軟包鋰電池導熱系數與溫度相關(guān)性研究

摘要

本文主要利用TCA 3DP-16 3D熱物性分析儀測量軟包鋰電池導熱系數，并研究了導熱系數隨電池溫度變化。結果表明，電池面向與縱向導熱系數均隨溫度窄幅上升。

前言

在鋰電池熱管理設計與開(kāi)發(fā)過(guò)程中，熱仿真是主要的輔助開(kāi)發(fā)手段及驗證工具。導熱系數是熱仿真所需的最重要熱物性參數之一，直接影響電池的散熱特性[1]。軟包電池是由鋁塑膜、正負極材料、隔膜、集流體和電解質(zhì)組成的多層復合結構，電池面向及縱向導熱系數均是指其綜合導熱系數。由于電池材料熱特性和復合微結構伴隨溫度變化，會(huì )導致電池綜合導熱系數值的溫度依賴(lài)性。因此，在電池正常工況溫度范圍內，獲取電池導熱系數隨溫度變化數據對于提高熱管理仿真的準確性和有效性具有重要意義。

目前行業(yè)內對電池導熱系數溫度依賴(lài)性的研究較少，主要原因是缺乏普適、可靠的分析測試手段。本文利用3D熱物性分析儀這款新型儀器對該問(wèn)題進(jìn)行研究，測定得到了NCM軟包電池的縱向和面向導熱系數隨溫度變化趨勢。

實(shí)驗部分

1. 樣品準備

樣品：NCM軟包鋰電池(65Ah，100%SOC)

2. 實(shí)驗條件

實(shí)驗儀器：泰默檢測TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀、仰儀科技BIC-400A等溫量熱儀

工作模式：透射模式

實(shí)驗溫度：5℃、10℃、20℃、30℃

圖1 (a) TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀；(b) 實(shí)驗用軟包電池樣品；(c) 3D熱物性分析儀導熱系數數據反演分析過(guò)程

3. 測試過(guò)程

利用仰儀科技BIC-400A等溫量熱儀在設定溫度下測定電池比熱容，該數據作為導熱系數測試的預設參數。

圖2 BIC-400A等溫量熱儀

隨后將電池放置于3D熱物性分析儀測試腔中央位置，填寫(xiě)樣品信息、設置相關(guān)實(shí)驗參數后啟動(dòng)測試。儀器自動(dòng)控溫至預設溫度，并在電池溫度穩定后自動(dòng)執行電池熱激勵、三維熱數據反演和數據校驗等過(guò)程，隨后軟件上直接給出電池面向導熱系數k_x和縱向導熱系數k_y。為消除偶然誤差，每個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行4次平行實(shí)驗。

實(shí)驗結果

1. 比熱容

如表1所示，樣品電池比熱容隨溫度逐漸升高，該結果符合常規變化規律[2]。

表1 不同溫度下樣品鋰電池比熱容測試結果

2. 導熱系數

實(shí)驗測得的導熱系數如表2和圖4所示：

表2 不同溫度下樣品鋰電池導熱系數測試結果

圖4鋰電池的(a)縱向與(b)面向導熱系數與溫度關(guān)系圖

從表2及圖4可以看出，3D熱物性分析儀測試導熱系數的重復性較好，除5℃下可能由于低溫凝露導致偏差稍大外，其他溫度條件下4次實(shí)驗k_x和k_y的相對標準差均控制在4%以?xún)?。同時(shí)，可以發(fā)現樣品鋰電池縱向與面向導熱系數均隨溫度小幅升高，該結果與相關(guān)文獻報道相一致[3-4]。

結論

利用TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀可以便捷、高效、準確地測量軟包鋰電池導熱系數，并進(jìn)行溫度等工況影響研究，幫助研究人員優(yōu)化和完善鋰電池熱管理設計。

參考資料

[1]崔喜風(fēng),張紅亮,龔陽(yáng),李劼,楊建紅,李旺興.方形硬殼鋰離子動(dòng)力電池的熱物性參數[J].中國有色金屬學(xué)報,2019,29(12):27472756.

[2]王帥林,盛雷,齊麗娜,方奕棟,李康,蘇林.大型軟包鋰離子電池的熱物性實(shí)驗研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報,2021,55(10):1986-1992.

[3]Bazinski S J, Wang Xia. Experimental study on the influence of temperature and state-of-charge on the thermophysical properties of an LFP pouch cell[J]. Journal of Power Sources, 2015, 293: 283?291.

[4] Koo Bonil et al. Toward lithium-ion batteries with enhanced thermal conductivity. [J]. ACS nano, 2014, 8(7) : 7202-7.