测量电池的热导率

电池是一种能量存储解决方案，广泛应用于众多消费和工业领域。

随着消费者对环保、可持续交通选择的需求不断增加，电动汽车的性能日益受到重视。与此同时，由于消费者对性能的要求不断提高，便携式电子设备对功耗的需求也越来越大。电池利用了发生在电化学电池中的电化学氧化还原（有时称为 “氧化还原”）反应：

图1. 电化学电池示意图

图2. 电动汽车用锂离子电池

一个简单的电化学电池由两个电极组成，分别称为阴极和阳极，它们在不同的电解质溶液中相互隔开。阴离子可以通过盐桥在两种溶液之间流动，并且电极与电压表相连以测定电势。如果将多个电池串联起来，就形成了一个电池组。通过改变电池的数量或阴阳离子的种类，可以使电池组适用于不同的应用场景。

为什么热导率对电池及其组件很重要？

人们正在投入大量研究，以提高电池系统的能量密度、存储容量和循环速度。然而，提高能量密度、存储容量和循环速度会带来一个后果：产生更多、更快的废热。

图3. 因热管理不佳导致的电池膨胀

这在容易出现热失控问题的电池系统中可能会构成危险，典型的包括锂离子电池，还有铅酸电池和镍镉电池等。热失控已引发多起重大事故，如联合包裹服务公司（UPS）6 号航班坠毁、波音 787 梦想客机起火报道，以及滑板车和手机等娱乐设备自燃，有时甚至是在使用过程中起火。因此，管理和降低这些系统中的热失控风险是安全方面的首要任务。

然而，即使热管理不善的后果没有那么灾难性，也会产生一定代价：电池材料老化通常会导致使用寿命缩短、循环效率降低和存储容量下降，而过热和不良的热管理会加速这种老化。因此，从安全和性能两个角度来看，深入了解电池循环过程中的热物理因素以及涉及的热危害，对于合理、系统地设计有效的热管理系统至关重要。

如何测量电池的热导率？

为了了解能从电池中传递走多少热量，需要对电池结构的基本传热特性有所了解。热导率测量能提供这方面的认知。C-Therm Trident 提供了 MTPS（瞬态平面热源法），只需一个样品，就能快速、轻松地表征候选材料和电解质溶液。Trident 的 TPS 薄膜模块可对固相电解质和盐桥材料进行表征。

这种认知也可从多种技术手段中获益-采用热重分析（TGA）和量热技术来了解热稳定性、热容以及反应热，将有助于测量产生的热量以及材料升温的速度。

图4. Trident 能够使用瞬态平面热源法（MTPS）、瞬态平面热源法（TPS）和针探头法测量热导率

其他热导率测量技术存在速度慢、样品制备困难，以及因模型输入导致的精度限制等问题，而 C - Therm TCi 的优势在于，它以巧妙的方法解决了这一公认的测量难题。C - Therm TCi 帮助客户快速筛选热电材料的制造工艺。C - Therm 的产品支持堪称世界一流。无论是支持现有平台，还是通过薄膜模块等技术进步扩展系统功能，C - Therm 都是值得信赖的。

案例亮点一

使用被动热管理系统（相变材料）防止热失控

锂离子电池已成为日常生活的必需品：从手机、笔记本电脑、自行车，到快速发展的电动汽车行业。然而，热失控仍然是一个安全隐患。热失控可能由过度充电、过热或机械损坏引起，并且常常导致火势在整个电池中蔓延。使用相变材料（PCM）作为热管理的间隙填充材料已得到研究。

实验

PCM 的导热系数是使用 C-Therm 的改进瞬态平面源传感器测量的。研究发现，它的导热系数为 20 W/mK，而灌封胶和空气的导热系数分别为 2.5 和 0.024 W/mK。这样，使用钉子穿透就引发了热失控。

结果与结论

图5. 热失控后：没有 PCM（a-c），带 PCM（d-f）

研究发现，相变材料（PCMs）在热失控发生后能降低相邻电池的温度。在未发生短路时，没有相变材料隔热的电池温度达到 189℃ ，而有相变材料时为 109℃ 。同时，当短路确实发生时，没有相变材料的测试会完全蔓延成剧烈燃烧。然而，有相变材料时，通过将热量从电池传导出去，可防止火势蔓延，使相邻的燃料电池温度保持在 120℃ 以下。

该实验是使用 C-Therm 的改进瞬态平面源传感器进行的。 

案例亮点二

电池热管理系统测试（相变材料与主动冷却）

商用锂离子电池由于安全性、与循环寿命相关的成本、低温性能以及电池中的热效应（过充可能导致爆炸）而存在障碍。人们正在探索更好的电池热管理系统（BTMS），包括主动冷却（风扇和液体）和被动冷却（相变材料（PCM））。研究了使用碳基纳米颗粒提高这些 PCM 的热导率。

实验

使用 C-Therm 公司的改良型瞬态平面源传感器对电池用相变材料的热导率增强进行了研究。对纯蜡、添加 5% 和添加 10% 的样品在相变前后（固态和液态）进行了测试。

图6. 相变材料样品的导热率与纳米颗粒质量分数和温度的关系

结果与结论

观察到热导率显著增加，从 0.25 W/mK提高到高达 2.75 W/mK。使用厚度为 2 mm、重量负载分别为 5% 和 10% 的相变材料（PCM）层，与纯石蜡相比，能使电池温度分别降低 1.2℃和 1.9℃。

图7. 驱动循环结束时，3 mm 厚纯蜡（左）和 1 mm wt% NePCM（右）模块中的温度分布

该实验是使用C-Therm 的改进瞬态平面源传感器进行的。