測(cè)量電池的熱導(dǎo)率

電池是一種能量存儲(chǔ)解決方案，廣泛應(yīng)用于眾多消費(fèi)和工業(yè)領(lǐng)域。

隨著消費(fèi)者對(duì)環(huán)保、可持續(xù)交通選擇的需求不斷增加，電動(dòng)汽車的性能日益受到重視。與此同時(shí)，由于消費(fèi)者對(duì)性能的要求不斷提高，便攜式電子設(shè)備對(duì)功耗的需求也越來越大。電池利用了發(fā)生在電化學(xué)電池中的電化學(xué)氧化還原（有時(shí)稱為 “氧化還原”）反應(yīng)：

圖1. 電化學(xué)電池示意圖

圖2. 電動(dòng)汽車用鋰離子電池

一個(gè)簡(jiǎn)單的電化學(xué)電池由兩個(gè)電極組成，分別稱為陰極和陽極，它們?cè)诓煌碾娊赓|(zhì)溶液中相互隔開。陰離子可以通過鹽橋在兩種溶液之間流動(dòng)，并且電極與電壓表相連以測(cè)定電勢(shì)。如果將多個(gè)電池串聯(lián)起來，就形成了一個(gè)電池組。通過改變電池的數(shù)量或陰陽離子的種類，可以使電池組適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

為什么熱導(dǎo)率對(duì)電池及其組件很重要？

人們正在投入大量研究，以提高電池系統(tǒng)的能量密度、存儲(chǔ)容量和循環(huán)速度。然而，提高能量密度、存儲(chǔ)容量和循環(huán)速度會(huì)帶來一個(gè)后果：產(chǎn)生更多、更快的廢熱。

圖3. 因熱管理不佳導(dǎo)致的電池膨脹

這在容易出現(xiàn)熱失控問題的電池系統(tǒng)中可能會(huì)構(gòu)成危險(xiǎn)，典型的包括鋰離子電池，還有鉛酸電池和鎳鎘電池等。熱失控已引發(fā)多起重大事故，如聯(lián)合包裹服務(wù)公司（UPS）6 號(hào)航班墜毀、波音 787 夢(mèng)想客機(jī)起火報(bào)道，以及滑板車和手機(jī)等娛樂設(shè)備自燃，有時(shí)甚至是在使用過程中起火。因此，管理和降低這些系統(tǒng)中的熱失控風(fēng)險(xiǎn)是安全方面的首要任務(wù)。

然而，即使熱管理不善的后果沒有那么災(zāi)難性，也會(huì)產(chǎn)生一定代價(jià)：電池材料老化通常會(huì)導(dǎo)致使用壽命縮短、循環(huán)效率降低和存儲(chǔ)容量下降，而過熱和不良的熱管理會(huì)加速這種老化。因此，從安全和性能兩個(gè)角度來看，深入了解電池循環(huán)過程中的熱物理因素以及涉及的熱危害，對(duì)于合理、系統(tǒng)地設(shè)計(jì)有效的熱管理系統(tǒng)至關(guān)重要。

如何測(cè)量電池的熱導(dǎo)率？

為了了解能從電池中傳遞走多少熱量，需要對(duì)電池結(jié)構(gòu)的基本傳熱特性有所了解。熱導(dǎo)率測(cè)量能提供這方面的認(rèn)知。C-Therm Trident 提供了 MTPS（瞬態(tài)平面熱源法），只需一個(gè)樣品，就能快速、輕松地表征候選材料和電解質(zhì)溶液。Trident 的 TPS 薄膜模塊可對(duì)固相電解質(zhì)和鹽橋材料進(jìn)行表征。

這種認(rèn)知也可從多種技術(shù)手段中獲益-采用熱重分析（TGA）和量熱技術(shù)來了解熱穩(wěn)定性、熱容以及反應(yīng)熱，將有助于測(cè)量產(chǎn)生的熱量以及材料升溫的速度。

