于商用电动汽车[18]。
常见的电池外部加热技能包含电加热、空气预热、液体预热以及相变资料（PCM）预热[19]。Jin等[20]将热敏电阻嵌入铝合金板中，经过改动热敏电阻与电池的相对方位可完成不同的加热作用。Mo等[21]提出了一种圆柱形电池热办理体系，该体系将单元拼装式复合相变资料模块与强制空气对流相结合，可在302秒内将电池从0°C预热至10°C，且温差仅为3°C。82 °C。Wang等[22]经过试验与模仿评价了液体浸泡式预热体系的功能。结果表明，该体系可完成4.18 °C/min的温升速率，并将电池包最大温差控制在4 °C以内。Ji等[23]建立了基于空气预热的典型闭环体系，在低温工况下由电池为加热器供电，加热后的空气将热量传递至电池。Xu等[24]提出了一种结合柔性薄膜加热器与双层相变资料的电池预热保温结构，该结构在−20 °C环境下使电池放电能量提高了5.60%。
然而，传统的外部加热技能通常会导致额外的电能耗费与成本增加[25][26]。此外，在电力供应受限的偏远区域，持续预热电池面临严峻应战。使用太阳能直接预热电池具有清洁无污染的特性[27][28]。光热转化相变资料（PC-PCM）可将太阳能转化为热能存储，并在低温环境下释放热量以保持电池工作温度[29][30]。Huang等[31]制备了一种光热转化效率达91.2%的室温柔性相变资料，为动力电池热办理与太阳能光热使用供给了高效解决方案。Guo等[32]构建了"聚乙二醇-液态金属-氮化硼"复合相变热调节器，可在1分钟内完成-20至15°C范围内的电池表面预热。Geng[33]制备了光热相变纳米胶囊。在阳光照射下，电池表面温度7分钟内从冰点以下升至45°C以上。试验结果表明，-10°C光照条件下软包电池放电容量提高24.1%。基于光热转化的预热技能为极端气候下电池可靠运转供给了新式节能解决方案。
值得注意的是，电池通常封装在设备或电动汽车内部，而相变资料基被迫预热设备（PC-PCM）有必要直接暴露于环境中以吸收阳光[34]。这导致基于PC-PCM的电池预热技能使用场景受限。此外，在裸露条件下，PC-PCM会快速向环境散热，难以长时间保持电池温度处于舒适区间。例如，Li等人[35]的研讨表明，在0至−20°C的低温环境中，PC-PCM仅能保持电池温度高于10°C达30至40分钟。因此，如何在不耗费电能的前提下长时间保持电池温度处于高效区间，是当前研讨面临的要害应战。
一方面，数值模仿可以辅导PC-PCM的功能优化。例如，深度能量办法[36]供给了一个热力学一致的框架，该框架一致了建模与试验数据，可天然量化不确定性并促进逆向规划。这种办法有助于提高PC-PCM的隔热功能，同时阐明光热效应与电化学进程之间的耦合机制。另一方面，创新性结构规划可以增强相变资料的光热吸收与存储效率。例如，Kong等人[37]提出了一种内置导光结构，经过将侧发光光纤嵌入相变资料板中完成。该规划将传统太阳能加热的集热/储热进程从室外转移至室内，然后大幅降低热丢失并提高热效率。
因此，本文提出一种基于柔性导光相变资料（PCM）的长时间电池预热技能（图1）。该导光PCM经过将侧发光光纤嵌入具有光热转化功能的柔性PCM中制备而成。结合外部隔热规划，该方案可明显降低热损耗，为电池供给长时间保温作用。试验测得导光PCM的光热转化效率达72.1%，并能保持6.5小时的凝结渠道期。随后在-20℃、-10℃和0℃环境下别离进行充电、放电、充放电循环及长时间保温试验。结果表明，导光PCM可有效提高寒区电池的功能与安稳性，且温度越低作用越明显。该技能特别适用于离网或电力受限区域的固定式储能体系，如偏远区域的光伏体系和通讯基站。