软包锂电池导热系数与温度相关性研究

本期预览

按照封装方式的不同，锂离子电池可以分为软包、方形、圆柱形。其中软包锂电池与我们的日常生活密切相关，被广泛应用于3C电子产品以及新能源汽车领域。

本文主要利用TCA 3DP-160 3D热物性分析仪测量软包锂电池导热系数，并研究了导热系数随电池温度的变化。结果表明，电池面向与纵向导热系数均随温度窄幅上升。

前言

在锂电池热管理设计与开发过程中，热仿真是主要的辅助开发手段及验证工具。导热系数是热仿真所需的最重要热物性参数之一，直接影响电池的散热特性^[1]。软包电池是由铝塑膜、正负极材料、隔膜、集流体和电解质组成的多层复合结构，电池面向及纵向导热系数均是指其综合导热系数。由于电池材料热特性和复合微结构伴随温度变化，会导致电池综合导热系数值的温度依赖性。因此，在电池正常工况温度范围内，获取电池导热系数随温度变化数据对于提高热管理仿真的准确性和有效性具有重要意义。

目前行业内对电池导热系数温度依赖性的研究较少，主要原因是缺乏普适、可靠的分析测试手段。本文利用3D热物性分析仪这款新型仪器对该问题进行研究，测定得到了NCM软包电池的纵向和面向导热系数随温度变化趋势。

实验部分

1. 样品准备

样品：NCM软包锂电池(65Ah，100%SOC)

2. 实验条件

实验仪器：3D热物性分析仪、电池等温量热仪

工作模式：透射模式

实验温度：5℃、10℃、20℃、30℃

图1 (a) 3D热物性分析仪；(b) 实验用软包电池样品；(c) 3D热物性分析仪导热系数数据反演分析过程

3. 测试过程

利用电池等温量热仪在设定温度下测定电池比热容，该数据作为导热系数测试的预设参数。

图2 BIC-400A电池等温量热仪

随后将电池放置于3D热物性分析仪测试腔中央位置，填写样品信息、设置相关实验参数后启动测试。仪器自动控温至预设温度，并在电池温度稳定后自动执行电池热激励、三维热数据反演和数据校验等过程，随后软件上直接给出电池面向导热系数kx和纵向导热系数ky。为消除偶然误差，每个温度点进行4次平行实验。

图3 (a) 3D热物性分析仪电池样品安装示意图；(b) 3D热物性分析仪操作软件界面

实验结果

1. 比热容

如表1所示，样品电池比热容随温度逐渐升高，该结果符合常规变化规律^[2]。

表1 不同温度下样品锂电池比热容测试结果

2. 导热系数

实验测得的导热系数如表2和图4所示：

表2 不同温度下样品锂电池导热系数测试结果

图4 锂电池的(a)面向与(b)纵向导热系数与温度关系图

从表2及图4可以看出，3D热物性分析仪测试导热系数的重复性较好，除5℃下可能由于低温凝露导致偏差稍大外，其他温度条件下4次实验kx和ky的相对标准差均控制在4%以内。同时，可以发现样品锂电池纵向与面向导热系数均随温度小幅升高，该结果与相关文献报道相一致^[3-4]。

结论

利用TCA 3DP-160 3D热物性分析仪可以便捷、高效、准确地测量软包锂电池导热系数，并进行温度等工况影响研究，帮助研究人员优化和完善锂电池热管理设计。

参考资料

[1]崔喜风,张红亮,龚阳,李劼,杨建红,李旺兴.方形硬壳锂离子动力电池的热物性参数[J].中国有色金属学报,2019,29(12):27472756.

[2]王帅林,盛雷,齐丽娜,方奕栋,李康,苏林.大型软包锂离子电池的热物性实验研究[J].浙江大学学报,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.