针对全球减排与去化石燃料的迫切需求，电动汽车（EVs）凭借锂离子电池（LIBs）的高能量密度成为可持续交通方案。然而，电池对温度波动极为敏感，其性能、寿命与安全性会显著下降，尤其是热失控（TR）及连锁传播（TRP）可能导致严重失效。本文系统评估了2020-2025年间间接液冷、水雾冷却等先进策略，分析其抑制TR/P的机制与效能，并探讨下一代热管理系统设计的关键挑战——如何在极端工况下平衡散热效率与安全性。
1.引言
近几十年来，环境污染与全球变暖已成为全球社会面临的重大挑战。交通领域作为温室气体排放的主要来源之一，化石燃料驱动的内燃机（ICE）车辆是空气污染和二氧化碳排放的重要推手。在此背景下，电动汽车（EVs）作为更清洁可持续的交通方案应运而生，其核心能量存储系统 —— 锂离子电池（LIBs）因高能量密度、长寿命和高转换效率而备受青睐。
锂离子电池的性能、寿命和安全性高度依赖工作温度，最佳范围为25–40°C，且模块内温差需控制在5°C以内以防止快速老化。温度超出这一范围会带来严重风险：低温导致容量衰减和加速老化，高温可能引发热失控（TR）。当电池温度达到130–200°C的临界阈值时，内部放热反应失控，温度骤升至600–1000°C，并释放可燃气体。在密集排列的电池组中，单个电芯的热失控会迅速传导，引发相邻电芯的连锁反应（TRP）。宝马i3、特斯拉Model X等车型的起火事故表明，TRP可在短时间内导致整包电池爆炸，严重威胁公共安全。
针对这一挑战，先进电池热管理系统（BTMS）成为关键。液体冷却与相变材料（PCM）冷却作为主流技术，分别通过循环冷却液（如间接液冷）和固 - 液相变吸热（如 PCM）实现温度控制。研究表明，液冷系统在 0.3 m/s 流速下可将相邻电芯温度控制在 55°C 以下，而 5.4 mm 厚的 PCM 层能将热失控传播延迟 414 秒。本研究首次系统整合2020–2025年前沿成果，探讨间接液冷、水雾冷却等先进策略在TR预防与TRP抑制中的协同作用，为高能量密度电池的安全应用提供新思路。
2. 热失控特性
2.1 热失控机制
锂离子电池热失控的基本机制包括机械滥用、电气滥用和热滥用。机械滥用（如碰撞）会导致电池包变形，破坏正负极之间的隔膜，引发内部短路（ISC），产生的热量触发热失控；电气滥用中的过充电会导致锂金属沉积和阴极结构崩塌，释放氧气加剧反应，而过放电则可能溶解铜集流体，形成短路；热滥用时，电池内部温度升高加速隔膜和电解质分解，形成链式反应，最终引发全面热失控。
图1. 锂离子电池热失控机制相关的滥用条件。
2.2 热失控传播（TRP）
单个电芯热失控产生的热量（如791.8°C）可通过电池外壳传导，触发相邻电芯连锁反应。实验表明，初始电芯释放的12%热量即可引发传播，且电池组容量越大、荷电状态（SOC）越高，TRP速度越快。
2.3 热失控产热
热失控过程中，固体电解质界面膜（SEI）分解、电极-电解质反应等放热反应叠加内部短路产热，总热量
无冷却时温度可超1000°C，导致外壳破裂和爆炸。
2.4 冷却策略对比
传统空气冷却因空气导热系数低，在高能量电池中易导致温度不均，增加热失控风险；液体冷却和相变材料（PCM）冷却则通过高传热效率和相变吸热，实现更精准的温度控制，有效抑制热失控传播。
3. 锂离子电池热失控防治的先进冷却策略
3.1 液体冷却：从结构创新到临界防护
