【关键词】锂离子电池；热膨胀；防水壳体；热管理

引言

随着锂离子电池在储能系统等领域的广泛应用，储能系统的安全性成为关键关注点。在高倍率充放电过程中，电池内部会产生大量热量，导致温度升高并引发热膨胀效应。特别是在水下等极端环境中，电池壳体面临着水下压力和温度变化引起的热变形等挑战。不同材料的热膨胀特性差异可能导致电池壳体变形或密封失效，影响电池的结构稳定性。因此，设计能够应对这些热膨胀效应并确保电池在高温、高水压条件下稳定运行的防水壳体，成为保障电池安全的关键。

一、锂离子电池及其热膨胀特性

（一）电池体系选择

锂离子电池广泛应用于消费电子设备、电动汽车及储能系统等领域，常见的类型包括钴酸锂、磷酸铁锂以及三元锂等。因具有高比能量、高工作电压、大倍率等优点，钴酸锂电池常用于诸多需要高能量、大电流输出的设备。本文选择发热较高的钴酸锂电池作为研究对象，是因为这类电池在高倍率充放电过程中产热较多，在3C及以上充放电情况下很容易造成密封性壳体膨胀变形等问题。因此，对这类钴酸锂电池在工作环境下散热需求的探讨，可为防水和热胀效应的壳体设计提供一定参考。

（二）热膨胀效应分析

物体因温度变化而发生的膨胀现象称为“热膨胀”。通常是指在外压强不变的情况下，大多数物质温度升高时体积增大，温度降低时体积缩小。在相同条件下，气体膨胀最大，液体膨胀次之，固体膨胀最小。也有少数物质在一定的温度范围内，温度升高时，其体积反而减小。电池外壳和内部材料热膨胀系数不一致，会引起电池外壳与内部部件应力集中，影响电池结构的安全性能。高充放电倍率（5C模式）的钴酸锂电池，充放电时温度变化快，温度变化引起的膨胀效应会使电池产生较小的体积形变。一个50 kg电池组，在5C放电过程中，能放电12 min，20°C时温度会发生显著变化。在热膨胀下，电池体积膨胀约0.02 L，虽变化不大，但影响到外壳电池受压和电池性能，在密封条件下，压力累积会使电池外壳受挤变形和漏水[1]。

二、防水壳体设计要求

（一）防水等级要求

10 m水深要求锂离子电池壳体具有可靠的防水性。10 m水深所产生的静水压力为0.1 MPa，壳体需要经受0.1 MPa的静压而不渗漏。基于实际使用的动态情况，壳体设计需要承受的压力应该在0.15～0.2 MPa之间，预留30%～50%的安全系数。IP68（Ingress Protection 68）防水等级相当于“持续浸水且深度由制造商指定”。据IEC60529标准，为满足水深达10 m水深应用的壳体，需要超过标准IP68以上的防水性能，即能够连续浸泡壳体2 h以上且壳体深度高于10 m的防水要求。壳体设计采用双重密封圈，密封圈压缩率为15%～25%，以防止过量压缩造成密封圈破损而导致漏水，以及因压缩不足产生的密封失效。壳体密封处的预压力设置为0.8～1.2 MPa，以补偿因温度变化和壳体材料老化导致的密封压力下降。

（二）壳体材料选择

电池的热膨胀特性使得壳体材料选用有特殊需求，钴酸锂电池在5C充放电工况下的表面最高温度为70℃～85℃，热膨胀特性系数为16～25×10-6/K。使用高性能铝合金，其热膨胀特性系数为23.4×10-6/K与电池包相似，导热能力导热系数分别为121～167 W/（m·K），易将电池包产生的热量传递；抗拉强度为276 MPa，铝合金阳极氧化处理后，表面硬度值可达到250～300 HV。