电池隔膜分析仪

场发射扫描电镜观测电池隔膜材料的参数设定中国的锂离子电池行业近几年在迅猛发展，国内出现一大批掌握核心制造技术的电池原材料生产厂家。电池隔膜﹝separation film﹞在锂电池结构中是关键的内层组件之一，作为隔离正负电极的装置放置于两极之间，能够让电解质离子通过，又能避免两极上的活性物质直接接触而造成短路。电池隔膜一般是用高分子材料PE（聚乙烯）或PP（聚丙烯）来制备，孔径大小通常在10nm至300nm左右。扫描电镜是用来检测电池隔膜孔径大小和孔洞分别是否均匀的常用仪器，为达到观测要求，图像放大倍率通常需要达到2万倍至10万倍甚至更高。不同材质和生产工艺（单向或双向拉伸，干法或湿法等）的电池隔膜在导电性方面有所差异，但作为绝缘高分子材料，直接放入扫描电镜下观察都有一定难度。采用离子溅射仪喷镀的方法，能够解决电池隔膜在扫描电镜观测过程中放电的问题，但溅射Au、Pt等重金属离子的过程中也有可能损伤和改变隔膜样品的原始形貌。采用场发射扫描电镜在不对电池隔膜喷镀的情况下直接观察原始真实形貌，需要解决图像放电和电子束对样品的热损伤问题，其中设定扫描电镜参数非常重要，主要涉及到加速电压、探针电流和扫描模式。这三个参数需要找到平衡点，加速电压的设定原则是电子束打在样品上的加速电压（着陆电压）越低，图像放电和样品损伤越小，但分辨率也会相应降低；探针电流的设定原则是电子束打在样品上的探针电流越小，图像放电和样品损伤越小，但图像信噪比也会相应降低；扫描模式的设定原则是电子束停留在样品上每扫描点时越少，图像放电和样品损伤越小，但图像信噪比也会相应降低。参数设定在不同型号的场发射扫描电镜操作不同，但大致方法和原则是类似的，本文采用的是日立S-4800冷场发射扫描电镜，电池隔膜样品是没有经过喷镀直接采用低加速电压和低束流观察，放大倍率为2万倍至30万倍。首先看几张电池隔膜在扫描电镜图像放电和受到电子束损伤的照片。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2012/12/201212272354_416497_1804341_3.jpg图1 图像严重放电，电镜参数加速电压1kV，扫描模式Slow 40s1kV的加速电压对于扫描电镜来说已经属于低加速电压了，另外图1中电镜参数设定为发射束流设定为10μA，Probe current设定为normal，聚光镜C1值为5，扫描模式为40秒Slow模式，放大倍率3万5千倍，但图像严重放电，连样品的基本特征形貌都无法获得。其他参数不变，将扫描模式由40秒Slow模式改为40秒CSS模式获得图2照片，图像依然放电，但明显减轻而且孔洞边缘清晰度不错。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2012/12/201212272355_416498_1804341_3.jpg图[siz

扫描电镜爱好者经常以拍摄电池隔膜来验证仪器性能和操作技巧，而且为了避免喷金带来的样品形貌变化，需要费精力挑战不镀膜直接拍摄。如果有一台高性能镀膜仪，将会带来哪些改变呢？通过近期做过的实验，锂离子电池隔膜使用徕卡ACE600镀膜仪之后：1、镀膜颗粒度小，高倍率图像观察不到镀膜金属颗粒。2、厚度2nm连续成膜，导电性好，避免放电现象。3、使得高分子材料表面导热性增强，避免热损伤现象。4、降低二次电子信号出射深度，增加表面细节形貌。5、信号激发效率提高，图像明亮，立体感和景深增强。6、图像拍摄变得简单快捷，极大提高操作效率！干法隔膜：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241711_524277_1804341_3.jpg湿法隔膜http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241712_524279_1804341_3.jpg下面是我根据实验结果做的PPT总结，欢迎大家讨论！http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241713_524280_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241713_524281_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241713_524282_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241714_524283_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241714_524284_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241715_524285_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241715_524286_