自从20世纪70年代早期首次发现锂离子电池以来,几乎没有人会想到,这种可充电电池在接下来的几十年里会经历巨大的发展。今天,锂离子电池被广泛应用于人类社会,从便携式电子产品如笔记本电脑和移动电话到重型电动汽车,它为一切事物提供电力。因此,2019年诺贝尔化学奖被授予三位科学家,John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham和Akira Yoshino,以表彰他们在开发有影响力和非常有用的锂离子电池方面的工作。

锂离子电池之所以受到人们的关注,不仅仅是因为它们的形状多样,适合各种应用,如图1所示,它们比传统电池具有更高的能量密度和更长的生命周期(充放电)。但是,锂离子电池需要考虑的一个重要因素是,锂离子电池在运行时会产生热量,运行温度过高(超过55℃)会加速电池老化,缩短电池寿命。因此,寻求一种有效的热管理系统(TMS)是必要的,以保证电池可以在期望的温度范围内运行,并保持不同电池间尽可能小的温差。

图1, 四种锂离子电池的不同形状

 

为了设计一个合适的TMS,确认由电池内部堆叠结构引起的方向性导热系数和热扩散系数是非常重要的。Hot Disk仪器提供了一种独特的方法,使用各向异性模块快速和准确地测量这些特性,这是其他技术无法通过单一测试定量的。

自1998年以来,Hot Disk AB已经提供了大量用于锂离子电池测试的TPS系统。在1998年到2005年的早期,大多数样品由干层(电极和膜)组成,然后被堆叠成类似于锂离子电池最终结构的装置,如图2所示。从通常显示平面内形状的堆叠设置中,我们的仪器和探头可以获得平面内(与堆叠层平行)和平面间(垂直于堆叠层)的导热系数结果。有时,我们也能为生产圆柱形电池的客户测试一种卷叠结构,其中电池轴向表现出高导热系数,而电池径向表现出低导热系数。通常,堆叠结构的结果大约是平面内约10 - 50w /mK,平面间约0.3 – 0.5 W/mK。

对于2006年以来进行的最新测试,我们的大多数案例都与最终

装的软包锂离子电池有关。在这种组装结构中,我们通常可以在平面内和平面间观察到更高的导热系数。在客户设施的演示测试中,我们记录的值在平面内最高可达160 W/mK,通过平面最高可达8 W/mK。目前的趋势清楚地表明,制造商已经在改善锂离子电池结构的导热性方面做了大量的工作。在最近进行了一些研究项目中,科学家们使用Hot Disk技术来分析这些增强电池的导热性能2 3 4.

 

图2,电池内部的各向异性结构

 

在表格1中,我们列出了一些测量软包电池的例子,这些电池目前由中国不同的制造商生产,用于电动汽车。这些测量是由我们凯戈纳斯仪器商贸(上海)有限公司的同事完成的,他们建立了一个标准流程来测试软包电池的各向异性导热特性。我们希望人们能从下表中了解现代锂离子电池的导热特性以及相关的测量数据。然而,值得注意的是,对于平面间导热系数来说,机械压力,表面粗糙度和/或其他化学溶液,将强烈影响层之间的热接触热阻。这又将直接影响垂直平面方向的有效导热系数。

 

表格1 不同软包电池使用Hot Disk各向异性模块测试导热特性的结果。探头为Hot Disk 4922型号,加热功率1W,测量时间10-20秒。

 

尺寸

[l*w*h,mm3]

pCp

[MJ/m3K]

平面间λ

[W/mK]

平面间κ

[mm2/s]

平面内λ

[W/mK]

平面内κ

[mm2/s]

212*113*9

2.36

1.0279 0.4356 16.394 6.9468
69*47*4.65 2.71 1.4794 0.5465 17.844 6.5918
325*100*12 2.55 1.5142 0.5938 17.826 6.9905
273*97*11 2.61 1.0186 0.3903 21.710 8.3189
144*80*12 2.51 0.8857 0.3529 18.889 7.5253
120*105*11 2.54 1.4467 0.5696 20.060 7.8976
120*105*9.4 2.68 1.3121 0.4896 18.386 6.8313
270*97*9.4 2.44 1.5852 0.6497 16.837 6.9003
313*101*7.3 2.41 0.6615 0.2745 40.685 16.882

 

有时客户对不同温度间隔下的软包电池测量感兴趣。图3和图4显示了Hot Disk各向异性模块测量的从室温到80℃的高温之间的特定软包电池的导热特性曲线。

 

图3 特定软包电池随着样品温度变化表现出的平面间导热系数(左y轴,灰色)和热扩散系数(右y轴,红色)曲线。

图4 特定软包电池随着样品温度变化表现出的平面内导热系数(左y轴,灰色)和热扩散系数(右y轴,红色)曲线。

 

总而言之,具有各向异性模块的Hot Disk系统为现代电池——特别是软包电池——的研发提供了一个极好的工具,前提是被测电池的体积热容量是已知的,或者可以通过其他方法确定。作为我们对客户承诺的一部分,Hot Disk公司会不断努力开发一个大型的Cp装置来测量不同尺寸的电池的比热,并设计一种合适的方法来测量带金属外壳的棱柱形电池。请继续关注!

 

有关仪器和测试服务的更多信息,请联系: gavin.li@k-analys.com或者 info@hotdisk.se

 

参考文献:

  1. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/summary/↩︎
  2. B. Koo, P. Goli, A. Sumant, P. Ceilia, T. Rajh, C. S. Johnson, A. A. Balandin, E. V. Shevchenko, Toward Lithium Ion Batteries with Enhanced Thermal Conductivity. American Chemistry Society (ACS) Nano. 8(7): 7202–7207.↩︎
  3. P. Goli, S. Legedza, A. Dhar, R. Salgado, J. Renteria, A. A. Balandin, Graphene-enhanced hybrid phase change materials for thermal management of Li-ion batteries. Journal of Power Sources 248 (2014) 37-43.↩︎
  4. Y. Xie, J. Tang, S. Shi, Y. Xing, H. Wu, Z. Hu, D. Wen, Experimental and numerical investigation on integrated thermal management for lithium-ion battery pack with composite phase change materials, Energy Conversion and Management 154 (2017) 562-575.↩︎