在一个高油价和碳氢燃料持续短缺的时代，消费者开始寻找不需要过多汽油来驱动他们的替代运输和能量收集方法也就不足为奇了。随着全球对我们不断上升的CO2的担忧，对替代燃料来源的日益偏好变得更加夸张排放量和气候变化继续增长。这种对具有环保意识的选择的偏好正在导致消费者心态的转变，这一点可以从过去十年中混合动力和电动汽车市场的大幅增长中得到体现。电动汽车为传统的汽油动力汽车提供了一种节能且环保的替代品，因为它们依靠大型可充电电池为它们提供能量，而不是汽油或柴油。几种不同的电池化学成分可用于产生为电动汽车提供动力所需的能量；然而，到目前为止，锂离子电池是最受欢迎的，因为它们具有高电荷重量比，可提供最大量的能量，同时占用最少的空间。  ‍锂离子电池简介       尽管可充式电池在近几十年才开始流行，但这些发电移动电源背早在1800 年代后期就已经出现，当时第一个可充电电池是使用铅和其他酸性元素的独特混合物制成的。这种相对简易的铅板和主要硫板设计在 1980 年代首次亮相后很快被锂离子电池取代，因为它们比铅酸电池更轻，并且能够在更长的时间内保持蓄电量。锂离子电池轻便简单的设计主要是应用于笔记型电脑或手机等小型手持电子设备供电。直到最近，锂离子电池的市场越来越大，消费者对此产品产生浓厚的兴趣并有更多需求，主要原因是这种电池的化学成分，可用于其他应用上包括电动和混合动力汽车。       锂是地球上最轻、密度最小的固体元素之一，20世纪末成为电池负极主要制作的原料，电池不仅仅由锂组成，许多电池还含有其他几种金属，包括钴、锰、镍和磷。由于这些材料在电池制造中被广泛使用，这类的金属目前都面临着开发短缺的风险。用于生产电池的大部分锂来自两个主要的来源：在伟晶岩中发现的称为锂辉石的硬质二氧化硅矿物或来自含有氯化锂的盐水湖沉积物。盐水矿中的锂大部分来自智利，由于必须采用多种程序提取，从锂辉石中开采碳酸锂的能源强度和成本极高。锂离子电池的设计       尽管电池的内部机制看起来相当复杂，但这些离子电池遵循相对简单的电化学设计，其中锂原子在电池的阳极位置被离子化并与电极分离。然后锂离子沿着直线轨迹穿过电解质，直到它们到达阴极，与它们的电子重新结合并被电中和。大多数锂电池将使用醚化合物作为电极，这是一类特定的有机碳分子。一些电极组合甚至包括氧化锰混合物或磷酸盐混合物，后者是混合动力和电动汽车电池中极为常见的组合。锂离子电池的好处       由于锂是元素周期表中第三小的元素，相对于其较小的质量和体积，它具有较高的电压和储能能力。它还具有目前市场上任何电池的最高能量密度之一，为 100-265 Wh/kg。与其主要市场竞争对手铅酸电池相比，锂离子电池的充电效率也为 100%，后者的充电效率仅为 85%。这种蓄电效率对于在日光较少的地区来说非常重要，能尽可能的捕捉太阳能。与铅酸相比，使用锂离子电池的另一个好处是它们能够在极冷或极热的温度下保持充电和发电能力。这种在不利条件下的耐用性和持久性使它们成为比铅酸或其他电池混合物更可靠的选择。锂离子电池也相对免维护，几乎没有放置问题，这意味着它们不需要存放在直立或通风良好的隔间中。这也使它们可以轻松组装成各式形状，使它们成为能在小隔间或区域的理想选择。锂离子电池的衰落       尽管与竞争对手相比，锂离子电池的优势似乎占有很大的市场，但它们易自燃的高可能性一直引起人们的极大关注。这个相当危险的问题源于（热卸载） 扩散不良导致电池在高压下过热的趋势增加有关，这导致了一些灾难性的后果，包括整个波音 787 飞机机队被迫停飞，这些飞机经历了许多次的机载电池起火。这些由内部过热引起的问题目前已经藉由在锂离子电池中加强通风来解决，用以确保他们能够尽可能有效的释放内部热量，虽然锂离子电池的生产成本比镍镉电池 (Ni-Cd) 高出 40%，但它们不含有毒元素镉，这使得它们更容易正确处理和回收。锂离子电池的回收能力是其能够取代镍镉电池成为智能手机和笔记本电脑等携带式电子设备市场领导者的主要原因之一。       锂离子电池使用过程中还是有发生自燃隐忧。使得大量研究致力于了解这些元素材料所具有的全套热特性。