底面or側面？如何最佳化方形電池散熱設計

鋰離子電池在放電的過程中由於歐姆熱、極化熱和熵變熱的存在會引起鋰離子電池溫度的急劇升高。而過高的溫度會加劇鋰離子電池介面副反應，引起活性鋰損失和介面阻抗增加，從而影響鋰離子電池的迴圈壽命。因此如何對鋰離子電池進行有效的散熱就變得尤為重要。

近日，北京理工大學的Lin Liang（第一作者）和Yaohua Zhao（通訊作者）等人分析了方形鋰離子電池不同散熱面對於散熱效果的影響，發現鋁殼的厚度對於電池的散熱效果會產生顯著的影響，當鋁殼厚度小於0.3mm時底面散熱效果最好，當厚度大於0.3mm時側面散熱效果最好。

鋰離子電池內部由集流體、活性物質、隔膜等部分構成，因此鋰離子電池的熱導率存在顯著的各向異性，研究表明鋰離子電池在垂直極片方向和平行極片方向存在顯著的熱導率的差異，平行於極片方向上的熱導率是垂直極片方向的30倍以上（如下表所示）。

在該研究中作者以120Ah的方形硬殼電池作為研究物件，電池的基本資訊如下表所示。下圖中作者對電池進行了解剖分析，從圖中能夠看到電池內部由兩個電芯構成，因此電芯與電池殼的側面接觸較差，因此熱阻較大，不適合單獨作為散熱面。電池內部主要材料的熱物性引數如下表3所示，根據這些引數可以計算在垂直極片方向上熱導率約為0.553W/m/K，而在平行極片方向上則達到了21.5W/m/K。

在這裡作者認為電池內部產生的熱量都是透過一個面傳遞出去，而其他的面則都是絕熱的，因此作者在這裡構建了一維的熱模型。穩態下的熱平衡可以採用下式4-6進行描述，下式7則描述在散熱面的傳熱過程。其中Q為產熱速率，x為到散熱面的距離，T1為散熱面的溫度，T2為電池最大溫度。在下式8中作者引入了無量綱係數ϕ以表徵電池的最佳散熱面，當ϕ>1電池的底面散熱效果更好，而ϕ<1時電池側面的散熱效果更好。

要對電池進行熱模擬就需要首先確定電池的比熱容，但是正負極均為多孔電極，內部填充電解液，而電解液的量難以精準確定，因此就難以計算電池的比熱容。因此作者在這裡對電池整體進行了比熱容測試，作者將一塊尺寸在112×117mm的加熱帶貼到電池表面，並採用低熱導率材料對電池進行了包覆。測試過程中首先對加熱帶供電5min，然後停止加熱等待電池達到穩態，然後我們可以根據下式對電芯的比熱容進行測試。下式中左側為電芯的吸熱，右側第一項為加熱帶產生的熱量，第二項為鋁殼吸收的熱量，第三項為絕熱材料吸收的熱量，第四項為過程中的散熱。

熱導率也是電池的重要的熱引數，為了對電芯的熱導率引數進行測量，作者首先將電芯從電池中取出，為了避免電解液洩露，將電芯裝入到塑膠袋中。測試中作者首先將電芯用兩塊5mm的矽膠墊夾住，然後再在兩側夾上30mm後的鋁板，其中鋁板的主要作用是為了實現均熱，矽膠墊的作用時為了保護電芯表面的溫度感測器。

鋰離子電池內部熱量來源可以簡單的分為可逆熱和不可逆熱，這兩種熱量可以簡單的採用下式進行表述，為了獲得下式中的電池內阻，作者採用了脈衝放電的方式測量了電池總內阻。

下圖為電池的三維熱模型，在模型中忽略了電芯和鋁殼的接觸熱阻，忽略了電池內部的空氣自然對流，由於極耳的體積較小且產熱不明顯，因此模型中忽略了極耳。

該模型中主要是熱量的平衡，主要包含產熱和散熱兩部分，如下式所示，在模型中電池透過A和B兩個面進行散熱，冷卻溫度為293K。

經過實測，電芯的比熱容為1051.1J/K/kg，垂直極片方向熱導率為1.04W/m/K，平行極片方向熱導率為21.5W/m/K。下圖為電池在不同溫度和不同SoC下的內阻測試結果，從圖中能夠看到電池的內阻呈現U型線的樣式，在0-0.1的範圍內，電池內阻快速降低，然後內阻變得較為平穩，在SoC大於0.7電池內阻又開始快速增加，

下圖展示了無外殼電芯在採用不同面散熱時電池溫度變化，可以看到在1000-2250s範圍內電池的溫升較為緩慢，電池在放電末期電池溫度快速升高，採用電池的B面散熱的效果較好。

下圖展示了電池在水平和垂直方向上中心位置的溫度分佈，從圖中能夠看到當採用A面作為散熱面時，電池在水平方向上會產生顯著的溫度梯度，而採用B面進行散熱時則會在垂直方向上產生顯著的溫度梯度。

下圖中作者在電池外部增加了外殼，可以看到鋁殼還是會對電池的散熱產生顯著的影響，電芯將熱量直接傳遞到附近的鋁殼，然後再透過鋁殼將熱量傳遞出去，因此電芯的熱行為會產生顯著的變化。

下圖展示了採用不同厚度的鋁殼的散熱效果，從下圖可以看到在沒有鋁殼的情況下B面散熱效果明顯好於A面，而鋁殼厚度增加值0.3mm時兩者的散熱效果一致，當鋁殼厚度超過0.3mm以後則A面的散熱效果更好。

下圖中展示了不同散熱面積對於散熱效果的影響，在該模擬中鋁殼的厚度設定為0.8mm，下圖中展示了模擬結果，在下圖中的案例1和2中，採用B面散熱時能夠獲得更好的效果，B面散熱溫升降低了19.1%，即便是在案例3和4中A面散熱面積有所增加，B面的散熱效果仍然更好。從下圖案例2-5的a和b對比可以看到雙面散熱效果比單面散熱更為理想，溫升分別降低36.2%、36.7%、36.4%和38.4%。同時對比2b和4a可以看到，即便是總散熱面積相同，雙面散熱的效果也要明顯好於單面散熱。

Lin Liang研究顯示方形電池鋁殼會對電池的散熱產生顯著的影響，在厚度小於0.3mm時電池底面散熱效果更好，而當電池殼厚度超過0.3mm後側面散熱效果更好。

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Optimum cooling surface for prismatic lithium battery with metal shell based on anisotropic thermal conductivity and dimensions, Journal of Power Sources 506 (2021) 230182, Lin Liang, Yaohua Zhao, Yanhua Diao , Ruyang Ren , Lina Zhang , Guozhen Wang

來源：新能源Leader，文/憑欄眺