鋰離子電池極片和JR各向?qū)嵯禂?shù)測(cè)量計(jì)算方法

1、鋰離子電池JR各向?qū)嵯禂?shù)的測(cè)量與計(jì)算方法主講人：宋兆普目錄 1. 背景說明2. 電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)3. 極片法向和水平方向?qū)嵯禂?shù)測(cè)量方法4. 隔離膜導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法5. JR法向與水平方向?qū)嵯禂?shù)測(cè)量方法6. 誤差與修正7. BOL電芯與EOL電芯極片各向?qū)嵯禂?shù)的差別 一 背景說明1、動(dòng)力電池?zé)峁芾砼c安全是電池系統(tǒng)集成中的核心技術(shù)，熱管理系統(tǒng)的優(yōu)劣能直接影響電池系統(tǒng)的動(dòng)力性、壽命和整包安全；2、優(yōu)秀的熱管理系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，離不開仿真分析，利用軟件分析的手段，可以有效減少熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)間，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，降低后期試驗(yàn)出現(xiàn)問題的概率等等，仿真分析可以顯著提高熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率；3、準(zhǔn)確的物性輸入，

2、是進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真的前提條件；對(duì)于動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的溫度場(chǎng)仿真，就需要一個(gè)準(zhǔn)確的電芯JR的熱物性參數(shù)輸入；4、熱物性包括：密度，比熱容，各向?qū)嵯禂?shù)（或熱擴(kuò)散系數(shù)），接觸熱阻等；5、本材料僅講解如何測(cè)量與計(jì)算電芯JR的各向?qū)嵯禂?shù)；6、隨著電芯技術(shù)和產(chǎn)品不斷更新，筆者發(fā)現(xiàn)舊有的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確程度越來越低，需要更新參數(shù)數(shù)據(jù)庫，且不同供應(yīng)商的電芯產(chǎn)品，其參數(shù)存在差別。7、BOL電芯與EOL電芯在熱物性上存在差異，因此，為了保證熱管理系統(tǒng)在電芯壽命末期各項(xiàng)性能劣化時(shí)仍然滿足要求，也需要準(zhǔn)確測(cè)量EOL狀態(tài)時(shí)的電芯熱物性參數(shù)；二 常見電芯JR結(jié)構(gòu)說明方形電芯卷繞式JR圓柱電芯卷繞式JR疊片式

3、JR電芯的法向結(jié)構(gòu)與卷繞式JR方形電芯基本相同，差別在于疊片為正極/隔離膜/負(fù)極/ 隔離膜形式堆疊而成，沒有卷繞邊；卷繞工藝簡(jiǎn)單成熟，適合大批量生產(chǎn)；目前國內(nèi)還是以卷繞為主；JR示意圖三 極片法向?qū)嵯禂?shù)測(cè)量方法穩(wěn)態(tài)法測(cè)量原理：一維傅里葉導(dǎo)熱定律AQd利用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量極片法向?qū)嵯禂?shù)的試驗(yàn)裝置有兩種，示意圖分別如下：使用時(shí)請(qǐng)注意：厚度d1/10最短邊長度；恒溫冷板均溫要求為溫差0.2；為了避免邊緣漏熱影響測(cè)試準(zhǔn)確性，建議采集樣品中心處溫度值；多層極片堆疊模式，推薦使用穩(wěn)態(tài)法測(cè)試法向?qū)嵯禂?shù)；123456789濕潤的極片濕潤的極片F(xiàn)ig3.2123456濕潤的極片F(xiàn)ig3.1三 極片法向和水平方向

