軟包電池導熱率是多少
發(fā)表時間：2023-08-28
自從20世紀70年代早期首次發(fā)現鋰離子電池以來，幾乎沒有人會想到，這種可充電電池在接下來的幾十年里會經歷巨大的發(fā)展。今天，鋰離子電池被廣泛應用于人類社會，從便攜式電子產品如筆記本電腦和移動電話到重型電動汽車，它為一切事物提供電力。因此，2019年諾貝爾化學獎被授予三位科學家，John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham和Akira Yoshino，以表彰他們在開發(fā)有影響力和非常有用的鋰離子電池方面的工作。
鋰離子電池之所以受到人們的關注，不僅僅是因為它們的形狀多樣，適合各種應用，如圖1所示，它們比傳統(tǒng)電池具有更高的能量密度和更長的生命周期(充放電)。但是，鋰離子電池需要考慮的一個重要因素是，鋰離子電池在運行時會產生熱量，運行溫度過高(超過55℃)會加速電池老化，縮短電池壽命。因此，尋求一種有效的熱管理系統(tǒng)(TMS)是必要的，以保證電池可以在期望的溫度范圍內運行，并保持不同電池間盡可能小的溫差。
圖1， 四種鋰離子電池的不同形狀
為了設計一個合適的TMS，確認由電池內部堆疊結構引起的方向性導熱系數和熱擴散系數是非常重要的。Hot Disk儀器提供了一種獨特的方法，使用各向異性模塊快速和準確地測量這些特性，這是其他技術無法通過單一測試定量的。
自1998年以來，Hot Disk AB已經提供了大量用于鋰離子電池測試的TPS系統(tǒng)。在1998年到2005年的早期，大多數樣品由干層(電極和膜)組成，然后被堆疊成類似于鋰離子電池最終結構的裝置，如圖2所示。從通常顯示平面內形狀的堆疊設置中，我們的儀器和探頭可以獲得平面內(與堆疊層平行)和平面間(垂直于堆疊層)的導熱系數結果。有時，我們也能為生產圓柱形電池的客戶測試一種卷疊結構，其中電池軸向表現出高導熱系數，而電池徑向表現出低導熱系數。通常，堆疊結構的結果大約是平面內約10 - 50w /mK，平面間約0.3 – 0.5 W/mK。
對于2006年以來進行的新測試，我們的大多數案例都與最終組裝的軟包鋰離子電池有關。在這種組裝結構中，我們通常可以在平面內和平面間觀察到更高的導熱系數。在客戶設施的演示測試中，我們記錄的值在平面內最高可達160 W/mK，通過平面最高可達8 W/mK。目前的趨勢清楚地表明，制造商已經在改善鋰離子電池結構的導熱性方面做了大量的工作。在最近進行了一些研究項目中，科學家們使用Hot Disk技術來分析這些增強電池的導熱性能2 3 4.
圖2，電池內部的各向異性結構
在表格1中，我們列出了一些測量軟包電池的例子，這些電池目前由中國不同的制造商生產，用于電動汽車。這些測量是由我們凱戈納斯儀器商貿（上海）有限公司的同事完成的，他們建立了一個標準流程來測試軟包電池的各向異性導熱特性。我們希望人們能從下表中了解現代鋰離子電池的導熱特性以及相關的測量數據。然而，值得注意的是，對于平面間導熱系數來說，機械壓力，表面粗糙度和/或其他化學溶液，將強烈影響層之間的熱接觸熱阻。這又將直接影響垂直平面方向的有效導熱系數。
表格1 不同軟包電池使用Hot Disk各向異性模塊測試導熱特性的結果。探頭為Hot Disk 4922型號，加熱功率1W，測量時間10-20秒。
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尺寸 [l*w*h,mm3] |
pCp [MJ/m3K] |
平面間λ [W/mK] |
平面間κ [mm2/s] |
平面內λ [W/mK] |
平面內κ [mm2/s] |
| 212*113*9 |
2.36 |
1.0279 | 0.4356 | 16.394 | 6.9468 |
| 69*47*4.65 | 2.71 | 1.4794 | 0.5465 | 17.844 | 6.5918 |
| 325*100*12 | 2.55 | 1.5142 | 0.5938 | 17.826 | 6.9905 |
| 273*97*11 | 2.61 | 1.0186 | 0.3903 | 21.710 | 8.3189 |
| 144*80*12 | 2.51 | 0.8857 | 0.3529 | 18.889 | 7.5253 |
| 120*105*11 | 2.54 | 1.4467 | 0.5696 | 20.060 | 7.8976 |
| 120*105*9.4 | 2.68 | 1.3121 | 0.4896 | 18.386 | 6.8313 |
| 270*97*9.4 | 2.44 | 1.5852 | 0.6497 | 16.837 | 6.9003 |
| 313*101*7.3 | 2.41 | 0.6615 | 0.2745 | 40.685 | 16.882 |
有時客戶對不同溫度間隔下的軟包電池測量感興趣。圖3和圖4顯示了Hot Disk各向異性模塊測量的從室溫到80℃的高溫之間的特定軟包電池的導熱特性曲線。
圖3 特定軟包電池隨著樣品溫度變化表現出的平面間導熱系數（左y軸，灰色）和熱擴散系數（右y軸，紅色）曲線。
圖4 特定軟包電池隨著樣品溫度變化表現出的平面內導熱系數（左y軸，灰色）和熱擴散系數（右y軸，紅色）曲線。
總而言之，具有各向異性模塊的Hot Disk系統(tǒng)為現代電池——特別是軟包電池——的研發(fā)提供了一個極好的工具，前提是被測電池的體積熱容量是已知的，或者可以通過其他方法確定。作為我們對客戶承諾的一部分，Hot Disk公司會不斷努力開發(fā)一個大型的Cp裝置來測量不同尺寸的電池的比熱，并設計一種合適的方法來測量帶金屬外殼的棱柱形電池。請繼續(xù)關注!
有關儀器和測試服務的更多信息，請聯系: gavin.li@k-analys.com或者 info@hotdisk.se
參考文獻：
- https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/summary/??
- B. Koo, P. Goli, A. Sumant, P. Ceilia, T. Rajh, C. S. Johnson, A. A. Balandin, E. V. Shevchenko, Toward Lithium Ion Batteries with Enhanced Thermal Conductivity. American Chemistry Society (ACS) Nano. 8(7): 7202–7207.??
- P. Goli, S. Legedza, A. Dhar, R. Salgado, J. Renteria, A. A. Balandin, Graphene-enhanced hybrid phase change materials for thermal management of Li-ion batteries. Journal of Power Sources 248 (2014) 37-43.??
- Y. Xie, J. Tang, S. Shi, Y. Xing, H. Wu, Z. Hu, D. Wen, Experimental and numerical investigation on integrated thermal management for lithium-ion battery pack with composite phase change materials, Energy Conversion and Management 154 (2017) 562-575.??
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