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241716_524287_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241716_524288_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241717_524289_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241717_524290_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241717_524291_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241717_524292_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241718_524293_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241718_524294_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241718_524295_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241719_524296_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241719_524298_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241720_524299_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241720_524301_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241721_524302_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241721_524303_1804341_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/11/201411241722_524304_1804341_3.jpg

项目名称：便携式微量氧分析仪电池改造攻关。现 状：TELEDYNE公司MODELL311便携式微量氧分析仪驱动电池（以下简称电池），是用来驱动微量氧传感器产生的微电流，从而产生信号对微量氧含量进行测量。该电池属仪器专用备件，市面上无法购买。上次购买两节就花费2700元（人民币，2011年4月），现如今该电池已使用近两年。充电效果较差（充电两天，仅能使用一星期左右且使用时间在进一步缩短），必须更换。攻关目标：使用市面上可方便购买的原装手机电板来更换该种电池。（手机厂家原装大容量电板，市价约200—300元）预期经济效益和社会效益：购买、更换起来方便、快捷，并可大为节约成本。估计至少在2000元人民币左右。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/11/201311071948_475820_1727477_3.jpg

最近做了隔膜的同步热分析，隔膜材质主要为PP或PE，发现一个吸热峰与放热峰相连这怎么解释这个过程呢？？？http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/08/201108271438_312535_2340548_3.jpg

[font=宋体][color=#222222]实验室除了开展计量工作，还会进行检测相关的产品分析和测试技术工作，蓄电池内阻分析也是我们的课题研究，同时作为家电领域的权威机构，采购福禄克的Fluke BT500 系列蓄电池内阻分析仪毋庸置疑。作为一名使用福禄克多年的用户，下面来评价一下该款测试仪的优势和不足，希望大家在选购仪器设备时少走弯路，也希望厂家不断改进仪器来满足用户的需求。[/color][/font][font=宋体][color=#222222]一、厂家介绍：[/color][/font][font=宋体][color=#222222]福禄克Fluke仪器仪表公司在中国改革开放的初期1978年就进入了中国。首先在北京建立了维修站，随后就成立了办事处。目前福禄克公司在北京、上海、广州、成都、西安都设有办事处，在沈阳、大连、武汉、南京、济南、乌鲁木齐、重庆和深圳设有联络处，这些机构为中国各界用户提供着方便、周到、及时的服务。[/color][/font][font=宋体][color=#222222]多年来，福禄克为各个工业领域提供用于测试和检测故障的优质电子仪器仪表产品，并把该市场提升到重要地位。每新建的一个工厂、 办公区、或设施，都可成为福禄克产品的潜在用户。