间接液冷的微通道冷板技术是TRP防线的关键。在电动汽车高速行驶时，若电池模块温度骤升，0.3 m/s流速的冷却液通过7 mm宽的微通道可将相邻电芯温度控制在55°C以下，远低于0.2 m/s流速时的200°C。蛇形通道系统显示，流速超过96 L/h时，触发TR的电芯温度可维持在450°C，而相邻电芯低于80°C；但若流速降至64 L/h以下，热失控会迅速蔓延。工程师Rui团队的实验还证明，1 mm气凝胶绝缘层与液冷结合后，TRP间隔从84.4秒延长至384.2秒，为电池安全系统争取了额外5分钟的响应时间。
图2. 热管理模型的几何结构：(a) 带冷却板的单体电池，(b) 无液冷的电池组，(c) 配备液冷系统的电池组。
图3. 采用蛇形冷却通道液冷的电池模块布局。
图4. 采用不同位置冷板液冷的电池热管理配置，包括BTMS-1a：底部冷板、BTMS-1b：侧面冷板和BTMS-1c：电池间冷板。
水雾冷却在特斯拉Model X的某次热失控测试中展现了应急能力：当温度以2°C/s飙升时，0.8 mL/s的细水雾虽未能完全阻止TR，却将表面温度爬升速率降低了29.5%。更令人关注的是其临界水耗机制——1.95×10⁻⁴ kg/Wh的注水量可抑制五分之四电芯失控的极端情况，而添加Tween 20的水雾能在5秒内扑灭明火，较纯水缩短87秒。
图5.采用水雾冷却系统的电池热管理实验示意图
浸没冷却则在保时捷Panamera的电池包中验证了“物理隔绝”的魔力：HFE-7000氟化液将TR电芯温度锁定在518.8°C，相邻电芯仅34°C，这种“冰火两重天”的效果源于介电流体消除了热界面电阻。某储能电站的事故模拟中，变压器油浸没使TR延迟18,000秒（5小时），为应急断电争取了宝贵时间。
图7. 采用(a) HFE-7000和(b) SF33浸没冷却的电池组中锂离子电池单体的平均温度变化。
3.2 PCM冷却：被动防护的相变智慧
在某电动巴士的电池舱内，5.4 mm厚的石蜡PCM层将TRP延迟了414秒，搭配气凝胶后更达到798秒，相当于传统系统的43倍。这种“热能海绵”的秘密在于相变潜热——某实验中复合PCM将电池温差从5.46°C降至2.20°C，TR时首电芯温度从427°C压至383°C。但工程师面临导热瓶颈：纯PCM的低导热性促使他们在石蜡中掺入10%石墨，使温差再降24%，TR临界时间延长650秒。
3.3 混合冷却：主动与被动的协同革命
某车企研发的PCM-微通道复合系统，在2.5C高倍率放电时将电池温度稳定在44.37°C，温差≤2.01°C。更震撼的是其TR防护表现：当某电芯因内部短路触发失控时，该系统将TRP延迟521秒，期间BMS可完成200次安全巡检。而纳米流体与气凝胶的组合则创造了极端条件下的奇迹——707°C的TR峰值被压制到107°C，相当于给电池穿上“冰甲”。
场景化启示：某电动车在-10°C山区连续爬坡时，混合冷却系统的螺旋管液冷与PCM协同作用，将5C放电温度控制在40°C以下，并在遭遇石子撞击导致短路时，通过521秒的TRP延迟确保乘客安全撤离。这些技术推动行业从“事后灭火”转向“事前防御”，如特斯拉4680电池的浸没冷却专利和宁德时代的PCM-液冷一体化模块，重新定义了电动汽车的安全边界。
4.总结与建议
热失控是锂离子电池安全应用的主要威胁，通常由机械、电气或热滥用引发。研究表明：间接液冷比传统风冷更高效，但需优化结构以降低热阻和泄漏风险；水雾冷却利用高汽化潜热抑制热失控，但需提升其在密集模块中的穿透性；浸没冷却通过介电流体实现高效控温，但需降低氟化液成本与环境风险；相变材料（PCM）被动吸热可延缓热失控，但需通过复合改性提高导热性；混合冷却结合PCM与液冷协同控温，但需解决结构复杂与能量密度平衡问题。未来应聚焦轻量化设计、环保介质开发及多技术集成，以构建更安全可靠的电池热管理系统。
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