電池的導熱系數(shù)測試實驗報告
發(fā)表時間：2023-08-29
近代電池（鋰離子）在不同方向的導熱系數(shù)差別巨大。使用Hot Disk導熱儀您可以一次性簡單并準確的測量這些性質(zhì)。
自從20世紀70年代早期首次發(fā)現(xiàn)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(jīng)歷巨大的發(fā)展。今天，鋰離子電池被廣泛應(yīng)用于人類社會，從便攜式電子產(chǎn)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(guān)注，不僅僅是因為它們的形狀多樣，適合各種應(yīng)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(chǎn)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(nèi)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(shè)計一個合適的TMS，確認由電池內(nèi)部堆疊結(jié)構(gòu)引起的方向性導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)是非常重要的。Hot Disk導熱儀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(shù)無法通過單一測試定量的。
自1998年以來，Hot Disk AB已經(jīng)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(shù)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(jié)構(gòu)的裝置，如圖2所示。從通常顯示平面內(nèi)形狀的堆疊設(shè)置中，我們的儀器和探頭可以獲得平面內(nèi)(與堆疊層平行)和平面間(垂直于堆疊層)的導熱系數(shù)結(jié)果。有時，我們也能為生產(chǎn)圓柱形電池的客戶測試一種卷疊結(jié)構(gòu)，其中電池軸向表現(xiàn)出高導熱系數(shù)，而電池徑向表現(xiàn)出低導熱系數(shù)。通常，堆疊結(jié)構(gòu)的結(jié)果大約是平面內(nèi)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(shù)案例都與最終組裝的軟包鋰離子電池有關(guān)。在這種組裝結(jié)構(gòu)中，我們通？梢栽谄矫鎯(nèi)和平面間觀察到更高的導熱系數(shù)。在客戶設(shè)施的演示測試中，我們記錄的值在平面內(nèi)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(jīng)在改善鋰離子電池結(jié)構(gòu)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導熱儀來分析這些增強電池的導熱性能2 3 4.
圖2，電池內(nèi)部的各向異性結(jié)構(gòu)
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(chǎn)，用于電動汽車。這些測量是由我們凱戈納斯儀器商貿(mào)（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(xiàn)代鋰離子電池的導熱特性以及相關(guān)的測量數(shù)據(jù)。然而，值得注意的是，對于平面間導熱系數(shù)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(shù)。
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(jié)果。探頭為Hot Disk 4922型號，加熱功率1W，測量時間10-20秒。
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(xiàn)出的平面間導熱系數(shù)（左y軸，灰色）和熱擴散系數(shù)（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(xiàn)出的平面內(nèi)導熱系數(shù)（左y軸，灰色）和熱擴散系數(shù)（右y軸，紅色）曲線。
總而言之，具有各向異性模塊的Hot Disk導熱儀為現(xiàn)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(shè)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(guān)注!
參考文獻：
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/summary/??
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