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(qian)言

在鋰電(dian)池(chi)(chi)(chi)熱管(guan)理設計(ji)與(yu)開發過程中，熱仿真是(shi)(shi)主要的(de)輔助(zhu)開發手段及(ji)驗證工(gong)具(ju)。導熱系(xi)數是(shi)(shi)熱仿真所需的(de)最重要熱物性(xing)參數之一，直接(jie)影響電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)散熱特性(xing)[1]。軟包電(dian)池(chi)(chi)(chi)是(shi)(shi)由鋁塑膜、正(zheng)(zheng)負極材(cai)料、隔膜、集流體和電(dian)解質(zhi)組成(cheng)的(de)多層復合結構(gou)，電(dian)池(chi)(chi)(chi)面向及(ji)縱向導熱系(xi)數均是(shi)(shi)指(zhi)其綜合導熱系(xi)數。由于電(dian)池(chi)(chi)(chi)材(cai)料熱特性(xing)和復合微結構(gou)伴隨(sui)溫(wen)度(du)變化(hua)(hua)，會導致電(dian)池(chi)(chi)(chi)綜合導熱系(xi)數值的(de)溫(wen)度(du)依(yi)賴性(xing)。因此，在電(dian)池(chi)(chi)(chi)正(zheng)(zheng)常工(gong)況溫(wen)度(du)范圍內，獲取電(dian)池(chi)(chi)(chi)導熱系(xi)數隨(sui)溫(wen)度(du)變化(hua)(hua)數據對于提高熱管(guan)理仿真的(de)準確性(xing)和有效性(xing)具(ju)有重要意義。

目前行業內對電池導熱系數溫度依賴性的研究較少，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題進行研究，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。

實驗部分

1. 樣品準備

樣(yang)品：NCM軟包鋰電(dian)池(65Ah，100%SOC)

2. 實驗條件

實(shi)驗(yan)儀(yi)(yi)器：泰默檢測(ce)TCA 3DP-160 3D熱(re)物性分析儀(yi)(yi)、仰(yang)儀(yi)(yi)科技BIC-400A等溫量(liang)熱(re)儀(yi)(yi)

工作模式：透射模式

實(shi)驗溫度(du)：5℃、10℃、20℃、30℃

圖1 (a) TCA 3DP-160 3D熱(re)物性(xing)分(fen)(fen)析儀；(b) 實驗用軟包(bao)電池(chi)樣品(pin)；(c) 3D熱(re)物性(xing)分(fen)(fen)析儀導熱(re)系(xi)數數據(ju)反(fan)演分(fen)(fen)析過程

3. 測試過程

利用仰儀科技(ji)BIC-400A等溫量熱(re)儀在(zai)設(she)定溫度下測(ce)定電池比熱(re)容，該數據作為導熱(re)系數測(ce)試(shi)的(de)預設(she)參數。

圖(tu)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，填寫樣品信息、設置相關實驗參數后啟動測試。儀器自動控溫至預設溫度，并在電池溫度穩定后自動執行電池熱激勵、三維熱數據反演和數據校驗等過程，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(wu)差(cha)，每(mei)個溫度點進行4次平行實驗。

實(shi)驗(yan)結果

1. 比熱容

如表1所示(shi)，樣品電池比(bi)熱容隨溫(wen)度逐漸升高，該結果符合(he)常規變化(hua)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

實驗測得的(de)導熱系數如表2和圖4所示：

表2 不(bu)同溫度下樣品鋰電(dian)池導熱系數測試結果

圖4鋰(li)電池的(de)(a)縱向與(yu)(b)面向導熱系數與(yu)溫度關系圖

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次實驗k_x和k_y的相對標準差均控制在4%以內。同時，可以發現樣品鋰電池縱向與面向導熱系數均隨溫度小幅升高，該結果與相關文獻報道相一致[3-4]。

結論

利用TCA 3DP-160 3D熱(re)物性分析儀可(ke)以便捷(jie)、高效、準確地測量軟(ruan)包鋰電(dian)池(chi)導熱(re)系數，并進行溫(wen)度等工況影響(xiang)研究，幫助研究人員優(you)化和完善(shan)鋰電(dian)池(chi)熱(re)管(guan)理設計(ji)。

參考資料

[1]崔喜風(feng),張紅亮,龔陽,李(li)(li)劼,楊建(jian)紅,李(li)(li)旺(wang)興.方(fang)形(xing)硬殼鋰離子動力電池的熱物性參數[J].中國(guo)有色金屬學報,2019,29(12):27472756.

[2]王帥林,盛(sheng)雷,齊麗(li)娜,方奕棟,李(li)康,蘇林.大型軟包鋰離子電(dian)池的熱物性實驗研究[J].浙江大學學報(bao),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.