原創(chuàng )熱物性分析技術(shù)：用于軟包鋰電池導熱系數高效精準測試

背景介紹

作為驅動(dòng)能源革命的重要力量，鋰離子電池迅速成為了電動(dòng)汽車(chē)、便攜式電子設備等的主要儲能介質(zhì)。然而鋰電池的進(jìn)一步發(fā)展仍面臨多重挑戰，除去基本的成本等經(jīng)濟因素外，熱安全性是鋰電池飽受詰難的問(wèn)題之一。

在動(dòng)力電池的系統集成開(kāi)發(fā)過(guò)程中，電池的熱管理與安全防護是其設計核心。優(yōu)秀的熱管理系統在設計時(shí)，離不開(kāi)仿真軟件的模擬和分析，而進(jìn)行精確仿真的前提條件則是能夠輸入準確的電池熱物性參數，這其中包括電池的密度、比熱容、接觸熱阻和導熱系數（或熱擴散系數）等。

其中導熱系數是最重要的熱物性參數之一。

對于硬殼電池的導熱系數，目前業(yè)內大多使用經(jīng)驗值或原理模型進(jìn)行估計。而軟包電池導熱系數的測試則存在一些可行的方法，可分為穩態(tài)法和非穩態(tài)法。穩態(tài)法作為一種傳統方法，對樣品導熱系數的測定結果相對準確。但是該方法對樣品尺寸要求較高、只能得到縱向導熱系數且測試時(shí)間較長(cháng)。而非穩態(tài)法測試時(shí)間短，但是測試準確性不如穩態(tài)法。非穩態(tài)法主要包括熱線(xiàn)法、閃光法和Hot Disk法，其中熱線(xiàn)法和閃光法不匹配鋰電池測試的應用場(chǎng)景，而Hot Disk法則已在行業(yè)內被廣泛使用（圖1）。

圖1 穩態(tài)法實(shí)驗裝置示意圖和Hot Disk法實(shí)驗測試圖

然而，根據行業(yè)內人士的普遍反饋，Hot Disk法測定的導熱系數存在著(zhù)實(shí)驗重復性不好、測試結果不準確等問(wèn)題，限制了仿真模型的準確性和指導意義。

解決方案

為了解決Hot Disk法的諸多問(wèn)題，杭州泰默檢測技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)了基于紅外熱像儀測溫與三維數據反演技術(shù)的3D熱物性分析儀，如圖2所示。

圖2 TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀及其原理示意圖

該設備通過(guò)柔性電熱片對軟包鋰電池底部施加脈沖激勵，在電池一側利用紅外熱像儀進(jìn)行非接觸測溫，并通過(guò)數據反演計算得出電池的縱向與面向導熱系數。

實(shí)驗部分

(i) 試樣準備

購置了4種尺寸和容量各不相同的軟包鋰電池，并將電池都充電至100% SOC，分別將它們編號為：1#，2#，3#，4#。

(ii) 測試過(guò)程

分別用TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀和Hot Disk熱物性分析儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)TCA 3DP法和Hot Disk法）對試樣導熱系數進(jìn)行測量，每個(gè)樣品重復測量6次。為了對比和檢驗TCA 3DP法和Hot Disk法所測結果的準確性，利用穩態(tài)法對試樣的縱向導熱系數進(jìn)行測量，每個(gè)樣品測試2次。

實(shí)驗結果

圖3展示了TCA 3DP和Hot Disk兩種方法測得的軟包鋰離子電池面向和縱向導熱系數的測試結果。

圖3 TCA 3DP方法和Hot Disk方法測得的面向（a）和縱向（b）導熱系數及其6次重復實(shí)驗結果的相對標準差

可以看出TCA 3DP法測得的面向和縱向導熱系數數據離散程度都較小，其相對標準差基本上控制在3%以?xún)?，說(shuō)明該方法測得結果實(shí)驗重復性較好。而Hot Disk方法測得的數據離散程度較大，例如：3#和4#電池的面向導熱系數相對標準差分別為7.6%和10.2%，縱向導熱系數相對標準差分別為6.5%和14.1%，遠高于TCA 3DP方法的測試結果。這些數據表明TCA 3DP方法在實(shí)驗重復性上較Hot Disk方法好很多。

此外，為了驗證TCA 3DP和Hot Disk兩種方法的準確性，我們以穩態(tài)法的測試結果作為參標，計算這兩種方法測定的縱向導熱系數與穩態(tài)法的相對偏差，結果如圖4所示。

圖4 穩態(tài)法、TCA 3DP法和Hot Disk法測得的縱向導熱系數及其它們間的相對偏差

可以看出，TCA 3DP法測得的結果與穩態(tài)法更為接近，相對偏差在4% ~ 11.5%之間，而Hot Disk法測得的結果與穩態(tài)法差別較大，相對偏差在61.5% ~ 122.7%之間。因此，我們可以得出結論：相比于Hot Disk法，TCA 3DP法測得的導熱系數更為準確。

通過(guò)上述實(shí)驗結果的對比發(fā)現，Hot Disk方法測試軟包鋰離子電池導熱系數，除了實(shí)驗重復性相對較差外，測試結果也存在著(zhù)一定的系統誤差。重復性不佳可能是接觸熱阻帶來(lái)的問(wèn)題。軟包鋰離子電池表面并不是理想平整的，且鋁塑膜具有一定的形變能力（如圖5a所示），所以Hot Disk探頭與電池表面的貼合狀態(tài)受操作手法與探頭位置影響，從而導致了每次試驗接觸熱阻之間的差異，降低了實(shí)驗重復性。

圖5 Hot Disk法測試的接觸熱阻（a）和僅能反映樣品局部特征（b）的問(wèn)題示意圖

Hot Disk測試結果的系統誤差可能由于Hot Disk探頭集成了加熱和測溫的功能，使得加熱和測溫都在電池的同一側（如圖5b所示），所以實(shí)驗所測得的數據只能反映試樣局部的熱物性特征，從而導致測試結果的偏差。

結論

使用TCA 3DP方法的3D熱物性分析儀可以準確、高效且便捷地測定軟包鋰電池的面向與縱向導熱系數，可以為動(dòng)力電池開(kāi)發(fā)過(guò)程中的電池熱管理與安全設計提供可靠的基礎熱物性數據支撐。

參考文獻

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