随着对高效可靠储能需求的持续增长，优化锂离子电池热管理已成为提升其性能与安全性的关键研究方向。浸没式冷却作为一种创新方法，通过将电芯浸没在介电流体中，凭借其高效散热和抑制热失控风险的潜力，在高性能应用领域获得了广泛关注。针对锂离子电池的热管理技术已发展出多种方案，包括空气冷却系统[1][2]、液体冷却系统[3][4]、热管[5][6]、热电模块[7][8]以及相变材料(PCMs)[9]-[13]。其中，结合多种方法的混合式系统也展现出应用潜力[14]-[17]。浸没式冷却技术通过将电芯直接浸入介电流体中，因其高热传递效率、成本降低以及防止小容量（<100 Ah）[10]和大容量电池（>100 Ah）[18]热失控的能力而受到广泛关注。与传统液冷系统采用蛇形管在电芯间循环冷却剂不同，浸没式冷却允许电芯与冷却剂直接接触，从而实现更高效的热耗散[19][20]。例如，Patil等人的研究表明，使用介电流体浸没式冷却相比空气自然对流冷却，在3C放电过程中峰值温度降低了47%[20]。 导流结构设计也被用于提升冷却性能。Gao等研究者通过对比不同导流结构发现，采用鱼形导流结构的浸没式冷却电池组在散热性能上优于球形导流及无导流结构，在实现更优散热效果的同时显著降低了泵功消耗[21]。通道几何构型也被证明可在不增加泵送能耗的前提下强化传热；将特斯拉阀原理应用于圆柱电池浸没冷却时，其对流换热系数较传统直通道提升103%，同时压降降低74%[22]。这些基于通道的设计策略表明，导流几何优化是提升浸没冷却效能的实用手段，其效果超越单纯增加流速。Hemavathi等将酯类静态浸没冷却与自然对流空气冷却进行对比研究，发现采用浸没冷却的18650锂离子电池最高温度降低了33%[23]。即使在高温环境条件下，该系统仍能将3C放电倍率时的温升控制在10°C以内[23]。 刘等人对天然酯油与矿物油冷却系统进行了对比研究，结果表明两种油均能显著降低电池温度，其中矿物油表现略优，可将电池模块平均温度维持在45.18 °C[24]。陈等人将比较范围扩展至变压器油，对动态循环油冷却条件下的圆柱形电池模块进行无量纲理论分析，证实被测流速范围（30–600 mL/min）内单体电池温度始终低于45 °C，传热效率峰值出现在Re≈ 44.1并在更高流速下趋于稳定[25]。本研究证实了介电矿物衍生油用于浸没式冷却的实际可行性，并提供了一个适用于多种圆柱形电池结构的无量纲分析框架。Wang等人采用Opton SF33对18650锂离子电池进行两相浸没冷却研究，表明即使在10C放电条件下，该两相系统仍能将温度维持在34°C以下[26]。与自然冷却、强制对流及矿物油系统相比，该系统还展现出更强的热量移除能力[26]。 对于中等尺寸电池（如4680电芯），Li等研究者采用SF33进行了两相浸没冷却测试，发现该技术在充放电循环期间能持续将温度维持在33°C至35°C区间[27]。通过增强表面粗糙度与调控电池腔体内部压力，沸腾传热效率得到进一步改善，该研究凸显了压力控制在优化冷却性能中的关键作用[27]。除传统液态冷却剂外，超临界CO₂也被评估为圆柱形电池组的热管理介质；三维有限体积模拟证实，该介质能利用临界点附近的高传热特性实现电池组整体均匀散热[28]。这种方法拓展了电池热管理设计思路，突破了单相绝缘油的局限，同时彰显了跨临界冷却循环在高功率密度应用中的潜力。 Choi等研究者探究了金属泡沫在棱柱形电池单相浸没式冷却系统中的应用。引入金属泡沫强化了传热效果并降低温度梯度，尤其在高速放电工况下可使峰值温度降低近12°C[29]。该研究指出，具有90%孔隙率和20PPI（每英寸孔数）参数的金属泡沫表现出最优性能，能显著提升快充过程中的冷却效率[29]。 在大多数先前研究中，单电池均浸没于静态流体中，未考虑流动的对流效应。Dubey等人通过计算模拟研究了电池组几何构型、圆柱形电池尺寸与冷却剂流向等因素对单体及电池组热行为的影响[30]。Wang等人对比了五组并联连接的10 Ah软包电池在空气冷却与浸没式变压器油冷却下的热性能表现[31]。实验电池在额定工况下进行有限循环次数的充放电测试。与空气冷却系统相比，油浸冷却电池的最高温度降低了32.4%。更为显著的是，采用油浸冷却系统后，电池内部的温差降低了75%[31]。Li等人针对快速充电条件进行了类似分析，研究对象为浸泡在商用流体FS49中的3P7S 18650模块[32]。在3C充电倍率下，该模块的峰值温度较强制风冷系统降低了19.7℃。两相液体浸没冷却系统成功将五块电芯之间的最大温差维持在1.1℃以下。 