4、導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法瞬態(tài)法：激光閃射法，（筆者使用的儀器為耐馳LFA447）1、首先利用精密天平測(cè)量出極片的壓實(shí)密度；2、利用差式掃描量熱儀（DSC）測(cè)量極片的比熱容；3、利用千分尺，測(cè)量極片的平均厚度；4、利用激光閃射法，分別測(cè)量極片法向和水平方向的熱擴(kuò)散系數(shù)；5、利用數(shù)學(xué)模型擬合（Cowan模型），得出極片法向和水平方向的導(dǎo)熱系數(shù)；使用時(shí)請(qǐng)注意：激光閃射法適合測(cè)量單層極片法向和水平方向?qū)嵯禂?shù)測(cè)量；單層極片測(cè)試推薦使用激光閃射法；因?yàn)閱螌訕O片厚度很薄，且實(shí)際為3層復(fù)合材料；多層極片堆疊（比如兩層甚至更多）后，由于極片壓緊力在JR內(nèi)與測(cè)試夾具下不同，得到的測(cè)試結(jié)果精度無法保證；四 隔離膜導(dǎo)熱系數(shù)

5、測(cè)量與計(jì)算1.隔離膜孔隙率固定，微觀結(jié)構(gòu)為海綿狀多孔材料；2.隔離膜無法用DSC準(zhǔn)確測(cè)量比熱，故無法使用激光閃射法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)；3.隔離膜在電芯JR內(nèi)部，充滿電解液狀態(tài)時(shí)應(yīng)為各向?qū)嵯禂?shù)相同；基于以上3點(diǎn)原因，隔離膜可用充滿電解液的狀態(tài)測(cè)量其法向?qū)嵯禂?shù)，采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)試，并將法向測(cè)量結(jié)果視為其各向?qū)嵯禂?shù)；隔離膜的法向?qū)嵯禂?shù)測(cè)試方法，可以參考Fig3.2；測(cè)試時(shí)請(qǐng)注意以下事項(xiàng)：隔離膜需要充分被電解液潤濕；測(cè)試樣品盡量不要有多余電解液，可采用鋁塑膜封裝并多次抽空，多次封裝的方法減少測(cè)試樣品中的電解液；五 JR法向?qū)嵯禂?shù)直接測(cè)量方法JR法向?qū)嵯禂?shù)其實(shí)可用考慮使用直接測(cè)量的辦法1.JR本身可以

6、視為整體；2.利用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量原理和Fig3.2；可以直接測(cè)量JR法向?qū)嵯禂?shù)；3.直接測(cè)量出的JR法向方向的導(dǎo)熱系數(shù)可與理論計(jì)算值對(duì)比，檢查理論計(jì)算中忽略的各層之間接觸熱阻導(dǎo)致的誤差大??；4.利用第3步得到的誤差，可以提高JR水平方向?qū)嵯禂?shù)的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確程度；123456789JRJRFig3.2五 JR法向與水平導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法d1d3d2cathodeanoded2separatorseparatorK1K2K3K(normal direction)K2六 JR法向?qū)嵯禂?shù)計(jì)算與修正筆者2013年的測(cè)試結(jié)果和精度如下：六 JR水平方向?qū)嵯禂?shù)計(jì)算與修正筆者2013年的測(cè)試結(jié)果和精度如下：

7、計(jì)算結(jié)果已經(jīng)考慮了各層法向?qū)嵯禂?shù)測(cè)試時(shí)的誤差；JR水平方向?qū)嵯禂?shù)目前筆者只有計(jì)算結(jié)果，沒有測(cè)量結(jié)果，因?yàn)楹茈y準(zhǔn)確測(cè)量；代號(hào)15g電解液測(cè)試結(jié)果27g電解液測(cè)試結(jié)果導(dǎo)熱系數(shù)1導(dǎo)熱系數(shù)2導(dǎo)熱系數(shù)1導(dǎo)熱系數(shù)2A：CCG-3 陰極0.95 0.96 1.39 1.42 B：CAG-3 陽極0.52 0.53 0.760.77 C1：NA20隔離膜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隔離膜0.22 0.22 0.31 0.34 G：E+F+C20.540.55 0.60 0.62本文僅介紹筆者在2013年的測(cè)試結(jié)果：模擬BOL與EOL電芯JR法向?qū)嵯禂?shù)差別電解液E66C密度1.