当电池在充电或释放能量时，它自然会产生大量热量，需要有效地消散这些热量以防止内部电池温度升高。如果充放电速率或电极厚度显著增加，电池的温度也会随之升高。电池单元内的极端温度变化会损坏构成电池的材料的内部性能并降低电池的使用寿命。这将导致其他不良后果，例如膨胀、漏电、火灾或爆炸。在电动汽车中使用锂离子电池时，热膨胀或热失控会对乘客的安全构成重大风险，这也是为什么在电子设备或移动车辆中组装之前正确分析电池的热组件是一件很重要的事情。电池内部的热量产生和传递       电池内产生的热量主要由可逆或不可逆的热量组成，通常由电池充电和放电过程中的熵系数决定。如果散热受阻，多余的热量会在电池单元内积聚，导致内部温度升高。充电和放电过程中发生的过电位充电会产生不可逆的热量。电池内部产生的大部分热量都位于其核心附近，特别是负极，电极的厚度与放电速率以及整个电池单元将经历的最低和最高温度直接相关。由于电极厚度和热敏感性之间的这种直接关系，制造商只有在需要增加电池容量时才会增加电极厚度。增加整体电池容量也可能导致电池单元的电阻率和电荷转移能力增加。标准尺寸的锂离子电池的平均热扩散率为 1.5 x 10正极为-15 m 2 /S，正极导热率为5 W/(m/K)，隔膜为0.334 W/(m/K)，负极为1.04 W/(m/K)电极。电池冷却技术热导率值表示材料通过它传递热量的能力。与天然具有绝缘能力的木材或织物制成的材料相比，金属和几种矿物等材料具有极高的导热率值。电池内产生的大部分热量通过空气冷却、液体冷却或 PCM 冷却等各种冷却方法带走。空气冷却是目前使用最多的电池冷却方式，利用力和加速电池周围的气流，从而提高电池与外界环境之间的热交换率。由于其简单、方便和低安装成本，这种方法仍然是使用最广泛的方法。结论       随着未来全球对电动汽车的需求持续增长，科学家们将需要不断研究和设计更有效的电池冷却方法，以保护车辆乘客免受与锂离子电池起火相关的任何负面影响. 能够分析及量化锂离子电池的热特性是实现这一目标的一种方式，找出科学家和工程师都认可在电动汽车和锂离子电池应用构建上最佳和最有效的散热装置，还需要更好地了解锂离子回收方法，以确保一旦这些电池失去功能，一旦放入垃圾掩埋场或处置不当，它们最终不会造成弊大于利。尽管仍需要大量研究来充分了解和正确利用锂离子电池中存储的能量，但迄今为止它们所使用的应用表明，这些电池具有降低全球碳足迹和减少全球碳足迹的潜力。为目前正在使用的多种气候变化技术创造使环境和能源更友善的解决方案。Author: Kallista Wilson | Junior Research Scientist | Thermtest参考文献Ahmed, S., Bloom, I., Jansen, A. N., Tanim, T., Dufek, E. J., Pesaran, A., Burnham, A., Carlson, R. B., Dias, F., Hardy, K., Keyser, M., Kreuzer, C., Markel, A., Meintz, A., Michelbacher, C., Mohanpurkar, M., Nelson, P. A., Robertson, D. C., Scoffield, D., … Zhang, J. (2017). Enabling fast charging – A battery technology gap assessment. Journal of Power Sources, 367, 250–262. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.06.055Liu G, Zhang L. Research on the Thermal Characteristics of an 18650 Lithium-Ion Battery Based on an Electrochemical–Thermal Flow Coupling Model. World Electric Vehicle Journal. 