从工业控制系统的安装调试到过程仪表的校验维护，从实验室精密测量到计算机网络的故障诊断，福禄克的产品帮助各行各业的业务高效运转并不断发展。无论是技术人员、工程师、科研、教学人员还是计算机网络维护人员，都通过使用福禄克的仪器仪表产品扩展了个人能力，并出色地完成了工作。正是他们，给予福禄克的信任和良好的口碑，使得福禄克品牌在安全、耐用、精准、易用的质量标准方面得到高度的美誉，成为所涉及的领域中的佼佼者。[/color][/font][img=,148,266]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211231213485788_5239_2771427_3.jpg!w148x266.jpg[/img][font=宋体][color=#222222]二、蓄电池分析仪的用武之地：[/color][/font][align=left][font=宋体][color=#222222]除了与我们每天几乎形影不离的电池，还有一类电池，平时看不见，但是对人们的工作生活影响重大，这就是后备电池系统。[/color][/font][/align][align=left][font=宋体][color=#222222]大多数后备电池系统包括不间断电源 (UPS) 和电池组。正是有了它，数据中心、医院、机场、公共事业、铁路、石油天然气设施等，面对突发断电才依然能正常运转。[/color][/font][/align][font=宋体][color=#222222]当然，后备电池也会因各种原因失效或故障，所以对电池定期测试从而确保其健康状态尤为关键，所用的专业工具就是蓄电池分析仪。[/color][/font][font=宋体][color=#222222]三、测试中发现，蓄电池故障的表征：[/color][/font][font=宋体][color=#222222]后备电池常见的失效模式有：漏液腐蚀、内部短路、极板硫化、壳体变形等。[/color][/font][font=宋体][color=#222222]状况良好的电池容量应高于制造商额定容量的90%；大多数制造商建议在电池容量低于80% 时更换电池。[/color][/font][font=宋体][color=#222222]四、电池性能指标的感悟：[/color][/font][font=宋体][color=#222222]电池内阻：在电池处于工作状态时的定性测试内阻增大意味着电池容量降低。当电池处于工作状态时，使用专业的测量电池内阻的仪器，注入一个交流电流测试电压变化，并计算阻值。[/color][/font][font=宋体][color=#222222]容量测试：电池处于非工作状态，进行放电测试发现电池真实容量的最佳方法，但实施非常耗时且有一定危险性。在放电测试中，将电池连接到负载，在特定时间内，以已知的恒定电流进行放电，同时定时测量电压。由放电电流、放电用时计算电池的容量，并与制造商的技术规格相比较。[/color][/font][font=宋体][color=#222222]五、福禄克Fluke BT500 系列蓄电池内阻分析仪优势和不足：[/color][/font][font=宋体][color=#222222]优势：[/color][/font][font=宋体][color=#222222]1.[/color][/font][font=宋体][color=#222222]因为电池的内阻很小，但不会快速变化，需要微欧级分辨率判断测量何种信号。分辨率很重要；[/color][/font][font=宋体][color=#222222]2.[/color][/font][font=宋体][color=#222222]消除接触阻抗：不同的操作力度所成的接触阻抗差异可能带来误差；[/color][/font][font=宋体][color=#222222]3.[/color][/font][font=宋体][color=#222222]统一测试位置：表笔接触极柱测试位置不统一可能引入误差，若接触螺栓，内阻约增2至5 mΩ，若接触连接片，内阻约增5至10mΩ；[/color][/font][font=宋体][color=#222222]4.[/color][/font][font=宋体][color=#222222]波纹抑制：一节12 V的电池上可能出现20 kHz,100 mV的交流电压纹波，纹波情况下内阻测试结果可能会出现不稳定的情况。[/color][/font][font=宋体][color=#222222]不足：[/color][/font][font=宋体][color=#222222]价格在1.3w-2w元左右，相比于国产设备较贵，但是微欧级分辨率、消除接触阻抗利用Kelvin四线制测试法和同轴弹簧表针两项技术消除；接触阻抗影响、纹波抑制，除电路本身的抗干扰设计以外，还特别设计了数字滤波器，可以在纹波较大情况下开启使用；电池管理软件，用于对数据进行导入、储存、比较、趋势分析和制图、并以有意义的方式在报告中显示该信息。