背景介紹

作為驅(qū)動(dòng)能源革命的重要力量，鋰離子電池迅速成為了電動(dòng)汽車、便攜式電子設(shè)備等的主要儲(chǔ)能介質(zhì)。然而鋰電池的進(jìn)一步發(fā)展仍面臨多重挑戰(zhàn)，除去基本的成本等經(jīng)濟(jì)因素外，熱安全性是鋰電池飽受詰難的問題之一。

在動(dòng)力電池的系統(tǒng)集成開發(fā)過程中，電池的熱管理與安全防護(hù)是其設(shè)計(jì)核心。優(yōu)秀的熱管理系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，離不開仿真軟件的模擬和分析，而進(jìn)行精確仿真的前提條件則是能夠輸入準(zhǔn)確的電池?zé)嵛镄詤?shù)，這其中包括電池的密度、比熱容、接觸熱阻和導(dǎo)熱系數(shù)（或熱擴(kuò)散系數(shù)）等。

其中導(dǎo)熱系數(shù)是最重要的熱物性參數(shù)之一。

對(duì)于硬殼電池的導(dǎo)熱系數(shù)，目前業(yè)內(nèi)大多使用經(jīng)驗(yàn)值或原理模型進(jìn)行估計(jì)。而軟包電池導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試則存在一些可行的方法，可分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法作為一種傳統(tǒng)方法，對(duì)樣品導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。但是該方法對(duì)樣品尺寸要求較高、只能得到縱向?qū)嵯禂?shù)且測(cè)試時(shí)間較長。而非穩(wěn)態(tài)法測(cè)試時(shí)間短，但是測(cè)試準(zhǔn)確性不如穩(wěn)態(tài)法。非穩(wěn)態(tài)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(cè)試的應(yīng)用場(chǎng)景，而Hot Disk法則已在行業(yè)內(nèi)被廣泛使用（圖1）。

圖1 穩(wěn)態(tài)法實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和Hot Disk法實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖

然而，根據(jù)行業(yè)內(nèi)人士的普遍反饋，Hot Disk法測(cè)定的導(dǎo)熱系數(shù)存在著實(shí)驗(yàn)重復(fù)性不好、測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確等問題，限制了仿真模型的準(zhǔn)確性和指導(dǎo)意義。

解決方案

為了解決Hot Disk法的諸多問題，杭州泰默檢測(cè)技術(shù)有限公司開發(fā)了基于紅外熱像儀測(cè)溫與三維數(shù)據(jù)反演技術(shù)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(shè)備通過柔性電熱片對(duì)軟包鋰電池底部施加脈沖激勵(lì)，在電池一側(cè)利用紅外熱像儀進(jìn)行非接觸測(cè)溫，并通過數(shù)據(jù)反演計(jì)算得出電池的縱向與面向?qū)嵯禂?shù)。

實(shí)驗(yàn)部分

(i) 試樣準(zhǔn)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(hào)為：1#，2#，3#，4#。

(ii) 測(cè)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(duì)試樣導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量6次。為了對(duì)比和檢驗(yàn)TCA 3DP法和Hot Disk法所測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用穩(wěn)態(tài)法對(duì)試樣的縱向?qū)嵯禂?shù)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣品測(cè)試2次。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3展示了TCA 3DP和Hot Disk兩種方法測(cè)得的軟包鋰離子電池面向和縱向?qū)嵯禂?shù)的測(cè)試結(jié)果。

圖3 TCA 3DP方法和Hot Disk方法測(cè)得的面向（a）和縱向（b）導(dǎo)熱系數(shù)及其6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差

可以看出TCA 3DP法測(cè)得的面向和縱向?qū)嵯禂?shù)數(shù)據(jù)離散程度都較小，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差基本上控制在3%以內(nèi)，說明該方法測(cè)得結(jié)果實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好。而Hot Disk方法測(cè)得的數(shù)據(jù)離散程度較大，例如：3#和4#電池的面向?qū)嵯禂?shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差分別為7.6%和10.2%，縱向?qū)嵯禂?shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差分別為6.5%和14.1%，遠(yuǎn)高于TCA 3DP方法的測(cè)試結(jié)果。這些數(shù)據(jù)表明TCA 3DP方法在實(shí)驗(yàn)重復(fù)性上較Hot Disk方法好很多。

此外，為了驗(yàn)證TCA 3DP和Hot Disk兩種方法的準(zhǔn)確性，我們以穩(wěn)態(tài)法的測(cè)試結(jié)果作為參標(biāo)，計(jì)算這兩種方法測(cè)定的縱向?qū)嵯禂?shù)與穩(wěn)態(tài)法的相對(duì)偏差，結(jié)果如圖4所示。

圖4 穩(wěn)態(tài)法、TCA 3DP法和Hot Disk法測(cè)得的縱向?qū)嵯禂?shù)及其它們間的相對(duì)偏差

可以看出，TCA 3DP法測(cè)得的結(jié)果與穩(wěn)態(tài)法更為接近，相對(duì)偏差在4% ~ 11.5%之間，而Hot Disk法測(cè)得的結(jié)果與穩(wěn)態(tài)法差別較大，相對(duì)偏差在61.5% ~ 122.7%之間。因此，我們可以得出結(jié)論：相比于Hot Disk法，TCA 3DP法測(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)更為準(zhǔn)確。

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Hot Disk方法測(cè)試軟包鋰離子電池導(dǎo)熱系數(shù)，除了實(shí)驗(yàn)重復(fù)性相對(duì)較差外，測(cè)試結(jié)果也存在著一定的系統(tǒng)誤差。重復(fù)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(tài)受操作手法與探頭位置影響，從而導(dǎo)致了每次試驗(yàn)接觸熱阻之間的差異，降低了實(shí)驗(yàn)重復(fù)性。

圖5 Hot Disk法測(cè)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(cè)試結(jié)果的系統(tǒng)誤差可能由于Hot Disk探頭集成了加熱和測(cè)溫的功能，使得加熱和測(cè)溫都在電池的同一側(cè)（如圖5b所示），所以實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)只能反映試樣局部的熱物性特征，從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的偏差。

結(jié)論

使用TCA 3DP方法的3D熱物性分析儀可以準(zhǔn)確、高效且便捷地測(cè)定軟包鋰電池的面向與縱向?qū)嵯禂?shù)，可以為動(dòng)力電池開發(fā)過程中的電池?zé)峁芾砼c安全設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)熱物性數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 奚同庚, 謝華清. 熱物理性質(zhì)測(cè)試技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 上海計(jì)量測(cè)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(nèi)方向熱擴(kuò)散率測(cè)量[J]. 計(jì)量學(xué)報(bào), 2019, 40, 1030-1036.