2021; 12(4):250. https://doi.org/10.3390/wevj12040250Lithium-ion Battery Charging & Advantages – PowerTech Systems. (n.d.). Retrieved June 16, 2022, from https://www.powertechsystems.eu/home/tech-corner/lithium-ion-battery-advantages/Lithium-Ion Battery—Clean Energy Institute. Retrieved June 8, 2022, from https://www.cei.washington.edu/education/science-of-solar/battery-technology/‍‍

在Thermtest 实验室，TLS-100 被用来测量滑石和烧制氧化铝这两种材料的热导率和热阻率。这两种材料因优秀的耐热性和绝缘性，被广泛用于工业应用中。TLS-100 是Thermtest的便携式热导率和电阻率仪，根据 ASTM D5334，用热针探针程序测定土壤和软岩热导率的标准测试方法进行测量，是在实验室和现场进行方便、准确的热导率测试的绝佳选择。测量设置TLS-100使用附带的针状探头完成测量，该探针既可用作加热元件又可用作温度传感器。导热膏通常与固体样品一起使用，以实现传感器和样品之间的最大接触。在此测试过程中，每种材料取两片，在涂上导热膏后，将探针夹在两片材料之间（图1）。 在开始测量之前观察 15 分钟的等待期，以确保样品和传感器等温稳定，再启动测量计划（包括5次 120秒的测试，每次间隔 15 分钟）。图1：左图说明了TLS-100探针与材料样品之间良好热接触的方法；右图为烧结氧化铝样品的测试过程描绘图实验结果表1总结了这些材料的热导率和热阻率的测试结果。每次测试的结果都显示出显著的相似性，这证明了TLS-100系统的精度。滑石和烧结氧化铝的平均热导率分别为3.107和 5.077 W/mK，这两者都对应于这些材料的可接受的参考热导率值3和5-5.25 W/mK之内。表 1. TLS-100在 Thermtest实验室中对滑石和烧结氧化铝样品的热导率和热阻率测试数据。烧结氧化铝滑石测试 ＃热导率 (W/mk)热阻率 (mK/W)测试 ＃热导率 (W/mK)热阻率 (mK/W)15.0050.19913.0980.32224.9530.20123.0760.32535.1370.19433.2030.31245.1810.19243.0850.32455.1080.19553.0750.325均值5.0770.196均值3.1070.322TLS-100 的结果展示了每种材料的低导热性，这使得它们成为有效的绝缘体。实验值和参考值之间的密切一致性表明：TLS 系统具有出色的准确度，这使其成为热导率测试的理想工具选择。

       在我们的热导率知识系列中，我们介绍了在日常工作中，热导率发挥作用的各种环境背景。普通人在日常决策中，思考导热系数影响的次数几乎为零。不管您是否相信，其实导热系数与您的日常生活息息相关，特别是咖啡杯选择方面。有些人喝咖啡喜欢用陶瓷杯，而有一些人则更喜欢用玻璃杯或钢制杯。原因何在？最有可能的是，这些杯子的选择都是基于个人审美偏好，而不是科学依据。图1：哪一个杯子更保温：不锈钢杯、陶瓷杯还是玻璃杯？       传热，特别是热传导，是杯子制造商的一个重要理念，因为他们努力生产出对客户有吸引力的优质材料。传热方式有三种：热传导、辐射和对流。热传导过程是热量从温度较高的介质（液体）移动到温度较低的介质（杯子），直到两种材料之间的达到温度平衡的能力。 那么，你知道图1所示的三种杯子材料中，哪一种最能减慢这种平衡过程，使液体温度保持更长时间吗？图2：传热的三种方式：传导、对流和辐射       不锈钢杯子的热导率是三种材料中最高的，为14.3 W/mK。这种高导热性与杯子和液体之间相对较快的温度平衡有关，这意味着液体会很快冷却。陶瓷杯的导热系数约为3.8 W/mK，而玻璃杯的导热系数约为 1.1 W/mK。