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锂离子电池JR各向导热系数的测量与计算方法主讲人：宋兆普目录1.背景说明2.电芯内部结构3.极片法向和水平方向导热系数测量方法4.隔离膜导热系数测量方法5.JR法向与水平方向导热系数测量方法6.误差与修正7.BOL电芯与EOL电芯极片各向导热系数的差别一．背景说明1、动力电池热管理与安全是电池系统集成中的核心技术，热管理系统的优劣能直接影响电池系统的动力性、寿命和整包安全；2、优秀的热管理系统在设计时，离不开仿真分析，利用软件分析的手段，可以有效减少热管理系统设计的时间，降低设计风险，降低后期试验出现问题的概率等等，仿真分析可以显著提高热管理系统设计效率；3、准确的物性输入，是进行准确的仿真的前提条件；对于动力电池热管理系统设计中经常用到的温度场仿真，就需要一个准确的电芯JR的热物性参数输入；4、热物性包括：密度，比热容，各向导热系数（或热扩散系数），接触热阻等；5、本材料仅讲解如何测量与计算电芯JR的各向导热系数；6、随着电芯技术和产品不断更新，笔者发现旧有的经验数据准确程度越来越低，需要更新参数数据库，且不同供应商的电芯产品，其参数存在差别。7、BOL电芯与EOL电芯在热物性上存在差异，因此，为了保证热管理系统在电芯寿命末期各项性能劣化时仍然满足要求，也需要准确测量EOL状态时的电芯热物性参数；二．常见电芯JR结构说明方形电芯卷绕式JR圆柱电芯卷绕式JR叠片式JR电芯的法向结构与卷绕式JR方形电芯基本相同，差别在于叠片为正极/隔离膜/负极/隔离膜形式堆叠而成，没有卷绕边；卷绕工艺简单成熟，适合大批量生产；目前国内还是以卷绕为主；JR示意图三．极片法向导热系数测量方法•稳态法测量原理：一维傅里叶导热定律AQd利用稳态法测量极片法向导热系数的试验装置有两种，示意图分别如下：使用时请注意：厚度d≤1/10最短边长度；恒温冷板均温要求为温差≤0.2℃；为了避免边缘漏热影响测试准确性，建议采集样品中心处温度值；多层极片堆叠模式，推荐使用稳态法测试法向导热系数；123456789湿润的极片湿润的极片Fig3.2123456湿润的极片加热装置Fig3.1补偿加热三．极片法向和水平方向导热系数测量方法瞬态法：激光闪射法，（笔者使用的仪器为耐驰LFA447）1、首先利用精密天平测量出极片的压实密度；2、利用差式扫描量热仪（DSC）测量极片的比热容；3、利用千分尺，测量极片的平均厚度；4、利用激光闪射法，分别测量极片法向和水平方向的热扩散系数α；5、利用数学模型拟合（Cowan模型），得出极片法向和水平方向的导热系数；使用时请注意：激光闪射法适合测量单层极片法向和水平方向导热系数测量；单层极片测试推荐使用激光闪射法；因为单层极片厚度很薄，且实际为3层复合材料；多层极片堆叠（比如两层甚至更多）后，由于极片压紧力在JR内与测试夹具下不同，得到的测试结果精度无法保证；四．隔离膜导热系数测量与计算1.隔离膜孔隙率固定，微观结构为海绵状多孔材料；2.隔离膜无法用DSC准确测量比热，故无法使用激光闪射法测量导热系数；3.隔离膜在电芯JR内部，充满电解液状态时应为各向导热系数相同；基于以上3点原因，隔离膜可用充满电解液的状态测量其法向导热系数，采用稳态法测试，并将法向测量结果视为其各向导热系数；隔离膜的法向导热系数测试方法，可以参考Fig3.2；测试时请注意以下事项：•隔离膜需要充分被电解液润湿；•测试样品尽量不要有多余电解液，可采用铝塑膜封装并多次抽空，多次封装的方法减少测试样品中的电解液；五．JR法向导热系数直接测量方法•JR法向导热系数其实可用考虑使用直接测量的办法1.JR本身可以视为整体；2.利用稳态法测量原理和Fig3.2；可以直接测量JR法向导热系数；3.直接测量出的JR法向方向的导热系数可与理论计算值对比，检查理论计算中忽略的各层之间接触热阻导致的误差大小；4.利用第3步得到的误差，可以提高JR水平方向导热系数的计算结果准确程度；123456789JRJRFig3.2五．JR法向与水平导热系数计算方法d1d3d2cathodeanoded2separatorseparatorK1K2K3K(normaldirection)K2六．JR法向导热系数计算与修正•笔者2013年的测试结果和精度如下：六．JR水平方向导热系数计算与修正•笔者2013年的测试结果和精度如下：计算结果已经考虑了各层法向导热系数测试时的误差；JR水平方向导热系数目前笔者只有计算结果，没有测量结果，因为很难准确测量；代号15g电解液测试结果27g电解液测试结果导热系数1导热系数2导热系数1导热系数2A：CCG-3阴极0.950.961.391.42B：CAG-3阳极0.520.530.760.77C1：NA20隔离膜0.220.210.320.32D：A+B+C10.490.500.540.55E：LFP0.440.440.971.01F：AGP0.390.411.051.04C2：NA20隔离膜0.220.220.310.34G：E+F+C20.540.550.600.62本文仅介绍笔者在2013年的测试结果：模拟BOL与EOL电芯JR法向导热系数差别电解液E66C密度1.2g/cm³，此款样品完全润湿需要电解液量约为19g；电解液15g时为理论含量的79%，模拟电芯在EOL电解液干涸状态；电解液27g时为理论含量的100%，模拟电芯BOL充满电解液状态；七．BOL电芯与EOL电芯各向导热系数的差别