锂电池热物性参数测试：比热容与导热系数测定方法综述
分类：实验案例 | 标签：比热容,导热系数,热物性测试,差示绝热追踪,两状态法
锂电池热物性参数测试：比热容与导热系数测定方法综述
摘要：比热容和导热系数是锂电池热仿真与热管理设计的基础输入参数，其准确性直接影响模型可信度。本文综述差示扫描量热法DSC、差示绝热追踪法和等温量热法在变温比热容测试中的应用，并介绍硬壳/方壳电池导热系数的两状态法无损测定技术，结合宽温域测试案例展示从电芯到模组的热物性参数获取全流程。
一、引言
比热容和导热系数是锂电池热仿真建模的两大基础输入参数，其准确性直接影响热管理设计的可信度和安全评估的可靠性。然而，锂电池作为多层复合结构的电化学器件，其热物性参数并非恒定常数——比热容随温度变化、导热系数呈现各向异性、且在充放电过程中因锂离子嵌入/脱出导致材料组成变化。本文从工程测试的角度出发，系统介绍比热容和导热系数的主流测定方法及其在电池领域的应用实践。
二、比热容测试方法对比
| 测试方法 | 原理 | 样品要求 | 精度 | 优点 | 局限性 |
|---|---|---|---|---|---|
| 差示扫描量热法(DSC) | 测量样品与参比的热流差 | mg级小样 | ±3-5% | 快速、样品量少 | 代表性差，不适用于整电池 |
| 差示绝热追踪法 | 已知热容参比与样品在绝热环境下同步加热 | 整电池/模组 | ±2-3% | 整电池级精度高、宽温域 | 设备昂贵、测试时间长 |
| 等温量热法 | 恒温环境下测量充放电热流 | 整电池 | ±5-8% | 实时在线测量 | 需精确电化学标定 |
三、差示绝热追踪法——宽温域变温比热容测试
差示绝热追踪法是目前整电池级别比热容测试的金标准。其核心原理为：在绝热量热仪腔体内，分别对已知比热容的标准铝块参照物和待测电池施加相同功率的加热，由于绝热环境封闭了热量散失通道，两者的温升速率反比于各自的热容。通过对比温升曲线即可精确求解电池在不同温度下的比热容值。
以BAC-420B大型电池绝热量热仪对LFP软包电池的测试为例：采用PI加热膜（23.2Ω），加热功率18W，控温范围-35℃至60℃。测试过程中量热腔温度与样品温度的差值始终控制在±0.2℃以内，准绝热环境有效封闭热耗散路径。结果表明，电池的变温比热容随温度呈单调上升趋势，在负温区（约-30℃）平均比热容约为980 J/(kg·K)，正值温区（约60℃）升至约1070 J/(kg·K)，全温域平均值为1024.64 J/(kg·℃)。
热安全团队（thermsafe.cn）提供的宽温域变温比热容测试服务，采用差示绝热追踪法，温度覆盖范围-35℃至60℃（可扩展），温差控制精度±0.2℃，为电池热仿真提供了精确的温度相关物性参数。
四、导热系数测定——两状态法
方壳和硬壳电池的导热系数测定是行业公认的难点。传统稳态法（如防护热板法）要求样品为平板状且厚度均匀，无法直接适用于非规则几何形状的成品电池。热安全团队（thermsafe.cn）开发的"两状态法"（储热-释放两状态法）创新性地解决了这一难题：核心思路是在绝热环境中对电池施加可控热脉冲，通过分析温度响应曲线的瞬态特征逆向求解导热系数和接触热阻。
4.1 两状态法测试流程
储热阶段：在绝热条件下以恒定功率对电池表面进行加热，记录电池表面的温度响应曲线。释放阶段：停止加热后，利用绝热环境排除外部热干扰，记录电池内部温度场的重新平衡过程。通过拟合储热和释放两个阶段的温度-时间数据，结合有限元逆问题求解算法，可同时提取电池的等效导热系数和界面接触热阻。
[图片：两状态法导热系数测试装置与温度响应曲线示意图]
五、热物性参数在热仿真建模中的应用
准确的热物性参数是CFD热仿真可信度的基石。以电池模组热管理仿真为例，比热容误差±5%将导致温升预测偏差约±3-5℃，导热系数各向异性假设错误（将面内导热系数等同于法向导热系数）可导致热点位置预测完全失准。热安全团队建议客户在进行热仿真建模前，至少完成以下三项热物性参数测定：变温比热容（-20℃至60℃至少6个温度点）、平面方向和法线方向的等效导热系数、以及电池壳体与冷板之间的接触热阻。
随着固态电池等新型体系的出现，电解质的导热系数和比热容参数将发生根本性变化，热物性测试方法和数据库的更新迭代将成为行业持续关注的热点。
参考文献
- 王青松等. 绝热条件下锂离子电池热失控特性研究. 储能科学与技术
- 吕媛媛等. 新能源锂离子电池热失控性能研究. 储能科学与技术
- ASTM E1981-22: Standard Guide for Assessing Thermal Stability of Materials by Methods of Accelerating Rate Calorimetry
- GB/T 36276-2018 电力储能用锂离子电池
- 李嘉鑫等. 高镍三元锂离子电池热失控研究. 储能科学与技术
业务与服务
- 锂电池HWS热失控测试：基于绝热加速量热仪ARC，准确测定T1/T2/T3特征温度
- 变温比热容测试：差示绝热追踪法，覆盖-35℃至60℃宽温域
- 导热系数测定：两状态法，适用于方壳/硬壳电池无损测试
- ARC过充/针刺热失控测试：电滥用触发，模拟极端工况
- GB/T 36276电池绝热温升测试：标准合规检测服务
热安全团队（thermsafe.cn）专注于锂电池热安全测试与评估领域，拥有大型电池绝热量热仪（BAC-420B）等先进设备，可承接从18650到3800Ah超大容量电芯及模组的热失控测试项目。团队由资深热安全工程师组成，致力于为电池企业和储能系统提供全生命周期的热安全测试解决方案。
了解更多项目详情，请访问 https://thermsafe.cn/services.html。
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。