安全等级[/color][/font][font=宋体][color=#222222]业内最高安全等级：CAT III 600V；最高额定直流1000 V。这一点福禄克仪器你毋庸置疑。实验室人员需要权衡仪器设备的使用精度、频次以及技术要求。[/color][/font][font=宋体][color=#222222]六、身边同事的使用心得：[/color][/font][font=宋体][color=#222222]同事间使用福禄克产品居多，他们对品牌都很信赖，购买了设备，电池测试功能，如直流电压和内阻的同步采集，连接片电阻测试以及使用集成了红外测温系统的互动式手柄对温度进行同步测量。有较高准确度，稳定性和重复性较好。[/color][/font][font=宋体][color=#222222]七、总结[/color][/font][font=宋体][color=#222222]市场上[/color][/font][font=宋体][color=#222222]测试仪[/color][/font][font=宋体][color=#222222]厂家很多，有进口的有国产的，各厂家的仪器特点不同，突出的特点也不一样，有的仪器市场占有率较高，与仪器灵敏度，稳定性好，使用方便，售后服务好等有关系。想在市场上占有一席之地，一是不断改进与提高仪器的使用技术，二是满足用户需求，设计出用户满意的[/color][/font][font=宋体][color=#222222]仪表[/color][/font][font=宋体][color=#222222]。[/color][/font][font=宋体][color=#222222] [/color][/font]

[color=#cc0000]摘要：本文针对锂离子电池材料导热系数测试方法，评论性概述了近些年的相关研究文献报道，研究分析了这些导热系数测试方法的特点，总结了电池材料导热系数测试技术所面临的挑战，从热分析仪器市场化角度提出了迎接这些挑战的技术途径。[/color][hr/][size=18px][color=#cc0000]1.问题的提出[/color][/size] 锂离子电池在各种应用中用于能量转换和存储，包括消费类电子产品、电动汽车、航空航天系统等。图1-1所示为典型的锂离子电池的结构，锂离子电池主要包括电极材料、电解质材料、隔膜材料、电池堆和热管理高导热相变复合材料。[align=center][img=锂离子电池结构示意图,500,375]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250623319094_6619_3384_3.jpg!w600x450.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图1-1 锂离子电池结构示意图[/color][/align] 导热系数作为电池材料的重要热物理性能参数之一，严重影响着锂离子电池的各种特性。而锂离子电池在使用过程中会面临着电、热、力和质的不同边界条件，这就使得准确测试电池材料导热系数面临着以下几方面的严峻挑战： （1）锂离子电池材料往往涉及含能和储能材料，在不同边界条件下，如在充放电过程中会伴随着生热甚至热解过程，在电池热管理系统中还涉及到相变材料，这就要求要在这些电化学和热化学过程中同时对导热系数进行测量，这要比以往纯热物理变化过程中的导热系数测试技术更为复杂。 （2）导热系数测试方法众多，但针对锂离子电池材料的复杂特征和要求，首先要需要找出合理的测试方法，以保证测量结果的准确性，这对锂离子电池材料和电池热管理尤为重要。 （3）由于锂离子电池材料导热系数测试所涉及的环境条件众多，会涉及众多不同的导热系数测试方法和设备。但在实际工程应用中，还是希望能对测试方法进行优化和开发测试新技术，从而实现用尽量少的测试方法和仪器设备尽可能多的满足各种各种锂离子电池材料的导热系数测试需求。 （4）由于锂离子电池材料还涉及其他热性能参数和表征参数，如比热容和热失控等，这样就要求导热系数测试方法和仪器能与其他热性能参数测试仪器进行集成，使得测试仪器具备多功能性，在一台测试仪器上可实现多个参数的测试。 本文将针对上述存在的问题和挑战，首先对近些年锂离子电池材料导热系数测试技术进行评论性综述，然后在分析研究的基础上，提出比较适合锂离子电池和材料导热系数测量的实用方法。[size=18px][color=#cc0000]2.电池材料导热系数测试方法综述[/color][/size] 在锂离子电池材料级别方面，主要涉及的材料有电极、电解质、隔膜、电极隔膜堆和热管理高导热相变复合材料。 在材料级别方面，已经报道了电极[1]-[4]、电解质[5]、隔膜[6][7]、电极堆[2][8]的导热系数和接触热阻[9][10]测量结果。 如图2-1所示，阴极样品厚度方向上导热系数已使用保护型热流计法（ASTM E1530）进行了测量[1][12]，阴极由等体积分数的聚合物电解质以及活性材料和乙炔黑的混合物制成。经测量，在25~150℃之间复合材料导热系数在0.2 ~ 0.5 W/mK范围内变化。