据外媒报道，德雷塞尔大学（Drexel University）工程学院助理教授Ahmad Najafi博士领导的研究人员开发出一种设计优化系统，用于将类似血管的冷却网络整合到电动汽车的新一代碳纤维电池的封装中。该方法可以平衡性能增强因素，如电池容量和电导率，并避免发生重量和热活动等问题变量，从而避免降低性能并导致故障，进而为所有电动汽车设计提供最佳的电池封装规格。
图片来源：德雷塞尔大学
研究人员称：“电动汽车发展并扩大其市场份额的主要阻碍因素之一是电池的比能量低，这使得电动汽车很重，特别是对于长续航里程设计而言。”
多面电池
尽管空气质量和气候变化问题日益紧迫，以及不断上涨的汽油价格刺激了对电动汽车的需求，但过去一年中发生多起电动汽车因电池耐用性和安全性而被召回的事件，电动汽车市场颇受影响。
因此，越来越多的公司正在考虑使用固态电池，即一种在电动汽车中广泛使用的大型锂离子电池的薄型、碳纤维基版。这种电池可以巧妙地融入汽车底盘的物理结构中，并为汽车减重。
据估计，该电池可将汽车的重量减少10%，从而将续航里程效率提高6%-8%，因此用碳纤维复合材料代替汽车框架中结构部件和电池的部分，可以减轻车辆的整体重量并提高其储能能力。
加热
为了使这些结构性或“无质量”电池取得成功，设计人员必须应对使用固体聚合物（非液体电解质溶液）作为其电子传输介质所带来的挑战。
Najafi解释说：“与标准锂离子电池相比，结构电池的发热量将大大增加。”这是因为聚合物电解质的电导率远小于锂离子电池中使用的液体电解质的电导率。 这意味着电子在穿过聚合物时面临更多的瓶颈，因此移动会变慢，则在电池放电时会产生更多的热量。
Najafi还表示：“虽然结构电池复合材料是减轻电动汽车重量的一项有前途的技术，但材料设计肯定会受益于添加热管理系统，不仅可以提高电动汽车的续航里程，还可以大大降低热失控反应的可能性。”
保证低温
多年来，Najafi的研究小组一直在开发用于热管理的特殊复合材料。他们利用大自然自身的冷却方法——血管系统——来散热。通过修改他们发明的用于绘制最佳“微血管”网络的设计工具，研究人员能够设计出冷却复合材料，该复合材料将作为特斯拉、沃尔沃和大众等公司目前正在测试的结构电池包装的一部分。
Najafi团队在最新研究中提出的设计系统可以计算出微血管通道的最佳模式、尺寸和数量，以快速散发电池的热量，并优化通过通道的冷却剂的流动效率设计。
Najafi表示：“这些复合材料的功能类似于内燃机汽车中的散热器。当冷却剂通过微通道网络时，它会吸收热量并将其从电池复合材料中拉走。”
将结构电池夹在冷却微血管复合材料层之间可以在使用过程中保持温度，并延长运行时间和功率范围。
合适的
如论文所述，该团队的结构电池优化过程考虑了几个设计参数，例如每层碳纤维的厚度和纤维方向、活性材料中纤维的体积分数以及热调节所需的微血管复合板的数量。
为了测试每种组合，该小组测量了每个结构电池冷却复合层压板的刚度，以确保符合车辆结构完整性标准。然后，他们在几分钟的时间内模拟了车辆在不同速度下的能量需求，同时记录了电池的温度，车辆的预测续航里程。
根据研究，一个优化系统的计算机模型表明可以将特斯拉Model S的续航里程提高23%。但该团队指出，他们工作的真正价值在于能够收集电池尺寸和重量的最佳组合，包括足够的冷却能力以保持其运行，适用于现在生产中的任何电动汽车以及未来设计。
Najafi称：“虽然我们知道减轻重量有助于提高电动汽车的性能，但热管理可能同样重要，更重要的是让人们舒适地驾驶。我们的系统努力整合这两个优势，可能会在电动汽车的进步中发挥重要作用。”
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