背景(jing)介(jie)紹

作為驅動能源革命的重要力量，鋰離子電池迅速成為了電動汽車、便攜式電子設備等的主要儲能介質。然而鋰(li)電池的(de)進一步發展(zhan)仍面臨(lin)多重挑戰，除去基本的(de)成本等經濟因素(su)外(wai)，熱安全性是(shi)鋰(li)電池飽受詰難的(de)問(wen)題之一。

在動力電池的系統集成開發過程中，電池的熱管理與安全防護是其設計核心。優秀的(de)熱管理系(xi)(xi)統在設計時，離(li)不開(kai)仿真軟件的(de)模擬(ni)和(he)分(fen)析(xi)，而(er)進行精確仿真的(de)前提(ti)條件則是(shi)能夠(gou)輸入準確的(de)電池熱物性(xing)參數，這其中包(bao)括電池的(de)密(mi)度、比熱容(rong)、接觸熱阻和(he)導(dao)熱系(xi)(xi)數（或熱擴散系(xi)(xi)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，目前業內大多使用經驗值或原理模型進行估計。而軟包電池導熱系數的測試則存在一些可行的方法，可分為穩態法和非穩態法。穩態法(fa)作為一種(zhong)傳統方(fang)法(fa)，對樣品(pin)導熱系數的測定結果相對準確。但是(shi)該方(fang)法(fa)對樣品(pin)尺寸要(yao)求較高(gao)、只能得到縱向導熱系數且測試(shi)時間較長。而非穩態法測(ce)試時間短，但是測(ce)試準(zhun)確性不如穩態法。非穩(wen)態法(fa)主要包括熱線法(fa)、閃光法(fa)和(he)Hot Disk法(fa)，其中(zhong)熱線法(fa)和(he)閃光法(fa)不匹配鋰(li)電(dian)池測試的應用場景(jing)，而Hot Disk法(fa)則已在行業內被廣泛使(shi)用（圖1）。

圖1 穩態法(fa)實(shi)驗裝置示(shi)意圖和Hot Disk法(fa)實(shi)驗測試(shi)圖

然而，根據行業內人士的普遍反饋，Hot Disk法測定的導熱系數存在著實驗重復性不好、測試結果不準確等問題，限制(zhi)了仿真(zhen)模型的(de)準確性和指導意義。

解(jie)決方案

為了解決Hot Disk法的諸多問題，杭州泰默檢測技術有限公司開發了基于紅外熱像儀測溫與三維數據反演技術的3D熱物性分析儀，如圖2所示。

圖(tu)2 TCA 3DP-160 3D熱物性(xing)分析儀及其原理示意圖(tu)

該(gai)設備通過(guo)(guo)柔性電(dian)熱片對軟包鋰電(dian)池底部施(shi)加(jia)脈沖激勵，在電(dian)池一側利用(yong)紅外熱像(xiang)儀進行非接(jie)觸測(ce)溫，并通過(guo)(guo)數據反演(yan)計算得出電(dian)池的縱(zong)向(xiang)與(yu)面向(xiang)導(dao)熱系數。

實驗部分

(i) 試樣準備

購置了4種尺寸(cun)和容(rong)量(liang)各不相同的軟包鋰電池，并將(jiang)電池都充電至100% SOC，分別將(jiang)它(ta)們編號為(wei)：1#，2#，3#，4#。

(ii) 測(ce)試過程

分別用TCA 3DP-160 3D熱(re)物性分析儀和Hot Disk熱(re)物性分析儀（以下(xia)簡稱TCA 3DP法和Hot Disk法）對試(shi)樣導熱(re)系數(shu)進(jin)行測(ce)量，每(mei)個樣品(pin)重復測(ce)量6次。為了(le)對比和檢驗TCA 3DP法和Hot Disk法所測(ce)結果的(de)準確性，利用穩態法對試(shi)樣的(de)縱(zong)向導熱(re)系數(shu)進(jin)行測(ce)量，每(mei)個樣品(pin)測(ce)試(shi)2次。

實驗結果

圖3展示了TCA 3DP和Hot Disk兩種方法測得的軟(ruan)包(bao)鋰離子電池面向(xiang)和縱向(xiang)導熱系數的測試結(jie)果。

圖3 TCA 3DP方法(fa)和(he)Hot Disk方法(fa)測得的(de)(de)面向(xiang)（a）和(he)縱向(xiang)（b）導熱系數及其(qi)6次(ci)重(zhong)復實驗結果(guo)的(de)(de)相對標(biao)準(zhun)差

