锂电池热管理关键技术：导热系数与比热容测试



锂电池热管理关键技术：导热系数与比热容测试

分类：技术知识 | 标签：电池热管理 / 导热系数测试 / 比热容 / 热物性参数 | 编号：1PRnRRzL

摘要

准确获取电池材料的导热系数和比热容是电池热管理系统设计的先决条件。本文系统介绍了方壳/硬壳电池导热系数测定的储热-释放两状态法、锂电池宽温域变温比热容测试的差示绝热追踪法，以及界面换热系数和总热阻的计算方法，为电池热仿真提供可靠的热物性参数。

1. 热管理设计的参数基础

锂电池的热管理设计直接影响电池的使用寿命、充放电性能和安全性。准确建立热仿真模型需要两个核心热物性参数：导热系数（表征热量在材料内部的传导能力）和比热容（表征材料升温所需的热量）。由于锂电池是典型的各向异性多层结构，其导热系数在不同方向差异显著，常规的稳态法或瞬态法往往难以准确测量。热安全团队（thermsafe.cn）基于多年测试实践，开发了面向方壳/硬壳电池的储热-释放两状态法，能够无损、准确地测定电池整体导热系数及接触热阻参数。

2. 导热系数测试方法

2.1 常规方法的局限性

传统的稳态热流法（如保护热板法）要求样品具有规整的一维热流路径，但方壳电池内部由正极片、隔膜、负极片交替堆叠而成，层间存在界面热阻，整体表现为各向异性热传导。直接套用稳态法会引入较大系统误差。激光闪光法虽然能测量薄片样品的面向热扩散率，但无法直接获得整块电池的体积等效导热系数。

2.2 储热-释放两状态法原理

储热-释放两状态法的核心思路是：将电池样品在绝热环境中加热至均匀温度（储热阶段），然后通过电池某一表面进行受控散热（释放阶段），同时记录电池内部多点的温度变化曲线。通过建立考虑接触热阻的瞬态热传导模型，利用参数反演算法同时求解电池本体的体积等效导热系数和表面接触热阻。

[图片：储热-释放两状态法实验装置示意图，标注加热组件、热电偶分布位置]

测试参数面向导热系数法向导热系数接触热阻
测试方法 储热-释放两状态法 储热-释放两状态法 参数反演算法
典型值范围 实验数据表明 实验数据表明（通常较面向低一个量级） 典型值
工程意义 指导冷板与电池大面的耦合设计 指导层间热传导和温度均匀性分析 影响散热效率，越大则散热效果越差

3. 比热容测试方法

3.1 差示绝热追踪法

在ARC绝热环境中，对电池样品施加已知功率的精密加热脉冲，同时监测样品温升曲线。由于绝热条件消除了散热损失，输入的电能完全转化为电池内能增量，可通过能量守恒方程直接计算比热容：

Cp = Q / (m × ΔT)

其中Q为输入电能，m为样品质量，ΔT为温升。与传统DSC方法相比，差示绝热追踪法具有以下优势：

  • 样品尺寸不受限制，可直接测试全尺寸电池单体
  • 覆盖宽温域范围，可获取变温比热容曲线
  • 测试过程不破坏电池结构，属于无损测试方法

3.2 测试流程

  1. 将电池样品安装在ARC样品腔中，布置加热膜和多点热电偶。
  2. 在初始温度（如室温）下恒温稳定后，施加精密加热脉冲（典型加热功率、脉冲时间）。
  3. 记录温升曲线，计算温升幅度ΔT。
  4. 以一定温度步进重复上述步骤，覆盖从低温到高温的完整温度区间。
  5. 逐点计算比热容，绘制变温比热容曲线。

[图片：电池变温比热容测试曲线，横轴温度、纵轴比热容，标注典型数据点]

4. 热物性参数在热仿真中的应用

获取准确的导热系数和比热容后，即可建立电池热仿真模型。对于常见的电池包热管理设计场景：

  • 液冷系统设计：面向导热系数决定热量从电池内部传导至冷却板表面的效率，是选择冷板布局方式（底面冷却或侧面冷却）的关键依据。
  • 隔热方案选型：法向导热系数低的特点使电池在厚度方向的热传递受限，这在单体热失控时有助于延缓热蔓延。
  • 温度均匀性优化：结合比热容数据，可以计算电池在特定充放电工况下的温升幅度和温度分布，指导散热功率设计。

热安全团队（thermsafe.cn）强调，热仿真模型的可信度直接取决于输入参数的准确性，使用实测的导热系数和比热容数据，可将仿真误差控制在合理范围内。

5. 小结

导热系数和比热容是锂电池热管理设计的两个核心热物性参数。储热-释放两状态法解决了方壳/硬壳电池整体导热系数的无损测试难题，差示绝热追踪法则实现了宽温域变温比热容的精确测量。准确的实验数据为电池热仿真模型提供了坚实参数基础，是高质量热管理设计的前置条件。

参考文献与引用来源

  • 参考自《锂电池热失控测试研究》技术文献素材库（gelang_articles/wechatGZH/GZ合并素材）
  • 参考自电池热安全领域相关行业标准与技术文献
  • 参考自技术知识类合并素材

测试服务项目

热安全团队（thermsafe.cn）提供锂电池HWS热失控测试（绝热加速量热仪ARC）、锂电池宽温域变温比热容测试（差示绝热追踪法）、绝热环境锂电池充放电产热测试、锂电池失控产气测试、方壳/硬壳电池导热系数测定（两状态法无损测试）、锂电池ARC过充热失控测试（电滥用触发）、硬壳/方壳电池导热系数及接触热阻参数测定（储热-释放两状态法）、GB/T 36276电池绝热温升测试、ARC针刺热失控等专业服务。了解更多项目详情，请访问 https://thermsafe.cn/services.html。