背景介紹

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。然而鋰電池的進一步發展仍面臨多重挑戰，除去基本的成本等經濟因素外，熱安全性是鋰電池飽受詰難的問題之一。

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。優秀的熱管理系統在設計時，離不開仿真軟件的模擬和分析，而進行精確仿真的前提條件則是能夠輸入準確的電池熱物性參數，這其中包括電池的密度、比熱容、接觸熱阻和導熱系數（或熱擴散系數）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。穩態法作為一種傳統方法，對樣品導熱系數的測定結果相對準確。但是該方法對樣品尺寸要求較高、只能得到縱向導熱系數且測試時間較長。而非穩態法測試時間短，但是測試準確性不如穩態法。非穩態法主要包括熱線法、閃光法和Hot Disk法，其中熱線法和閃光法不匹配鋰電池測試的應用場景，而Hot Disk法則已在行業內被廣泛使用（圖1）。

圖1 穩態法實驗裝置示意圖和Hot Disk法實驗測試圖

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，限制了仿真模型的準確性和指導意義。

解決方案

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2 TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀及其原理示意圖

該設備通過柔性電熱片對軟包鋰電池底部施加脈沖激勵，在電池一側利用紅外熱像儀進行非接觸測溫，并通過數據反演計算得出電池的縱向與面向導熱系數。

實驗部分

(i) 試樣準備

購置了4種尺寸和容量各不相同的軟包鋰電池，并將電池都充電至100% SOC，分別將它們編號為：1#，2#，3#，4#。

(ii) 測試過程

分別用TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀和Hot Disk熱物性分析儀（以下簡稱TCA 3DP法和Hot Disk法）對試樣導熱系數進行測量，每個樣品重復測量6次。為了對比和檢驗TCA 3DP法和Hot Disk法所測結果的準確性，利用穩態法對試樣的縱向導熱系數進行測量，每個樣品測試2次。

實驗結果

圖3展示了TCA 3DP和Hot Disk兩種方法測得的軟包鋰離子電池面向和縱向導熱系數的測試結果。

圖3 TCA 3DP方法和Hot Disk方法測得的面向（a）和縱向（b）導熱系數及其6次重復實驗結果的相對標準差

可以看出TCA 3DP法測得的面向和縱向導熱系數數據離散程度都較小，其相對標準差基本上控制在3%以內，說明該方法測得結果實驗重復性較好。而Hot Disk方法測得的數據離散程度較大，例如：3#和4#電池的面向導熱系數相對標準差分別為7.6%和10.2%，縱向導熱系數相對標準差分別為6.5%和14.1%，遠高于TCA 3DP方法的測試結果。這些數據表明TCA 3DP方法在實驗重復性上較Hot Disk方法好很多。

此外，為了驗證TCA 3DP和Hot Disk兩種方法的準確性，我們以穩態法的測試結果作為參標，計算這兩種方法測定的縱向導熱系數與穩態法的相對偏差，結果如圖4所示。

圖4 穩態法、TCA 3DP法和Hot Disk法測得的縱向導熱系數及其它們間的相對偏差

可以看出，TCA 3DP法測得的結果與穩態法更為接近，相對偏差在4% ~ 11.5%之間，而Hot Disk法測得的結果與穩態法差別較大，相對偏差在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。

通過上述實驗結果的對比發現，Hot Disk方法測試軟包鋰離子電池導熱系數，除了實驗重復性相對較差外，測試結果也存在著一定的系統誤差。重復性不佳可能是接觸熱阻帶來的問題。軟包鋰離子電池表面并不是理想平整的，且鋁塑膜具有一定的形變能力（如圖5a所示），所以Hot Disk探頭與電池表面的貼合狀態受操作手法與探頭位置影響，從而導致了每次試驗接觸熱阻之間的差異，降低了實驗重復性。

圖5 Hot Disk法測試的接觸熱阻（a）和僅能反映樣品局部特征（b）的問題示意圖

Hot Disk測試結果的系統誤差可能由于Hot Disk探頭集成了加熱和測溫的功能，使得加熱和測溫都在電池的同一側（如圖5b所示），所以實驗所測得的數據只能反映試樣局部的熱物性特征，從而導致測試結果的偏差。

結論

使用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

[1] 奚同庚, 謝華清. 熱物理性質測試技術研究現狀和發展趨勢[J]. 上海計量測試. 2002, 29, 7-12.

[2] Bazinski S.J, et al. 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.

[3] 余開科, 等. 基于脈沖渦流熱成像的面內方向熱擴散率測量[J]. 計量學報, 2019, 40, 1030-1036.