锂离子电池极片和JR各向导热系数测量计算方法

1、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，

2、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

3、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d1/10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Fig3.1三 极片法向和水平方向

4、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；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

5、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

6、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(normal direction)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：

7、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0.95 0.96 1.39 1.42 B：CAG-3 阳极0.52 0.53 0.760.77 C1：NA20隔离膜0.22 0.21 0.32 0.32 D：A+B+C10.49 0.50 0.54 0.55 E：LFP0.44 0.44 0.97 1.01 F：AGP0.39 0.41 1.05 1.04 C2：NA20隔离膜0.22 0.22 0.31 0.34 G：E+F+C20.540.55 0.60 0.62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.