作為驅動能源革命的重要力量,鋰離子電池因自身的優勢迅速成為了電動汽車、便攜式電子設備等的主要儲能介質。
然而鋰電池的進一步發展仍面臨多重挑戰,除去基本的成本等經濟因素外,熱安全性是鋰電池飽受詰難的問題之一。在動力電池的系統集成開發過程中,電池的熱管理與安全防護是其設計核心。
優秀的鋰電池檢測儀器在設計時,離不開仿真軟件的模擬和分析,而進行精確仿真的前提條件則是能夠輸入準確的電池熱物性參數,這其中包括電池的密度、比熱容、接觸熱阻和導熱系數(或熱擴散系數)等。其中導熱系數是最重要的熱物性參數之一。
對于硬殼電池的導熱系數,目前業內大多使用經驗值或原理模型進行估計。而軟包電池導熱系數的測試則存在一些可行的方法,可分為穩態法和非穩態法。
穩態法作為一種傳統方法,對樣品導熱系數的測定結果相對準確。但是該方法對樣品尺寸要求較高、只能得到縱向導熱系數且測試時間較長。而非穩態法測試時間短,但是測試準確性不如穩態法。
非穩態法主要包括熱線法、閃光法和Hot Disk法,其中熱線法和閃光法不匹配鋰電池測試的應用場景,而Hot Disk法則已在行業內被廣泛使用。
解決方案
為了解決Hot Disk法的諸多問題,開發了基于紅外熱像儀測溫與三維數據反演技術的3D熱物性分析儀。該設備通過柔性電熱片對軟包鋰電池底部施加脈沖激勵,在電池一側利用紅外熱像儀進行非接觸測溫,并通過數據反演計算得出電池的縱向與面向導熱系數。
此外,為了驗證TCA 3DP和Hot Disk兩種方法的準確性,我們以穩態法的測試結果作為參標,計算這兩種方法測定的縱向導熱系數與穩態法的相對偏差,結果如圖所示。
可以看出,TCA 3DP法測得的結果與穩態法更為接近,相對偏差在4% ~ 11.5%之間,而Hot Disk法測得的結果與穩態法差別較大,相對偏差在61.5% ~ 122.7%之間。因此,我們可以得出結論相比于Hot Disk法,TCA 3DP法測得的導熱系數更為準確。
通過上述實驗結果的對比發現,Hot Disk方法測試軟包鋰離子電池導熱系數,除了實驗重復性相對較差外,測試結果也存在著一定的系統誤差。
重復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6a所示),所以Hot Disk探頭與電池表面的貼合狀態受操作手法與探頭位置影響,從而導致了每次試驗接觸熱阻之間的差異,降低了實驗重復性。
對于TCA 3DP法,由于其熱激勵采用的是柔性電加熱膜,所以加熱源和試樣貼合較為緊密,大程度上消除了接觸熱阻的影響。
Hot Disk測試結果的系統誤差可能由于Hot Disk探頭集成了加熱和測溫的功能,使得加熱和測溫都在電池的同一側(如圖6b所示),所以實驗所測得的數據只能反映試樣局部的熱物性特征,從而導致測試結果的偏差。