圖4. Trident 能夠使用瞬態(tài)平面熱源法（MTPS）、瞬態(tài)平面熱源法（TPS）和針探頭法測(cè)量熱導(dǎo)率

其他熱導(dǎo)率測(cè)量技術(shù)存在速度慢、樣品制備困難，以及因模型輸入導(dǎo)致的精度限制等問題，而 C - Therm TCi 的優(yōu)勢(shì)在于，它以巧妙的方法解決了這一公認(rèn)的測(cè)量難題。C - Therm TCi 幫助客戶快速篩選熱電材料的制造工藝。C - Therm 的產(chǎn)品支持堪稱世界一流。無論是支持現(xiàn)有平臺(tái)，還是通過薄膜模塊等技術(shù)進(jìn)步擴(kuò)展系統(tǒng)功能，C - Therm 都是值得信賴的。

案例亮點(diǎn)一

使用被動(dòng)熱管理系統(tǒng)（相變材料）防止熱失控

鋰離子電池已成為日常生活的必需品：從手機(jī)、筆記本電腦、自行車，到快速發(fā)展的電動(dòng)汽車行業(yè)。然而，熱失控仍然是一個(gè)安全隱患。熱失控可能由過度充電、過熱或機(jī)械損壞引起，并且常常導(dǎo)致火勢(shì)在整個(gè)電池中蔓延。使用相變材料（PCM）作為熱管理的間隙填充材料已得到研究。

實(shí)驗(yàn)

PCM 的導(dǎo)熱系數(shù)是使用 C-Therm 的改進(jìn)瞬態(tài)平面源傳感器測(cè)量的。研究發(fā)現(xiàn)，它的導(dǎo)熱系數(shù)為 20 W/mK，而灌封膠和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)分別為 2.5 和 0.024 W/mK。這樣，使用釘子穿透就引發(fā)了熱失控。

結(jié)果與結(jié)論

圖5. 熱失控后：沒有 PCM（a-c），帶 PCM（d-f）

研究發(fā)現(xiàn)，相變材料（PCMs）在熱失控發(fā)生后能降低相鄰電池的溫度。在未發(fā)生短路時(shí)，沒有相變材料隔熱的電池溫度達(dá)到 189℃ ，而有相變材料時(shí)為 109℃ 。同時(shí)，當(dāng)短路確實(shí)發(fā)生時(shí)，沒有相變材料的測(cè)試會(huì)完全蔓延成劇烈燃燒。然而，有相變材料時(shí)，通過將熱量從電池傳導(dǎo)出去，可防止火勢(shì)蔓延，使相鄰的燃料電池溫度保持在 120℃ 以下。

該實(shí)驗(yàn)是使用 C-Therm 的改進(jìn)瞬態(tài)平面源傳感器進(jìn)行的。 

案例亮點(diǎn)二

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)測(cè)試（相變材料與主動(dòng)冷卻）

商用鋰離子電池由于安全性、與循環(huán)壽命相關(guān)的成本、低溫性能以及電池中的熱效應(yīng)（過充可能導(dǎo)致爆炸）而存在障礙。人們正在探索更好的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS），包括主動(dòng)冷卻（風(fēng)扇和液體）和被動(dòng)冷卻（相變材料（PCM））。研究了使用碳基納米顆粒提高這些 PCM 的熱導(dǎo)率。

實(shí)驗(yàn)

使用 C-Therm 公司的改良型瞬態(tài)平面源傳感器對(duì)電池用相變材料的熱導(dǎo)率增強(qiáng)進(jìn)行了研究。對(duì)純蠟、添加 5% 和添加 10% 的樣品在相變前后（固態(tài)和液態(tài)）進(jìn)行了測(cè)試。

圖6. 相變材料樣品的導(dǎo)熱率與納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度的關(guān)系

結(jié)果與結(jié)論

觀察到熱導(dǎo)率顯著增加，從 0.25 W/mK提高到高達(dá) 2.75 W/mK。使用厚度為 2 mm、重量負(fù)載分別為 5% 和 10% 的相變材料（PCM）層，與純石蠟相比，能使電池溫度分別降低 1.2℃和 1.9℃。

圖7. 驅(qū)動(dòng)循環(huán)結(jié)束時(shí)，3 mm 厚純蠟（左）和 1 mm wt% NePCM（右）模塊中的溫度分布

該實(shí)驗(yàn)是使用C-Therm 的改進(jìn)瞬態(tài)平面源傳感器進(jìn)行的。