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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)計與開發(fā)過程中，熱仿真是主要的輔助開發(fā)手段及驗證工具。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。
實驗部分
1. 樣品準(zhǔn)備
樣品：NCM軟包鋰電池(65Ah，100%SOC)
2. 實驗條件
實驗儀器：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
實驗溫度：5℃、10℃、20℃、30℃
圖1 (a) TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀；(b) 實驗用軟包電池樣品；(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)實驗參數(shù)后啟動測試。儀器自動控溫至預(yù)設(shè)溫度，并在電池溫度穩(wěn)定后自動執(zhí)行電池?zé)峒睢⑷S熱數(shù)據(jù)反演和數(shù)據(jù)校驗等過程，隨后軟件上直接給出電池面向?qū)嵯禂?shù)kx和縱向?qū)嵯禂?shù)ky。為消除偶然誤差，每個溫度點進(jìn)行4次平行實驗。
實驗結(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
溫度/℃ | 5 | 10 | 20 | 30 |
比熱容J/(℃*kg) | 1049.61 | 1084.25 | 1139.12 | 1180.20 |
2. 導(dǎo)熱系數(shù)
實驗測得的導(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
溫度(℃) | 組別 | kx (W·m-1·K-1) | ky (W·m-1·K-1) |
5 | 1 | 24.43 | 1.17 |
2 | 21.05 | 1.23 | |
3 | 21.69 | 1.18 | |
4 | 22.12 | 1.22 | |
10 | 1 | 22.04 | 1.27 |
2 | 23.62 | 1.24 | |
3 | 24.33 | 1.22 | |
4 | 22.71 | 1.27 | |
20 | 1 | 24.03 | 1.27 |
2 | 23.55 | 1.26 | |
3 | 24.75 | 1.27 | |
4 | 23.10 | 1.27 | |
30 | 1 | 24.88 | 1.30 |
2 | 22.99 | 1.30 | |
3 | 25.12 | 1.39 | |
4 | 24.39 | 1.26 |
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次實驗kx和ky的相對標(biāo)準(zhǔn)差均控制在4%以內(nèi)。同時，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。
參考資料
[1]崔喜風(fēng),張紅亮,龔陽,李劼,楊建紅,李旺興.方形硬殼鋰離子動力電池的熱物性參數(shù)[J].中國有色金屬學(xué)報,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驗研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報,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.
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