鋰離子電池的熱管理和熱失控問題
充電/放電過程中電池產生的熱量可能會損害電池壽命，如果不加以控制，會導致故障，即熱失控。 鋰離子電池的熱導率顯著影響電池溫度分佈，因此熱導率測量對於設計高效的熱管理系統至關重要，以延長電池壽命並防止熱失控爆發。
由於內部結構不均勻，電池表現出沿面內和面外方向的定向導熱性。 這種性質稱為各向異性。 使用具有各向異性模組的 MP-1 瞬態平面源 (TPS) 方法測量電池的面內和面外熱導率。
瞬態平面源 (TPS) 方法
瞬態方法測量溫度隨時間的變化，以研究熱傳輸特性，例如導熱率和熱擴散率。 TPS 方法是 Gustavsson 等人發展起來的一種瞬態熱導率測量技術 [參考資料8]。 TPS 方法依照國際標準 (ISO 22007-2) 進行標準化[參考資料9]。 TPS 方法將平面熱源與測試對象直接接觸。 該感測器由蝕刻在 Kapton 或雲母等電絕緣材料上的薄鎳箔組成。
感測器產生熱脈衝，當熱量傳播到樣品中時，記錄感測器表面的溫度隨時間的升高。 溫度的升高與樣品的導熱率有直接關係。 應用傅立葉熱傳導理論，可以根據測得的溫升計算出熱導率和擴散率。 TPS 測量是使用高級測量平台 (MP-1) 進行的。 MP-1 是一款實驗室儀器，與一系列感測器相容，旨在對熱傳輸特性進行可靠的測量。 它包括能夠進行數據採集和瞬態分析的軟體。
1.軟包電池－比熱模組
電池熱性能測量的第一步是比熱測量。 軟包電池特定熱測試是在專門設計的隔熱樣品架中進行的。 實驗設置如圖 2 所示。
2.軟包電池－各向異性模組
為了測試軟包電池的導熱率和熱擴散率，使用了TPS 3D各向異性模組。 軟包電池在不同方向上表現出不同的熱性能。 各向異性模組可實現兩個不同方向（徑向和軸向）的熱導率測量。 在各向異性模組中執行測量需要軟包電池的比熱。 用於測試軟包電池熱性能的實驗裝置如圖 3 所示。
3. 圓柱電池-各向異性模組
Thermtest 客製化設計的電池外殼可用於測量圓柱形電池的面內和麵外熱導率。 在這裡，我們使用各向異性 TPS 模組測量 21700 型圓柱電池的導熱率和擴散率。
結論
二十多年來，鋰離子電池不僅推動了無線革命，也大大推動了交通運輸產業進入新時代。 這些電池是利用風能和太陽能等波動的可再生能源不可或缺的一部分，從而為無網電力接入提供了一個有前景的解決方案。 這篇部落格強調了熱管理和熱導率測量在優化鋰離子電池性能方面的關鍵作用。
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參考資料
[1] “Electric Battery,” Wikipedia [Online]. Available: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Electric_battery.
[2] Lee, C.-H., Cheng, H.-W., Liao, B.-W., and Jiang, J.-A., 2022, “An Approach to Recover Energy From Discarded Primary Batteries Before Being Disassembled,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, 69(6), pp. 6247–6257.
[3] Manthiram, A., 2020, “A Reflection on Lithium-Ion Battery Cathode Chemistry,” Nat Commun, 11(1), p. 1550.
[4] Nitta, N., Wu, F., Lee, J. T., and Yushin, G., 2015, “Li-Ion Battery Materials: Present and Future,” Materials Today, 18(5), pp. 252–264.
[5] Goriparti, S., Miele, E., De Angelis, F., Di Fabrizio, E., Proietti Zaccaria, R., and Capiglia, C., 2014, “Review on Recent Progress of Nanostructured Anode Materials for Li-Ion Batteries,” Journal of Power Sources, 257, pp. 421–443.
[6] Hossain, E., Murtaugh, D., Mody, J., Faruque, H. M. R., Haque Sunny, Md. S., and Mohammad, N., 2019, “A Comprehensive Review on Second-Life Batteries: Current State, Manufacturing Considerations, Applications, Impacts, Barriers & Potential Solutions, Business Strategies, and Policies,” IEEE Access, 7, pp. 73215–73252.
[7] Zhao, H., Yang, F., Li, C., Li, T., Zhang, S., Wang, C., Zhang, Z., and Wang, R., 2023, “Progress and Perspectives on Two-Dimensional Silicon Anodes for Lithium-Ion Batteries,” ChemPhysMater, 2(1), pp. 1–19.
[8] Gustafsson, S. E., 1991, “Transient Plane Source Techniques for Thermal Conductivity and Thermal Diffusivity Measurements of Solid Materials,” Review of Scientific Instruments, 62(3), pp. 797–804.
[9] “ISO 22007-2:Plastics — Determination of Thermal Conductivity and Thermal Diffusivity — Part 2: Transient Plane Heat Source (Hot Disc) Method.”
[10] “Axial and Radial Thermal Conductivity Measurement of 18,650 Lithium-Ion Battery – ScienceDirect” [Online]. Available: https://www-sciencedirect-com.proxy.hil.unb.ca/science/article/pii/S2352152X23019138. [Accessed: 03-Nov-2023].
