軟包鋰電池導(dǎo)熱系數(shù)與溫度相關(guān)性研究

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(dǎo)熱系數(shù)，并研究了導(dǎo)熱系數(shù)隨電池溫度變化。結(jié)果表明，電池面向與縱向?qū)嵯禂?shù)均隨溫度窄幅上升。

前言

在鋰電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)與開發(fā)過程中，熱仿真是主要的輔助開發(fā)手段及驗(yàn)證工具。導(dǎo)熱系數(shù)是熱仿真所需的最重要熱物性參數(shù)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(fù)極材料、隔膜、集流體和電解質(zhì)組成的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，電池面向及縱向?qū)嵯禂?shù)均是指其綜合導(dǎo)熱系數(shù)。由于電池材料熱特性和復(fù)合微結(jié)構(gòu)伴隨溫度變化，會(huì)導(dǎo)致電池綜合導(dǎo)熱系數(shù)值的溫度依賴性。因此，在電池正常工況溫度范圍內(nèi)，獲取電池導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化數(shù)據(jù)對(duì)于提高熱管理仿真的準(zhǔn)確性和有效性具有重要意義。

目前行業(yè)內(nèi)對(duì)電池導(dǎo)熱系數(shù)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(duì)該問題進(jìn)行研究，測定得到了NCM軟包電池的縱向和面向?qū)嵯禂?shù)隨溫度變化趨勢。

實(shí)驗(yàn)部分

1. 樣品準(zhǔn)備

樣品：NCM軟包鋰電池(65Ah，100%SOC)

2. 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)溫度：5℃、10℃、20℃、30℃

圖1 (a) TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀；(b) 實(shí)驗(yàn)用軟包電池樣品；(c) 3D熱物性分析儀導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)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(shè)定溫度下測定電池比熱容，該數(shù)據(jù)作為導(dǎo)熱系數(shù)測試的預(yù)設(shè)參數(shù)。

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(shè)置相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)后啟動(dòng)測試。儀器自動(dòng)控溫至預(yù)設(shè)溫度，并在電池溫度穩(wěn)定后自動(dòng)執(zhí)行電池?zé)峒?lì)、三維熱數(shù)據(jù)反演和數(shù)據(jù)校驗(yàn)等過程，隨后軟件上直接給出電池面向?qū)嵯禂?shù)k_x和縱向?qū)嵯禂?shù)k_y。為消除偶然誤差，每個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行4次平行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)果符合常規(guī)變化規(guī)律[2]。

表1 不同溫度下樣品鋰電池比熱容測試結(jié)果

2. 導(dǎo)熱系數(shù)

實(shí)驗(yàn)測得的導(dǎo)熱系數(shù)如表2和圖4所示：

表2 不同溫度下樣品鋰電池導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果

圖4鋰電池的(a)縱向與(b)面向?qū)嵯禂?shù)與溫度關(guān)系圖

從表2及圖4可以看出，3D熱物性分析儀測試導(dǎo)熱系數(shù)的重復(fù)性較好，除5℃下可能由于低溫凝露導(dǎo)致偏差稍大外，其他溫度條件下4次實(shí)驗(yàn)k_x和k_y的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均控制在4%以內(nèi)。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)樣品鋰電池縱向與面向?qū)嵯禂?shù)均隨溫度小幅升高，該結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道相一致[3-4]。

結(jié)論

利用TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀可以便捷、高效、準(zhǔn)確地測量軟包鋰電池導(dǎo)熱系數(shù)，并進(jìn)行溫度等工況影響研究，幫助研究人員優(yōu)化和完善鋰電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)。

參考資料

[1]崔喜風(fēng),張紅亮,龔陽,李劼,楊建紅,李旺興.方形硬殼鋰離子動(dòng)力電池的熱物性參數(shù)[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),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(shí)驗(yàn)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),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.