锂离子电池：概述和重要性

在快速发展的能源存储领域，锂离子（Li-ion）电池已成为不可或缺的能源。它们为我们的智能手机、笔记本电脑和电动汽车提供动力，也是可再生能源系统不可或缺的一部分。试想一下，手持一个光滑的便携式设备，它将充满能量。然而，在其光鲜亮丽的外表下隐藏着一个复杂的热流世界，了解热传导性对于最大限度地提高性能和安全性至关重要。随着对这些电池需求的增长，对有效热管理的需求也在增长。这就是导热性概念（材料的导热能力）变得至关重要的原因。在锂离子电池中，各向异性现象（特性随方向不同而不同）增加了一层复杂性，要优化电池功能并延长其使用寿命，就必须了解这种现象。探索各向异性导热性测试揭示了热量如何在这些电池中移动的秘密，从而提高电池性能并延长其使用寿命。

热量是锂离子电池能量传递过程中的自然副产品，温度必须 "恰到好处"。过热会降低电池性能，加速老化，甚至导致安全隐患。这就是导热性（TC）发挥作用的地方。导热系数是一种材料固有的导热能力，在确保电池内部高效散热方面起着至关重要的作用。

 

了解锂离子电池

锂离子电池是现代技术的支柱，为从智能手机和笔记本电脑到电动汽车和可再生能源存储系统等一切产品提供动力。在充电和放电过程中，锂离子在阳极和阴极之间穿梭，从而为各种应用提供可靠、高效的能源。

 

（电池内部各层的示意图）

 

锂离子电池内部由阳极、阴极、隔膜和电解液等几层组成。每个组件都由具有不同导热性的材料制成，从而影响电池内部的热量管理。这些材料的精确排列和分层有助于提高电池的整体性能及其各向异性热行为--热传导随方向而变化的特性。

随着我们越来越依赖锂离子电池来推动向清洁能源的转变，它们在电动汽车和可再生能源存储中的作用变得越来越大，有效的热管理对于提高这些电池的性能和延长其使用寿命非常关键。适当的散热可以防止温度过高导致性能下降和潜在的安全隐患，因此，研究锂离子电池的各向异性热传导性对于推动储能技术的发展至关重要。

 

锂离子电池中的各向异性结构

锂离子电池中的热流因各向异性的概念而发生了有趣的变化。与某些在所有方向上均匀传导热量的材料不同，锂离子电池表现出各向异性的热行为--这意味着它们的热传导率会随着热流方向的不同而变化。例如，热量在电极材料层内（平面内）的流动可能比在电极材料层之间（平面外）的流动更容易。材料的各向异性是指材料的特性随测量方向的不同而变化。在锂离子电池中，各向异性与电池结构中不同的导热性尤其相关。这一特性会影响电池不同部分的热量管理，从而影响整体性能和安全性。

 

锂离子电池有多种形状，每种形状都有自己的热特性：

• 圆柱形：在要求高能量密度的应用中很常见，以结构坚固和热稳定性著称
• 棱镜形：通常用于空间受限的应用，这些电池在能量密度和安全性之间提供了均衡
• 袋装：锂离子软包电池以其柔韧性和重量轻而闻名，在消费电子产品和电动汽车中越来越受欢迎
• 固态电池：固态电池是下一代电池的代表，采用固态电解质，能量密度更高，安全性更好。

 

各向异性导热性能测试的必要性

要为锂离子电池建立精确的热建模和设计高效的冷却系统，就必须考虑各向异性。传统的热导率测量方法假定各向同性（均匀热流），可能会得出误导性结果。这就是各向异性热导率测试的作用所在。

研究人员可以采用带有各向异性模块的瞬态平面源 (TPS) 测量仪器，测量锂离子电池在平面内和平面外的热导率

 

通过这些全面的数据，工程师可以:

• 开发先进的热管理系统：通过了解热流的各向异性，工程师可以设计冷却系统，有效去除电池单元内来自各个方向的热量
• 优化电池性能和使用寿命：高效的热管理可最大限度地减少温度波动和热点，提高电池性能并延长使用寿命
• 提高电池安全性：精确的热建模有助于预测和防止热失控，在这种危险情况下，温度的快速上升会导致电池破裂和起火。

 

各向异性热导率测试

1，袋装电池测试

（MP-1测量平台（带电池包）测量锂离子袋装电池的定向热导率和热扩散率）

 

 

 

对于各向异性测试，材料的比热必须是已知的，这可以通过比热模块轻松确定。电池以非对称配置（单面）安装，传感器夹在电池和具有已知热特性的绝缘背衬材料之间。

 

 

（各向异性袋状电池样品热导率和热扩散率结果）

 

使用 TPS 比热模块测量比热容，该模块配有专为棱柱形 - 袋形设计的 Cp 样品池。先在空的 Cp 样品池上进行参考测量，然后在插入电池的情况下进行测量。测量结果以热容量（J/K）、比热（kJ/kg-K）和体积比热（MJ/m³K）表示。

电池专用模块包括一个标准棱柱形 - 袋装 Cp 样品池和 TPS 传感器，还可为各种尺寸的电池开发定制 Cp 样品池

 

 

1-D模块

 

导热系数和热扩散率是使用一维（1-D）模块沿着棱柱形-袋形的高度测量的。一维棱柱形

类似尺寸的 TPS 传感器采用单面（非对称）配置

电池 1-D 模块包括一个 TPS 传感器。还可根据各种电池尺寸（最大 250 x 250 毫米）定制 TPS 直径

 

各向异性模块 - 棱镜式

单面（不对称）	双面（对称）
TPS 传感器放置在棱柱袋电池和已知绝缘衬垫之间	TPS 传感器被放置在两块相同的棱柱形袋装电池之间

 

 

 

                 集成式：图示 TPS 传感器置于内部，并密封在袋装电池的类似层之间

 

 

2，圆柱状电池测试

MP-1 TPS 电池包测定了圆柱形电池的定向热导率和热扩散率。圆柱形电池以非对称配置安装在专用电池中，传感器夹在小袋电池和电池的绝缘背衬材料之间。由于这种样品传感器的取向，轴向热特性是在电池中心测量的，而径向热特性则是沿着圆柱电池的长度或高度测量的。

 

 

（各向异性柱状电池样品的方向热导率和热扩散率）

 

 TPS 的 MP-1 允许对将 TPS 传感器应用于曲线时存在的误差进行专有曲线校正。这种校正被描述为两个函数 f（x） 和 g（x） 的卷积，每个函数对应于单个方向的效果。通过独立于另一个函数更改每个函数的尺度，数据可以拟合到计算的曲线。事实证明，结果与 1D 和 radial 结果一致。

 

 

比热容使用 TPS 比热模块和专为圆柱体形状设计的 Cp 测试池进行测量。先在空的 Cp 测试池上进行参考测量，然后在插入电池的情况下进行测量。测量结果以热容量（J/K）、比热（kJ/kg-K）和体积比热（MJ/m³K）表示。

电池比热模块包括一个标准圆柱形 Cp 测试池、一个 TPS 传感器和电池绝缘块，还可以为各种尺寸的电池开发定制 Cp 测试池。

 

 

1-D模块

热导率和热扩散率是通过一维（1-D）模块沿圆柱体的高度测量的             类似直径的 TPS 传感器采用单侧（不对称）配置。使用电池隔热块对电池进行隔热，以防止横向热量损失           电池 1-D 模块包括一个 TPS 传感器和一个电池绝缘块。还可以为各种尺寸的电池开发定制 TPS 传感器

 

 

 

 

各向异性模块  

热导率沿轴向和径向测量。

TPS 传感器采用单面（非对称）配置。电池绝缘块为单面（非对称）配置提供已知的背板绝缘。