由于阴极材料太薄，将多层阴极材料叠加后形成1~2mm厚的可测样品，样品直径为25.4mm，测试压力为10psi以减少多层叠加后带来的接触热阻。[align=center][img=保护型热流计法导系数测试示意图,500,419]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250624120593_5244_3384_3.jpg!w500x419.jpg[/img][/align][align=center]图2-1 保护型热流计法导热系数测试示意图[/align] 如图 2-2所示，展示了锂离子电池电极材料厚度方向导热系数测量装置结构[2]。[align=center][img=,600,428]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005252355511656_8624_3384_3.jpg!w600x428.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-2 锂离子电池材料厚度方向导热系数测量装置示意图[/color][/align] 装置采用了稳态薄加热片法[13]，单层材料面积为431mm2，厚度0.42mm，被测样品为多层叠加形式。还采用了闪光法测量多层锂离子电池薄层材料的热扩散系数，并通过叠层材料不同取样方向来测量得到不同方向的热扩散系数。 时域热反射（TDTR）技术已用于测量LiCoO2薄膜厚度方向导热系数[3]，样品厚度约500nm，测量了锂化程度对导热系数的影响。循环过程中原位测量LiCoO2阴极的导热系数表明，去锂化时，导热系数从5.4W/mK可逆地降低至4.7W/mK。 如图2-3所示，采用闪光法确定由各种粒径的合成石墨制成的负电极（NE）材料的导热系数[4][14]，样品尺寸为直径约15mm，厚度范围为1.1~9.5mm，实验在室温RT，150和200°C下进行。[align=center][img=激光闪法测量原理,500,467]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250625143698_6549_3384_3.jpg!w500x467.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-3 激光闪光法测量原理[/color][/align] 同样，聚合物电解质的导热系数采用图1-1所示保护型热流计法进行了测量[5]，测量样品厚度方向上的温差，该温差用于计算总热阻，从中可提取出样品厚度方向上的导热系数。通过刮刀技术制备聚合物电解质薄膜样品，并将其夹在导热仪顶板和底板之间，然后测量温度差。据报道，在25~150℃范围内，导热系数在0.12~0.22W/mK之间变化。 如图2-4所示，隔膜材料面内方向导热系数已使用直流加热法进行了测量[6]。在100级无尘室中从26650锂离子电池中提取隔膜样品，在隔膜样品上沉积了两条相距很小的细钛线，其中一条线用作加热器，而这两条线都用于温度测量，两条线的温度作为时间函数的超快测量用于确定隔膜样品的热性能[15]。室温下的面内方向导热系数为0.5W/mK，在50℃下测量时，这些值没有明显变化。[align=center][img=,500,308]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250625463285_8933_3384_3.jpg!w550x339.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-4 隔膜材料比热容和面内方向导热系数测试示意图[/color][/align] 正负电极薄膜材料和隔膜材料厚度方向和面内方向导热系数已使用不同的稳态方法进行了测量[7]，实验装置与先前使用的一维热流计法装置非常相似[1]。样品尺寸30mm×30mm，单层膜厚度在24~106um范围内，导热系数测量结果范围为0.19~31W/mK。 如图2-5所示，采用闪光法测量了多层阳极、隔膜和阴极构成的电极隔膜堆的厚度方向和面内方向热扩散系数[8]，采用差示扫描量热仪测量了比热容，由此得到电极隔膜堆厚度方向和面内方向的导热系数。另外对从新电池中取出的电极隔膜堆在45℃下循环500次，考察了高温循环对导热系数的影响。[align=center][img=闪光法厚度方向和面内方向测试示意图,690,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250626168406_2334_3384_3.jpg!w690x400.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-5 （a）闪光法测试厚度方向和面内方向电极隔膜堆热扩散系数示意图；（b）测试过程中样品的取样形式和摆放形式[/color][/align] 除了上述关于导热系数测量的报道外，还报道了采用恒定热流法（ASTM D5470）在不同压力和温度下测量了电极隔膜堆的接触热阻[9][16]。