棱柱形锂离子电池中各向异性热导率的量化研究

《Journal of Energy Storage》：Anisotropic thermal conductivity quantification in prismatic lithium-ion batteries

本研究基于一维稳态热传导原理，建立棱柱型锂离子电池各方向热导率的理论模型与测量方法。实验表明，宽度方向热导率最高（7.93 W·m?1·°C?1），厚度方向最低（2.56 W·m?1·°C?1），温差达3倍以上。温度升高热导率增强6.30%，膨胀后厚度方向热导率下降16.27%，其他方向分别下降7.88%和8.74%。实验验证方法精度达96.07%，为高容量电池热管理提供可靠依据。

　　

雷胜|栾怀玉|陶博军|张振东|王海波

上海科技大学机械工程学院，上海，200093，中国

摘要

锂离子电池各向异性热导率的定量表征是热管理的基础。本研究基于一维稳态热传导原理，提出了一个理论框架，用于量化棱柱形电池沿厚度、宽度和高度方向的热导率。研究了电池热导率的各向异性特性以及膨胀对热导率方向性的影响。结果表明，宽度方向的热导率最高（7.93 W·m?1 °C?1），其次是高度方向（7.80 W·m?1 °C?1），而厚度方向的热导率最低（2.56 W·m?1 °C?1）。值得注意的是，宽度方向和高度方向的热导率均比厚度方向高出3倍以上。此外，热导率随温度升高而增加，在-20°C至40°C范围内增加了6.30%。膨胀（产生气体）后，厚度方向的热导率降低了16.27%，而宽度方向和高度方向分别降低了7.88%和8.74%。实验验证表明，该方法的测量精度为96.07%，为研究人员提供了准确表征棱柱形电池各向异性热导率的可靠参考。

引言

由锂离子电池（LIBs）驱动的新能源汽车的快速发展对全球汽车行业的繁荣和发展具有一定的促进作用[1]、[2]、[3]。然而，锂离子电池在热安全性和寿命衰减方面面临越来越多的问题[4]。准确确定锂离子电池的热物理参数对于设计精细的热管理系统和开发高精度的热电老化耦合模型至关重要[5]。电池热导率的固有各向异性源于其内部堆叠层的不同热物理性质[6]。然而，由于高容量棱柱形硬壳电池复杂的多层复合结构以及内部核心与外部外壳之间的非均匀间隙，准确测量其各向异性热导率存在显著挑战[7]。

目前，许多研究人员已经对锂离子电池的热导率进行了研究。Sheng等人[8]指出，离体测量电池热导率的方法存在较大误差，主要是由于电池拆卸造成的影响。热导率的各向异性特性已经得到充分证实。例如，Muhammad等人[9]对圆柱形18650电池进行了表征，而Drake等人[10]结合了理论和实验方法，均证实了锂离子电池的明显各向异性。Sheng等人[11]提出了一种极值搜索方法来表征圆柱形和棱柱形电池的平面内热导率，报告称圆柱形电池的轴向与径向热导率比高达40.5。此外，外部因素也会显著影响这一特性。Kim等人[12]和Steinhardt等人[13]的研究表明，袋式和棱柱形电池的热导率高度依赖于温度。Luca等人[14]进一步证实，电池的健康状态（SOH）下降会导致其热导率降低。

尽管过去的研究显著提高了对锂离子电池热导率测量的理解，但仍存在一些不足。现有研究主要集中在圆柱形、袋式和低容量棱柱形电池上，通常采用非稳态方法或离体仪器进行测量。在方法论方面存在一些局限性。Yang等人[15]的热阻网络方法需要拆卸电池来测量组件参数。虽然Sheng等人的逆向方法是非破坏性的，但它并不适用于棱柱形硬壳电池的结构特点。此外，Bazinski等人[17]使用的等温量热计受到腔室体积的限制，不适合高容量电池。在影响因子的表征方面，知识仍然不完整。虽然Steinhardt等人[13]发现了温度依赖性，但他们没有系统地量化沿三个主轴的热导率变化，限制了其数据在所有操作条件下的综合热建模应用。同样，Luca等人[14]仅建立了健康状态（SOH）与热导率之间的线性关系，而Mao等人[18]尽管研究了气体演化，但没有解决老化为何在某些方向上对热导率影响更显著的根本问题。因此，使用稳态方法对高容量棱柱形动力电池进行原位各向异性热导率测量的研究仍然不足。随着电池容量和尺寸的不断增加，迫切需要一种新的方法来准确表征下一代电池的各向异性热导率。

本研究以114 Ah的棱柱形硬壳电池为样本，基于一维稳态热传导原理建立了原位测量理论模型和方法。该方法在不破坏电池内在结构的情况下，能够精确测量三个方向的热导率。此外，该理论方法的可行性和准确性已通过实验得到验证。研究方法和发现为研究人员提供了有价值的见解，有助于准确表征高容量棱柱形动力电池的各向异性热导率。

部分内容摘录

理论

开发了一个用于确定棱柱形锂离子电池沿厚度、宽度和高度方向热导率的理论模型。该模型基于一维稳态热传导原理（傅里叶传导定律），采用了诺伊曼边界条件（第二类边界条件），并考虑了电池的几何特性。为了说明建模方法，以下是对厚度方向的分析

实验方案

测试样品是一种大容量棱柱形锂离子电池，标称容量为114 Ah。其正极材料为Li(Ni?.?Co?.?Mn?.?)O?，商业上称为NCM622。该电池由 Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL) 生产。关键规格如表1所示。

横向热导率（λ?）

根据先前的实验方案，在-20°C、0°C、20°C和40°C的温度下研究了横向热导率（λ?）的变化，以阐明其对温度的依赖性。以标称20°C下的测量为例：根据初步测试，初始环境温度设定为0°C，以达到20°C的稳态平均电池温度。施加的总输入功率为16 W（每个电池8 W）。

结论

本研究建立了一维稳态热传导理论模型和方法，用于表征高容量114 Ah棱柱形锂离子电池的各向异性热导率，并进行了实验测试。主要结论如下：

(1)

对于处于早期使用阶段的新鲜锂离子电池，当温度从-20°C升高到40°C时，厚度方向的热导率增加了6.30%。各向异性的数量级为

CRediT作者贡献声明

雷胜：撰写——原始草稿、软件开发、调查、概念构思。栾怀玉：撰写——审阅与编辑、监督、数据管理。陶博军：监督、软件开发、数据分析。张振东：撰写——审阅与编辑、资源协调、方法设计。王海波：撰写——审阅与编辑、验证、软件开发、方法设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52206267、52472381）和中国博士后科学基金（编号：2021M702191）的支持。同时得到了上海科技大学高性能计算中心的资助。