可以(yi)看出(chu)TCA 3DP法(fa)測得(de)的面向和縱向導熱系(xi)數(shu)數(shu)據離散(san)程(cheng)度都較小(xiao)，其(qi)相對標準差基(ji)本上控制在3%以(yi)內，說(shuo)明(ming)該方(fang)法(fa)測得(de)結(jie)果實驗重復性較好。而(er)Hot Disk方(fang)法測(ce)得(de)的(de)(de)數據離散程度較大，例如：3#和4#電池的(de)(de)面向(xiang)導(dao)(dao)熱(re)系(xi)數相對標準(zhun)差分別(bie)為7.6%和10.2%，縱(zong)向(xiang)導(dao)(dao)熱(re)系(xi)數相對標準(zhun)差分別(bie)為6.5%和14.1%，遠高于(yu)TCA 3DP方(fang)法的(de)(de)測(ce)試(shi)結果。這些(xie)數據(ju)表明TCA 3DP方(fang)法在實驗(yan)重(zhong)復性上較Hot Disk方(fang)法好(hao)很多(duo)。

此外，為(wei)了驗證TCA 3DP和Hot Disk兩種(zhong)方法的準(zhun)確性，我們以(yi)穩態(tai)法的測試結果(guo)作為(wei)參標(biao)，計算這兩種(zhong)方法測定(ding)的縱向(xiang)導熱系數與穩態(tai)法的相(xiang)對偏(pian)差，結果(guo)如圖4所(suo)示(shi)。

圖4 穩(wen)態法(fa)(fa)、TCA 3DP法(fa)(fa)和Hot Disk法(fa)(fa)測得的縱(zong)向(xiang)導熱系數及其它(ta)們間的相對(dui)偏差

可(ke)以看出，TCA 3DP法(fa)測得的結(jie)果與穩態法(fa)更為接近，相(xiang)對(dui)偏(pian)差(cha)(cha)在(zai)4% ~ 11.5%之間，而(er)Hot Disk法(fa)測得的結(jie)果與穩態法(fa)差(cha)(cha)別較大(da)，相(xiang)對(dui)偏(pian)差(cha)(cha)在(zai)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(guo)上述實(shi)驗結果(guo)的(de)(de)對(dui)比發現(xian)，Hot Disk方法(fa)測試(shi)(shi)軟包鋰(li)離(li)子電池導熱(re)系數，除了(le)實(shi)驗重(zhong)復性相對(dui)較差(cha)外(wai)，測試(shi)(shi)結果(guo)也存在著一定的(de)(de)系統誤差(cha)。重復性不佳可能(neng)是接(jie)觸熱(re)阻(zu)帶來的問題。軟包鋰離子(zi)電池(chi)表面(mian)(mian)并(bing)不是理(li)想平整(zheng)的，且(qie)鋁(lv)塑膜具(ju)有(you)一(yi)定的形(xing)變(bian)能(neng)力（如圖5a所(suo)(suo)示），所(suo)(suo)以(yi)Hot Disk探頭與電池(chi)表面(mian)(mian)的貼合狀態受操作手(shou)法與探頭位置(zhi)影響，從而導致(zhi)了每次試驗(yan)接(jie)觸熱(re)阻(zu)之(zhi)間的差(cha)異(yi)，降低(di)了實驗(yan)重復性。

圖5 Hot Disk法測試的接觸熱阻（a）和僅(jin)能(neng)反映樣(yang)品局部特征（b）的問題示意(yi)圖

Hot Disk測試結果的系統誤差可能由于(yu)Hot Disk探頭集成了加(jia)熱和測(ce)溫(wen)的功能，使得(de)(de)加(jia)熱和測(ce)溫(wen)都在電池的同一側（如圖5b所(suo)示），所(suo)以實驗所(suo)測(ce)得(de)(de)的數(shu)據只能反映(ying)試樣(yang)局部的熱物性(xing)特征(zheng)，從而導致測(ce)試結果(guo)的偏差。

結論(lun)

使(shi)用(yong)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，可以為動力電池開發過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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