大连理工大学宋永臣教授、李羽白教授等人，在锂离子电池多尺度传热传质研究方面取得进展。相关成果分别以“基于形状记忆合金的锂离子电池零能耗非线性热调节研究（Zero-Energy Nonlinear Temperature Control of Lithium-ion Battery Based on a Shape Memory Alloy）”，“基于XCT图像的建模方法以揭示电化学惰性相依赖的多尺度电极动力学行为（XCT Images-Based Modeling for Elucidating Electrochemical Inert Phase-Dependent Multiscale Electrode Kinetic Behaviors）”和“数字技术辅助设计电极结构以优化电极性能（Digital Techniques Assisted in Tailoring Electrode Structure to Optimize Electrode Performance）”为题，连续发表在《储能材料》（Energy Storage Materials）期刊上（影响因子：18.9）。

图（a）宏观尺度上锂离子电池的非线性热调节；（b）微观尺度上的锂离子电池电化学-热-质耦合模拟

锂离子电池因其高能量密度和良好的循环耐久性，日益成为重要的储能手段。然而，高放电速率或低温条件下的性能退化问题仍然是锂离子电池面临的一大挑战。宏观层面，几乎所有商用电动汽车均采用电池预热的方法来改善电池的低温性能。为了减小预热能耗并有效提高预热速率，亟需对电池外部进行良好的隔热。但是，由于低温下良好的隔热与高温下良好的散热相矛盾，这给电池热管理系统带来了严峻的挑战。微观层面，商业电极已被设计成具有不同微结构和组分的权衡，导致在高功率运行条件下不能兼具优秀的容量和功率输出。而且，多孔电极内部存在着由碳黑和粘合剂组成的电化学惰性相。其高度异质性的空间分布和结构形态，对不同环境条件下的电极性能有着显著影响。

针对锂离子电池性能在多个物理尺度上面临的问题，研究团队开展多尺度研究并得到解决方案。在宏观尺度上，为了解决高温散热与低温隔热之间的矛盾，工作聚焦于锂离子电池的非线性热调节研究，在制备具有双程记忆效应的形状记忆合金的基础上，构建了适用于电池热管理系统的热调节器。并通过基础传热实验证明了该热调节器在没有任何电源或逻辑控制的情况下，可以根据电池表面温度为电池提供相应的热功能，实现了锂离子电池的高温散热、低温隔热以及极端工况下的热失控抑制。循环老化实验表明该热调节器具有优良的循环性能，在1200次循环后仅表现出了3.78%的功能疲劳。在微观尺度上，将X射线计算机断层扫描（CT）与数字技术（虚拟电极和基于微结构的数值模拟）相结合，量化了电极结构与锂离子电池内部动力学性能之间的相关性，从而确保制定合理的结构设计策略。通过CT成像技术，揭示了电极内部电化学惰性相的形态和含量对电极活性表面积和局部反应动力学的作用机制，阐明了结构调节对电极性能的影响规律。物理现象启发的电极结构可以提高电池高倍率下的能量密度，并适应不同的颗粒尺寸和厚度。上述研究为全气候工况下的锂离子电池热管理策略指明了方向，并为锂离子电池的结构优化提供了微观机制解释和定量设计手段。

附论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103351;

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103792; 

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104381。