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原创热物性分析技术:用于软包锂电池导热系数高效精准测试

发表时间:2021-12-10  |  点击率:902

背景介绍

作为驱动能源革命的重要力量,锂离子电池迅速成为了电动汽车、便携式电子设备等的主要储能介质。然而锂电池的进一步发展仍面临多重挑战,除去基本的成本等经济因素外,热安全性是锂电池饱受诘难的问题之一。

在动力电池的系统集成开发过程中,电池的热管理与安全防护是其设计核心。优秀的热管理系统在设计时,离不开仿真软件的模拟和分析,而进行精确仿真的前提条件则是能够输入准确的电池热物性参数,这其中包括电池的密度、比热容、接触热阻和导热系数(或热扩散系数)等。

其中导热系数是最重要的热物性参数之一

对于硬壳电池的导热系数,目前业内大多使用经验值或原理模型进行估计。而软包电池导热系数的测试则存在一些可行的方法,可分为稳态法和非稳态法。稳态法作为一种传统方法,对样品导热系数的测定结果相对准确。但是该方法对样品尺寸要求较高、只能得到纵向导热系数且测试时间较长。而非稳态法测试时间短,但是测试准确性不如稳态法。非稳态法主要包括热线法、闪光法和Hot Disk法,其中热线法和闪光法不匹配锂电池测试的应用场景,而Hot Disk法则已在行业内被广泛使用(图1)。


图片1.png

图1 稳态法实验装置示意图和Hot Disk法实验测试图



然而,根据行业内人士的普遍反馈,Hot Disk法测定的导热系数存在着实验重复性不好、测试结果不准确等问题,限制了仿真模型的准确性和指导意义。



解决方案

为了解决Hot Disk法的诸多问题,杭州泰默检测技术有限公司开发了基于红外热像仪测温与三维数据反演技术的3D热物性分析仪,如图2所示。


图2 TCA 3DP-160 3D热物性分析仪及其原理示意图


该设备通过柔性电热片对软包锂电池底部施加脉冲激励,在电池一侧利用红外热像仪进行非接触测温,并通过数据反演计算得出电池的纵向与面向导热系数。



实验部分

(i) 试样准备

购置了4种尺寸和容量各不相同的软包锂电池,并将电池都充电至100% SOC,分别将它们编号为:1#,2#,3#,4#。

(ii) 测试过程

分别用TCA 3DP-160 3D热物性分析仪和Hot Disk热物性分析仪(以下简称TCA 3DP法和Hot Disk法)对试样导热系数进行测量,每个样品重复测量6次。为了对比和检验TCA 3DP法和Hot Disk法所测结果的准确性,利用稳态法对试样的纵向导热系数进行测量,每个样品测试2次。



实验结果

图3展示了TCA 3DP和Hot Disk两种方法测得的软包锂离子电池面向和纵向导热系数的测试结果。


图片1 (2).png

图3 TCA 3DP方法和Hot Disk方法测得的面向(a)和纵向(b)导热系数及其6次重复实验结果的相对标准差


可以看出TCA 3DP法测得的面向和纵向导热系数数据离散程度都较小,其相对标准差基本上控制在3%以内,说明该方法测得结果实验重复性较好。而Hot Disk方法测得的数据离散程度较大,例如:3#和4#电池的面向导热系数相对标准差分别为7.6%和10.2%,纵向导热系数相对标准差分别为6.5%和14.1%,远高于TCA 3DP方法的测试结果。这些数据表明TCA 3DP方法在实验重复性上较Hot Disk方法好很多。

此外,为了验证TCA 3DP和Hot Disk两种方法的准确性,我们以稳态法的测试结果作为参标,计算这两种方法测定的纵向导热系数与稳态法的相对偏差,结果如图4所示。


图4 稳态法、TCA 3DP法和Hot Disk法测得的纵向导热系数及其它们间的相对偏差


可以看出,TCA 3DP法测得的结果与稳态法更为接近,相对偏差在4% ~ 11.5%之间,而Hot Disk法测得的结果与稳态法差别较大,相对偏差在61.5% ~ 122.7%之间。因此,我们可以得出结论:相比于Hot Disk法,TCA 3DP法测得的导热系数更为准确

通过上述实验结果的对比发现,Hot Disk方法测试软包锂离子电池导热系数,除了实验重复性相对较差外,测试结果也存在着一定的系统误差。重复性不佳可能是接触热阻带来的问题。软包锂离子电池表面并不是理想平整的,且铝塑膜具有一定的形变能力(如图5a所示),所以Hot Disk探头与电池表面的贴合状态受操作手法与探头位置影响,从而导致了每次试验接触热阻之间的差异,降低了实验重复性。


图5 Hot Disk法测试的接触热阻(a)和仅能反映样品局部特征(b)的问题示意图


Hot Disk测试结果的系统误差可能由于Hot Disk探头集成了加热和测温的功能,使得加热和测温都在电池的同一侧(如图5b所示),所以实验所测得的数据只能反映试样局部的热物性特征,从而导致测试结果的偏差。



结论

使用TCA 3DP方法的3D热物性分析仪可以准确、高效且便捷地测定软包锂电池的面向与纵向导热系数,可以为动力电池开发过程中的电池热管理与安全设计提供可靠的基础热物性数据支撑。



参考文献

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[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] 余开科, 等. 基于脉冲涡流热成像的面内方向热扩散率测量[J]. 计量学报, 2019, 40, 1030-1036.