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。

前言

在鋰電池熱管理設計與開發過程中，熱仿真是主要的輔助開發手段及驗證工具。導熱系數是熱仿真所需的最重要熱物性參數之一，直接影響電池的散熱特性[1]。軟包電池是由鋁塑膜、正負極材料、隔膜、集流體和電解質組成的多層復合結構，電池面向及縱向導熱系數均是指其綜合導熱系數。由于電池材料熱特性和復合微結構伴隨溫度變化，會導致電池綜合導熱系數值的溫度依賴性。因此，在電池正常工況溫度范圍內，獲取電池導熱系數隨溫度變化數據對于提高熱管理仿真的準確性和有效性具有重要意義。

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

樣品：NCM軟包鋰電池(65Ah，100%SOC)

2. 實驗條件

實驗儀器：泰默檢測TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀、仰儀科技BIC-400A等溫量熱儀

工作模式：透射模式

實驗溫度：5℃、10℃、20℃、30℃

圖1 (a) TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀；(b) 實驗用軟包電池樣品；(c) 3D熱物性分析儀導熱系數數據反演分析過程

3. 測試過程

利用仰儀科技BIC-400A等溫量熱儀在設定溫度下測定電池比熱容，該數據作為導熱系數測試的預設參數。

圖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。為消除偶然誤差，每個溫度點進行4次平行實驗。

實驗結果

1. 比熱容

如表1所示，樣品電池比熱容隨溫度逐漸升高，該結果符合常規變化規律[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

實驗測得的導熱系數如表2和圖4所示：

表2 不同溫度下樣品鋰電池導熱系數測試結果

圖4鋰電池的(a)縱向與(b)面向導熱系數與溫度關系圖

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熱物性分析儀可以便捷、高效、準確地測量軟包鋰電池導熱系數，并進行溫度等工況影響研究，幫助研究人員優化和完善鋰電池熱管理設計。

參考資料

[1]崔喜風,張紅亮,龔陽,李劼,楊建紅,李旺興.方形硬殼鋰離子動力電池的熱物性參數[J].中國有色金屬學報,2019,29(12):27472756.

[2]王帥林,盛雷,齊麗娜,方奕棟,李康,蘇林.大型軟包鋰離子電池的熱物性實驗研究[J].浙江大學學報,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.