摘要：
研究锂离子电池（LIBs）中的卡森（Casson）电解液非常重要，因为其在更苛刻的操作条件下面临复杂性以及充放电过程中出现的其他挑战，同时具备改善的热管理能力和增强的安全性。这进一步优化了热管理，避免了热点或热失控的可能性，从而使LIBs更安全。在本研究中，我们探讨了作为非牛顿流体的卡森电解液在非达西渗透多孔电极中与平板和光滑表面相关的对流负载。我们采用了最优同态渐近法技术来求解该系统的方程。研究了卡森因子、渗透性、流动约束、与流动和热耗散相关的普朗特数以及边界层轮廓的影响。从结果得出，热参数和多孔性对系统产生了影响，而多孔性的增加实际上降低了热传输效应和比例。本研究的结果与开发更有效的多孔电极以实现高性能和长循环寿命密切相关。这些研究有助于改善受电解液非牛顿行为影响的质量和热传输特性的利用，从而为设计下一代锂离子电池提供更高能量密度及快速充放电速率的支持。
文章简介：
锂离子电池在生物医学设备、消费电子产品、可再生能源存储系统和电动车辆中得到了广泛应用，因此优化这些系统中的热量和质量传输至关重要。在这方面，一些高效的电解化学品逐渐受到重视。目前，由有机溶剂引发的防火问题导致了复杂流体的出现。高等级流体在下一代基于锂离子电池的能量存储设备和电池的开发中是关键，能够实现更高的能量密度和安全性。
非牛顿电解液具有在屈服应力以下表现为固体，而在屈服应力以上则像流体流动的能力，这一特性通过卡森流体模型进行描述。这是某些电池电解液中重要的特性，具备性能增强或稳定性增强的化学成分；在高电流密度下，感受到的应力依赖性粘度尤为显著。卡森模型解释了剪切应力与剪切速率之间的这种非线性关系。理解这种非牛顿行为如何影响质量传输和热量传输至关重要，因为有效的热量和质量传输是确保钠离子电池和锂离子电池在更长时间内实现最佳性能的关键。
本研究的目的是调查卡森电解液在多孔电极材料和相应电池隔膜区域中的对流热量和质量传输特性。卡森流体作为锂离子电池中的热能吸收电解液的潜力已经得到了研究。它们提供了多个优势：改善的热管理、增强的安全性、提高的效率以及紧凑、轻便设计的潜力。这些卡森电解液的关键特征包括：非牛顿行为（剪切增稠粘度）、屈服应力、潜热存储、增强的热导率以及粘弹性阻尼。
卡森流体电解液的类型：
1. 基于聚合物的电解液（例如，聚乙烯氧化物、聚丙烯腈）,
2. 离子液体基的电解液（例如，1-乙基-3-甲基咪唑四氟磺酰亚胺）,
3. 混合型电解液（例如，聚合物-离子液体复合物）。
卡森流体的热能吸收电解液性能至关重要，因为如果卡森流体的设计具有热吸收特性，则必须通过高容量热量进行补充；理论上，这可以在电池运行时帮助管理热量生成，特别是在流体运动的高应力水平下。这将有助于避免过热。了解卡森电解液的非牛顿特性可以用于理解与电解液在多孔电极材料中的流动相关的复杂特征。
流体流动通常被表述为高阶偏微分方程（PDE），并转化为低阶常微分方程（ODE）。常微分方程相对容易通过数值方法和/或近似解析方法解决。Yih研究了在一个楔形表面上由稳定热源引起的稳态层流中的各种对流负载的影响。Keller箱被用于控制微分方程。Mukhopadhyay、Vajravelu和Van Gorder使用能量、动量和连续性方程研究了磁流体（MHD）中的混合对流热传输。MHD流体被认为在类似楔形的多孔表面上流动。研究结果表明，楔形的热传输不仅受到弹性数的影响，还通过提高普朗特值和自由对流参数得到了改善。Saleem等人利用达西-福尔希默-布林克曼模型研究了在非达西多孔介质中经过平面表面的卡森型非牛顿流体（NNF）边界层流（BLF）的行为。通过自适应Runge-Kutta-Fehlberg和射击方法得到了数值解。Chattopadhyay、Pathak和Santos数值模拟了在强制对流影响下纳米流体的流动，以研究均匀和非均匀反应的行为。纳米流体被认为是沿着多孔圆柱垂直流动的。通过将高阶控制方程转化为一阶ODE并应用射击方法来求解。也为楔形表面上层流的强制对流热传输提出了相似性解。Wang等人的主要贡献是一个更简单的控制相关方程，适用于任何类型的楔形和任何普朗特数值。Kim等人研究了BLF在水平表面上的混合对流热传输。该研究利用浮力参数来确定相似性解以及缓慢变化的瞬态解。他还研究了混合对流对垂直表面的影响。