浸没式冷却技术的优势包括在快速充放电过程中实现更佳的温度均匀性和更高效的热管理[33]。此外，研究证实浸没式冷却系统在低温预热场景下表现优异，可使电池包整体温度在4°C的狭窄范围内保持均匀分布[34]。然而，尽管存在这些显著优势，学界仍担忧浸没式冷却对电池电化学性能的影响，特别是在模组中可能出现电池单体之间的电特性差异，进而影响浸没冷却效果[35]。 理解不同冷却系统下电池组在单次充放电过程中的热行为，对于揭示电芯与冷却液之间的相互作用至关重要。然而，电池的中长期电化学性能才是最终评价目标。目前关于浸没式冷却系统结合长期电化学性能的研究较为有限。Koster等人通过对比两种冷却系统（强制风冷系统与3M Novec 7200浸没式冷却系统）下两组完全相同的25节圆柱形75Ah 18650电池包的性能衰减情况开展了相关研究。浸没式冷却系统的冷却液流量为每分钟3.67升（LPM），由流量为4.2 LPM的水冷散热器提供支持。%% 该研究采用1.33C充电速率进行加速老化实验，直至电池健康状态（SOH）降至80%以下。采用浸没冷却系统的电池组经历1020次循环后容量衰减20%，而风冷系统仅需850次循环即达到相同衰减程度。浸没于Novec 7200冷却液中的电芯展现出更均匀的温度分布，25个电芯间温差仅为1.4至1.5°C，相比之下风冷测试组的温差达到13至15°C。 %% 论文中发现一个有趣现象：浸没冷却系统中某个电芯的容量趋势曲线出现拐点（knee），从而加速了整个电池组的性能衰退。Koster分析表明，仅理解电池及其冷却系统的热特性不足以阐明电池组的最终性能[36]。Williams等人通过对26,650型LiFePO4电池的实验进一步验证...在单相及两相冷却模式下采用Novec 7000流体的圆柱形电池实验表明[37]，当预热至33°C发生相变时，电池的热性能和电性能均得到改善，尤其对于紧密排列的电池组效果更为显著。电极处产生的蒸汽泡核化现象通过相变过程中增强的流体扰动，有效提升了传热效率[37]。4 cylindrical cells with Novec 7000 fluid in both single and two-phase cooling modes [37]. They observed that preheated conditions with phase change at 33 °C improved both thermal and electrical performance, especially for closely spaced cells. The vapor bubble nucleation at electrodes helped enhance heat transfer through increased fluid agitation during phase change [37]. 基于这些研究可以明确看出，既往文献主要关注各类浸没式冷却技术带来的热管理性能提升。研究重点集中于降低峰值温度、保持均匀的温度分布，以及比较不同浸没流体在高功率应用场景中缓解热斑效应的有效性。尽管这些发现对理解浸没冷却的即时热效益至关重要，但现有文献对其长期电池退化影响的研究仍存在显著空白。 与上述研究不同，本文首次通过系统量化长时间循环中定期静态容量，探讨了浸没式冷却对电池衰退的影响。据作者所知，尚无研究考察浸没式冷却中实验参数（如流体流速、方位或流体温度）的表征及其对电池老化的直接影响。充电倍率被用作评估电化学条件变化的参数。尽管高温对容量衰减的影响以及充放电倍率对电池温度的作用机制已得到充分证实，但关于浸没式冷却技术下的实验验证仍较为有限。本研究通过实验分析证实了这些效应，填补了这一空白领域，并为浸没冷却参数的优化提供了新见解——其意义不仅体现在即时热管理效益上，更在于提升锂离子电池的长期性能表现。 本研究启动的动因源于一项采用花朵状排列的七电池模块进行浸没式冷却的实验中出现的反直觉结果[35]，以及该构型对电池热管理边界条件量化带来的挑战。在先前的实验装置中，紧凑的七电池模块构型由于极小的电池间距与并联电气连接[38]，可能导致电学与热力学参数的差异性。这种不平衡现象使得浸没冷却效应的评估变得复杂。为解决这一问题，当前实验装置采用电隔离电池单元并增大间距的设计，以便更清晰地研究浸没式冷却基础参数及其对单体电池性能的影响。通过将独立电池单元暴露于自主流体自由流的测试方法，不仅能更精准量化边界条件的影响，还为模型校准与验证提供了更简化的测试几何构型。