如图2-6所示，测试过程中将被测电极隔膜堆叠层夹在两个铜块之间，并测量了叠层的总热阻。电池隔膜堆包括了涂覆有石墨的铜阳极、涂覆有钴酸锂的铝阴极、聚乙烯/聚丙烯隔膜和电解质，测试温度范围-20~50℃，压力0~250psi。通过测试得出的主要结论包括：与干电池组相比，湿电池组的接触热阻更低，并且电极隔膜堆叠热阻的温度依赖性较弱。但是，此处测得的热阻是总热阻，其中还包括材料自身热阻，而不仅仅是电池不同材料之间的接触热阻。已经测量了使用的电极和铜棒之间的接触热阻，这与电池的原位操作没有特别的关系。[align=center][img=,550,442]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250626475813_5845_3384_3.jpg!w550x442.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-6 恒定热流法（ASTM D5470）测量电池材料接触热阻示意图[/color][/align] 如图2-7所示，在另一项工作中，同样采用恒定热流法（ASTM D5470）测量了阴极和隔膜之间的界面热传导[10]。测量结果表明，锂离子电池的热特性很大程度上取决于穿过阴极-隔膜界面的传热，而不是通过电池本身的传热。这种界面热阻约占电池总热阻的88%。[align=center][img=,500,267]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250627005929_1859_3384_3.jpg!w600x321.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-7 恒定热流法测量电池材料接触热阻示意图：（a）被测样品为电极隔膜堆；（b）纯隔膜样品；（c）纯阴极样品[/color][/align] 如图2-8所示，采用瞬态平面热源法测量了石墨烯填料的混合相变材料[11][17]，石蜡相变材料在添加石墨烯前后的导热系数分别为0.25W/mK和45W/mK。[align=center][img=,500,202]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250627216467_2507_3384_3.jpg!w600x243.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-8 瞬态平面热源法测试探头和测量原理图[/color][/align] 对于锂离子电池材料这类薄膜材料，其导热系数的测量还有一种非常有效的方法就是温度波法[18]。这种方法尽管已推出多年，但应用还是较少，但今后将是一种重要的有效方法。[size=18px][color=#cc0000]3.测试方法的特点[/color][/size] 从上述综述中可以看出，电池材料导热系数采用了以下几种测试方法： （1）稳态保护热流计法：ASTM E1530； （2）稳态护热板法：ASTM C177； （3）时域反射法； （4）闪光法：ASTM E1461； （5）稳态热流计法：ASTM C518； （6）恒定热流法：ASTM D5470； （7）瞬态平面热源法：ISO 22007-2。 （8）温度波法：ISO 22007-3。 从上述所涉及的多个测试方法可以看出，与传统材料导热系数测试不同，锂离子电池材料导热系数测试呈现出以下显著特点： （1）薄膜化：锂离子电池材料基本都呈现出薄膜化的形态，所涉及的则是典型的薄膜导热系数测试技术； （2）各向异性：薄膜化的锂离子电池材料呈现出比较明显的各向异性特征，导热系数在厚度方向和面内方向上表现出明显差别，锂离子电池材料导热系数测试实际上是一个各向异性薄膜材料导热系数测试问题； （3）测试变量多：锂离子电池材料导热系数测试的另一个显著特征是测试条件变量较多，除需在传统的不同温度下进行测试之外，还需要包括其他测试条件，如不同的加载压力、SOC荷电、气氛、振动、湿度等条件，甚至还需在通电状态下。[size=18px][color=#cc0000]4.电池材料导热系数测试方法分析[/color][/size] 根据上述锂离子电池材料导热系数测试的特点，对上述各种测试方法进行分析，以寻找出那些测试方法更能适合锂离子电池材料的测试。 纵观上述测试方法，我们将它们分为稳态法和瞬态法进行分析。[color=#cc0000]4.1. 稳态法[/color] 稳态法主要包括：保护热流计法、护热板法、热流计法和恒定热流法。 稳态法的显著特点就是依据经典的傅里叶稳态传热定律，在被测电池材料薄膜样品的测试方向上形成稳定的一维热流，通过测量不同条件下的温度和热流密度来测定相应的导热系数和接触热阻。 稳态法做为一种传统方法，是在较厚的块体材料热性能基础上发展起来的测试方法，对于较大尺寸和较厚块体样品的导热系数测试非常准确和成熟，如保护热流计法、护热板法、热流计法。为了进行电池薄膜材料测试，需要对薄膜材料进行多层叠加后制成样品才能满足稳态法测量准确性要求，这种多层叠加势必会带来接触热阻的严重影响。