SSB蓄电池棱柱形锂离子电池各向异性热导率定量分析

2026-04-08 17:44:12

锂离子电池各向异性热导率的定量表征是热管理研究的基础。本研究基于一维稳态传热原理提出理论框架，用于量化方形电池在厚度、宽度和高度方向的热导率。研究考察了电池热导率的各向异性特征及膨胀效应对方向性特性的影响。结果表明，宽度方向具有最高热导率（7.93 W·m^{−1 °C−1}需特别指出的是，宽度与高度方向的热导率均超过厚度方向3倍以上。此外，热导率随温度升高而增大，在-20°C至40°C范围内表现出6.30%的提升幅度。经过膨胀（产气）处理后，厚度方向热导率下降16.27%，而宽度与高度方向则分别降低7.88%和8.74%。实验验证表明该方法的测量精度达到96.07%，为研究人员精确表征棱柱电池各向异性热导率提供了可靠依据。 %%^{−1 °C−1}), while the thickness direction demonstrates the lowest value (2.56 W·m^{−1 °C−1}). Notably, the thermal conductivity in both width and height directions exceeds that of the thickness direction by more than 3 times. Furthermore, thermal conductivity increases with rising temperature, exhibiting a 6.30% enhancement from −20 °C to 40 °C. Following the swelling (gas producing), the thickness direction thermal conductivity decreases by 16.27%, while the width and height directions show reductions of 7.88% and 8.74%, respectively. Experimental validation confirms a measurement precision of 96.07% for this method, providing researchers with a reliable reference for accurately characterizing the anisotropic thermal conductivity of prismatic batteries.

引言

锂离子电池（LIBs）驱动的新能源汽车快速发展对全球汽车产业的繁荣发展具有一定促进作用[1][2][3]。然而LIB电芯正面临日益严峻的热安全与寿命衰减问题[4]。准确测定锂离子电池（LIB）热物理参数，是设计精细化热管理系统和开发高精度热电老化耦合模型的基础[5]。电池热导率的固有各向异性源于其内部堆叠层间的热物理特性差异[6]。但由于高容量方形硬壳电池具有复杂的多层复合结构及内部芯体与外壳间不均匀间隙，准确测量这类电池的各向异性热导率存在显著挑战[7]。
目前，众多学者已针对锂离子电池导热系数展开深入研究。Sheng等[8]指出，采用非原位法测量电池导热系数会产生显著误差，这主要源于电池拆解过程导致的结构改变。导热系数的各向异性特性已得到充分验证：例如Muhammad等[9]对18,650圆柱电池进行了特性表征，Drake等[10]则通过理论分析与实验手段相结合的方式，两者均证实锂离子电池存在明显的各向异性现象。Sheng等[11]提出了一种极值搜索法来表征圆柱形和棱柱形电池的面内热导率，报告显示圆柱形电池的轴向与径向热导率比值高达40.5。此外，外部因素会显著影响该特性。Kim等[12]与Steinhardt等[13]的研究表明，软包电池和棱柱形电池的热导率具有显著的温度依赖性。Luca等[14]进一步证实，电池健康状态（SOH）的下降会导致其热导率降低。
尽管既往研究显著推进了对锂离子电池导热系数测量的理解，但仍存在明显空白。现有研究主要集中于圆柱形、软包及低容量方形电池，且多采用非稳态方法或非原位仪器。在方法论层面，若干局限性显而易见：Yang等人[15]提出的热阻网络法需拆解电池以测量组件参数；Sheng等人[16]的逆向方法虽属无损检测，但未针对硬壳方形电池的结构特点进行优化；此外，Bazinski等人[17]采用的等温量热仪受限于腔体容积，难以适用于高容量电池单元。 关于影响因素的表征研究，现有认知仍不完善。尽管Steinhardt等[13]虽然识别了温度依赖性，但未能系统量化沿所有三个主轴方向热导率的变化，这限制了其数据在所有工况下进行综合热建模的实用性。类似地，Luca等人[14]仅建立了健康状态(SOH)与热导率之间的线性关联，而Mao等人[18]尽管研究了燃料费析出现象，却未解决老化为何对特定取向热导率影响更显著这一根本问题。因此，采用稳态法原位测量高容量方形动力电池各向异性热导率的研究仍显不足。随着电池容量与尺寸的持续增大，亟需开发一种专门用于精准表征下一代电池各向异性热导率的新方法。
本研究以114 Ah方形硬壳电池为样本，基于一维稳态热传导原理建立了原位测量理论模型与方法。该方法在不破坏电池本征结构的前提下，实现了三个方向导热系数的精确测量，并通过实验验证了理论方法的可行性与准确性。 %% 该研究方法与成果为研究人员准确表征大容量方形动力电池的各向异性导热系数提供了重要参考。 %% ），其次是高度方向（7.80 W·m %% ），而厚度方向导热系数最低（2.56 W·m