由于玻璃杯的导热率相对较低，因此液体放在玻璃杯中，可以保温更长时间。      根据上述导热知识，想要使液体更长时间保温，我们应该首选玻璃杯，其次是陶瓷杯和不锈钢杯。因为玻璃杯子的低导热性，可以防止液体的热量迅速渗透和扩散到杯子中。而钢的高导热性，会将液体中的热量迅速传递到杯子，然后传递到掌心。       但基于从热容量（材料单位体积的保温能力）的知识来看，陶瓷杯的保温性是最佳的。因为陶瓷的密度较低，材料中的小孔可以将热量储存在杯子本身内，而不是释放到杯子周围的区域（如将热量传递到掌心），所以在陶瓷杯内部，杯子和液体之间会保持平衡反应，防止液体过快冷却。       小编相信您在下次购买喜爱的新杯子时，您可以通过导热系数和热容量是如何影响饮料温度的知识，可以更快更明智地做出选择。文献参考：http://www.npl.co.uk/science-technology/thermal-performance/areas/thermal-conductivity/reference-materialshttp://www.rktech.hu/dokumentaciok/LGC/Reference_materials_for_physical_properties_2008-9.pdfAssael, M. J., Gialou, K., Kakosimos, K., and Metaxa, I. 2004. Thermal Conductivity of Reference Solid Materials. International Journal of Thermophysics, 25 (2): 397 – 408.

       导热系数是用来衡量材料传递热量的能力的参数。具有高导热系数的材料可以有效地传递热量并容易地从其环境中吸收热量。导热不良的导体抵抗热流，从周围环境获得热量的速度很慢。根据S.I(国际标准)单位，材料的导热系数以(W/m•K)为单位测量。             下面概述了十大高导材料及其导热系数值。这些导热系数值是平均值，因为导热系数会根据所使用的设备和测量的环境而有些许差别。              金刚石： 2000 - 2200 W/m•K       金刚石的导热系数比美国制造最多的金属--铜高5倍。金刚石原子由简单的碳骨架组成，是有效传热的理想分子结构。通常，具有最简单化学成分和分子结构的材料具有最高的导热系数值。       金刚石是许多现代手持电子设备的重要组成部分。它们在电子产品中的作用是促进散热和保护敏感的计算机部件。金刚石的高导热性在确定珠宝的真伪时也被证明是有用的。在工艺和技术中加入少量金刚石会对导热性能产生巨大影响。银- 429 W/m•K       银是一种相对便宜和丰富的热导体。由于其延展性，银是许多电器的组成部分，是最通用的金属之一。美国制造的35%的银用于电动工具和电子产品(美国地质调查局矿产社区2013年)。银的一种双产物，银膏，由于其用于环保能源替代品，需求量正在增加。银浆用于生产光伏电池，光伏电池是太阳能电池板的主要组成部分。 铜- 398 W/m•K       铜是制造导电器具最常用的金属。铜熔点高，腐蚀速度适中。它也是一种非常有效的金属减少热量传递过程中的能量损失。金属锅、热水管和汽车散热器都是利用铜的导电特性的器具。黄金- 315 W/m•K       金是一种稀有而昂贵的金属，用于特定的导电应用。与银和铜不同的是，金很少会失去光泽，并且可以承受大量腐蚀的条件。氮化铝- 310w /m•K氮化铝常被用作氧化铍的替代品。与氧化铍不同，氮化铝不会对健康造成危害，但仍显示出与氧化铍相似的化学和物理特性。氮化铝是少数已知的材料之一，提供电绝缘以及高导热性。它具有非凡的抗热震性，并在机械芯片中充当电绝缘体。碳化硅- 270w /m•K碳化硅是一种由硅原子和碳原子平衡混合而成的半导体。当硅和碳被制造和熔合在一起时，就会结合在一起，形成一种极其坚硬和耐用的材料。这种混合物通常用作汽车制动器、涡轮机器和钢混合物的部件。