Sparrow和Yu通过使用准ODE发展了边界层中的非相似解。Mahanthesh和Gireesha研究了在流动的磁卡森流体中悬浮尘埃颗粒的热马朗戈尼对流影响。研究考虑了由于透气性和表面张力与温度线性变化而导致的热传递因素。Durairaj、Ramachandran和Mehdi研究了化学反应性NNF在非达西渗透结构中的垂直锥形表面和水平表面上的热变化。使用数值方案获得了数值解。Boyce等人讨论了在不同环境条件下磁边界层流体的热效应。该研究特别关注两种情况：当电极静止时的Blasius流和当电极稍微不静止时的Sakiadis流。研究发现，热离子浮力使速度提高，但对于两种流动类型，温度场下降。类似地，Biot数改善了皮肤效应和Nusselt参数。然而，Blasius流的热能释放率大于Sakiadis流。Sheikholeslami、Shehzad和Li研究了在洛伦兹力影响下MHD纳米流体流动的强制对流所导致的热传递特性。该研究在包含热立方体障碍物的渗透三维区域中进行。使用格子Boltzmann方法（LBM），发现达西数由于对流增强了热效应，洛伦兹效应改善了导热性能而非对流性能。Shashikumar等人讨论了在具有热辐射的渗透通道中流动的MHD卡森流体的熵和热力学。研究发现，熵生成速率与辐射参数和Biot数成正比。微通道中心区域的熵生成与哈特曼数成正比，但在冷却/加热板上的熵生成与哈特曼数成反比。Ma等人使用LBM研究了非自然对流的纳米流体的热效应。Zaib等人利用更新的Arrhenius函数研究了电荷MHD卡森纳米流体在楔形上流动的第二定律分析的影响。报告称，热传递和纳米颗粒浓度与卡森参数成反比。类似地，浓度边界层因激活能而改善，但由于温度变化而下降。Nakamura和Sawada研究了在渗透结构中表面上BLF导致的对流热传递特性。
在本研究中，探讨了与非达西渗透介质中平板和光滑表面相关的NNF卡森型BLF的对流负载。我们采用了最优同态渐近法（OHAM）技术来求解该系统的方程。研究了卡森因子、渗透性、流动约束以及与流动和热耗散相关的普朗特值及边界层轮廓的影响。
本研究为与非达西渗透介质中表面相关的卡森型NNF对流负载的数值解提供了见解。研究了一个参数化的方程组，并探讨了热边界层和速度边界层。从上述结果可以推断，卡森和多孔动力学影响了流动速度和参数。当需要大量热传输时，通常会使用强制对流。强制对流的热传输因其实际意义和在现实工程与制造问题中的潜在应用而成为一个有趣的领域。边界层类型流动中的热传输现象因其直接的工业应用而受到广泛关注。实际应用包括纯金属和合金铸造、挤压、冷却和制冷、核反应、药物扩散以及石化行业的清洗操作，如炼油、过滤和净化。
该手稿分为四个子部分。第二部分中，基于热传输方程的控制方程被制定。第三部分提供了基于OHAM的求解计算说明。第四部分讨论了结果，叙述了一些研究案例作为示例。最后，对整个工作进行总结。
文章结论：
本研究为与非达西渗透介质中表面相关的卡森型非牛顿流体（NNF）对流负载的数值解提供了见解。研究了一个参数化的方程组，并探讨了热边界层和速度边界层。从上述结果可以推断，卡森和多孔动力学影响了流动速度和参数。研究发现，增加孔隙率导致热边界层性质的减弱。流体流动随着卡森热离子参数和一、二阶多孔阻力的提高而加速，而孔隙率的增加则导致热传递减弱。在普朗特数和卡森及两阶孔隙阻力大幅增加的情况下，热水平下降，而在透水性因素的增强下，热水平变化则有所不同。
针对锂离子电池（LIBs）的卡森电解液是一种创新理念，这种电解液具有卡森流体模型的流变特性，如屈服应力和剪切稀化。这类电解液可能改善离子传输，增强稳定性，甚至促进热管理，从而提高锂离子电池的性能和延长使用寿命。在获得最佳配方和目的之前，仍需进行更多的研究。
文章信息：
Investigation of Thermal Management Capacity of Casson Electrolytes in Porous Electrodes in Lithium-Ion Battery Applications
Tareq Manzoor, S. Iqbal, Tauseef Anwer, Sanaullah Manzoor, Ghulam Mustafa, Habib Ullah Manzoor*