铝- 247w /m•K铝通常被用作铜的低成本替代品。铝的导电性虽然不如铜，但由于其熔点低，铝储量丰富且易于操作。铝是led灯(发光二极管)的重要组成部分。铜铝混合物越来越受欢迎，因为它们可以利用铜和铝的特性，并且可以以较低的成本制造。钨- 173w /m•K钨具有高熔点和低蒸气压，使其成为暴露于高水平电力的电器的理想材料。钨的化学惰性使得它可以在不改变电流的情况下用于电子显微镜的电极。它也经常用于灯泡和阴极射线管的组成部分。石墨168w /m•K与其他碳同素异形体相比，石墨是一种储量丰富、成本低、重量轻的替代品。它经常被用作聚合物混合物的添加剂，以提高其导热性能。电池是利用石墨的高导热性的一个熟悉的例子。锌116 W/m•K锌是少数几种容易与其他金属结合形成金属合金(两种或两种以上金属的混合物)的金属之一。20%的锌器具是由锌合金组成的。镀锌使用40%的人造纯锌。镀锌是在钢或铁上涂上锌涂层的过程，目的是保护金属不受风化和生锈。

       什么是热导率?       对热导率的探索的目标是为用户提供科研支持和行业最新的技术和测量方法，以便用户能够为他的业务或产品做出最佳决策。导热系数是材料传递热量的能力，了解材料的导热性对于制造业、建筑业、科技、航空航天甚至医疗行业在内的许多行业都至关重要。        在本文中，我们将澄清有关热导率测试的一些情况，包括测量热导率的不同方法以及可能影响这些测量精度的因素。在文章的最后，有一个信息图，您可以使用它作为快速参考指南。              为什么导热性很重要?       导热系数很重要，因为它决定了材料的导热性能，这是设计各种应用的热管理系统的关键组成部分之一。例如:        电子行业       在设计散热器和其他冷却系统时，导热性是至关重要的，这些冷却系统有助于消散电子设备产生的热量。       能源行业       导热性对发电和配电中使用的热交换器和其他部件的设计至关重要。       航空航天工业       在航空航天工业中，在航天器和其他必须承受极端温度的车辆的设计中，导热性是至关重要的。      热导率是如何测量的?       有测量导热系数的方法，但现在，我们将重点关注三种常用的方法:瞬态平面源(TPS)方法，瞬态线源(TLS)方法和热流计(HFM)方法。       1. 瞬态平面源(TPS)方法       在这种方法中，将圆盘状传感器放置在与样品材料(您想要测试的材料)表面接触的位置。然后将热量施加到传感器上，并记录由此产生的温升。       这种方法易于使用，并且需要任何尺寸的材料样品。TPS也非常适合于测量薄膜和涂层的热导率。              2. 瞬态线源(TLS)方法       在瞬态线源(TLS)方法中，通过给探头通电来加热探头。然后将探针放置在样品材料中，并记录由此产生的温升。样品的热导率是根据探针温度恢复到初始值的速率来计算的。                                 TLS方法非常适合于测试土壤、聚合物和软岩，以及某些应用中的液体。它还可以在很宽的温度范围内测量热导率。       3. 热流计(HFM)法       热流计(HFM)法是一种测量导热系数的稳态方法。在这种方法中，材料样品被放置在两个已知温差的板之间。测量通过样品的热流速率，并根据热流速率和样品的尺寸计算样品的导热系数。       HFM方法使用相对简单，可以为导热系数低的材料提供准确的结果，非常适合于绝缘建筑材料。              影响导热系数测试的因素       影响导热系数测试精度的因素包括:       样品和试验站的环境。       样品的尺寸和组成。       尽可能了解这些因素如何影响您的结果是确保结果准确可靠的必要条件。       结论       导热性是材料的一个重要特性，它决定了材料传递热量的能力。测量导热系数对于设计各种行业和应用的热管理系统至关重要。瞬态平面源、瞬态线源和热流计方法是测量导热系数和热阻的常用技术，各有其优缺点。记住，重要的是控制变量和因素，提高导热测试的准确性，以建立可靠的结果。