鉴于传统稳态法对薄膜材料导热系数测试的局限性，开发的恒定热流法则部分解决了测试问题，通过独特的表面温度测试技术，可以进行百微米厚度量级的薄膜导热系数测量，非常适合测试多层膜构成的电池堆以及高导热相变复合材料。 尽管做了相应的改进，但这种在稳态法上做的任何努力都是在挖掘稳态法的潜力，是对稳态法测试能力区间的下限进行进一步的拓展，测试能力下限毕竟还是非常有限，受到了稳态法自身的制约，特别是受到表面温度和厚度测量准确性的制约，使得这种扩展空间十分有限且效果很难保证。总之，对于锂离子电池材料，暂时比较适合的稳态法是ASTM D5470恒定热流法，可以进行导热系数和热阻测量，样品尺寸适中并比较适合加载各种边界条件。[color=#cc0000]4.2. 瞬态法[/color] 瞬态法主要包括时域反射法、闪光法和瞬态平面热源法。 与稳态法恰恰相反，瞬态法是基于样品材料对热激励动态响应的一种测试方法，被测样品越薄，对热激励的响应越快，所以瞬态法的核心是检测物理量随时间变化快慢的问题。同时，在被测样品对热激励的快速响应过程中，周围环境和其他边界条件的影响反而变得很小。最主要的是，随着技术的发展，块体样品（特别是薄膜材料）对热激励的动态响应时间，在当前的电子检测技术面前都不再属于快速测量范畴，采用目前的各种电子技术手段很容易对热激励响应进行快速和准确测量。从另一方面理解，就是针对材料的热性能测试，瞬态法可以针对不同被测样品厚度范围（响应时间）采用相应响应频率范围的电子仪器和设备来实现准确测量，而目前电子仪器设备的测试能力要远远超过薄膜材料热性能测试的需求。这就是瞬态法自身的最大优势，同时也是目前市场上薄膜材料热性能测试仪器大多采用瞬态法的主要原因。 总之，瞬态法作为非接触是测量方法非常适用于致密性薄膜材料，适合测量非常薄的样品，但对于锂离子电池材料这类较低密度的薄膜材料则会遇到许多测试难题，多孔性的薄膜材料样品需要进行表面处理才能进行导热系数测量，但表面处理往往会带来渗透而改变薄膜样品的热性能。另外，瞬态法的另一个明显不足是很难在被测样品上加载各种相应的边界条件进行导热系数测量，如压力和通电等。但瞬态法中的温度波法则是一个例外，这将在下节中进行介绍。[size=18px][color=#cc0000]5.未来设想：新方法的提出[/color][/size] 从上述对电池材料导热系数测试方法的分析中可以看出，现有方法都不能很好的解决本文开始提到的锂离子电池材料导热系数测试所面临的问题，需要研究和开发新型测试方法才能应对相应的技术挑战。 通过我们的研究，我们认为将上述稳态法和瞬态法相结合的方法将会是一种有效的技术途径，具体的结合形式就是改进型的瞬态温度波法。 ISO 22007-3规定的温度波测试方法[18]，主要用于确定薄膜和塑料板在整个厚度方向上的热扩散系数。温度波法是一种通过测量样品前后表面之间温度波的相移来测量薄而扁平样品厚度方向热扩散系数的方法。使用在样品两个表面上溅射或接触的电阻器，一个作为加热器，通过交流焦耳加热产生温度波，另一个作为温度计来检测温度波。ISO 22007-3中给出了温度波法测量装置示意图，如图5-1所示。[align=center][img=温度波法热扩散系数测量装置示意图,690,473]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250627416770_5455_3384_3.jpg!w690x473.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图5-1 温度波法热扩散系数测量装置示意图[/color][/align] 从上述描述中可以看出，温度波法测量装置包括彼此面对的微加热器和温度传感器，样品安装在它们之间。向加热器提供弱的正弦电功率信号，在样品表面上产生温度波。温度传感器是一种高灵敏度电阻传感器，它使用前置放大器在将弱信号进入锁相放大器之前对其进行放大。观察到的温度信号是激发温度波和背景温度信号的混合，例如环境的温度。在交流测量中，锁定放大的一个优点是能够提取和分析信号中仅一个指定频率分量的变化，抵消室温变化的影响（误差的主要来源）以及噪声成分实现高灵敏度测量。通过将实际施加的温度波幅度限制在1℃以内或更低，可以有效地抑制对流和辐射，并确保几乎不损坏样品。此外，如果采用极小的传感器尺寸则可识别更小样品区域内的热扩散系数。 总之，采用改进后的温度波法，将具备以下几方面的显著特点： （1）在样品的夹持、厚度控制和测量方面，温度波法与稳态法基本相同，可以在测量过程中对样品加载一定的压力和其他测试条件。同时，温度波法还具备了非接触瞬态法的优点，将温度和热流测量转换为高精度的频率和相位测量，减少了误差，可以实现高灵敏的测量。 （2）尽管ISO 22007-3规定的温度波测试方法是用于测量薄膜材料厚度方向的热扩散系数，但这种方法也可以用于薄膜面内方向上的热扩散系数测量，转换后的测试方法就是经典的Angstrom周期热波法[19]。 （3）从图5-1所示的温度波测量原理可以看出，只要将交流加热形式控制为直流形式，温度波法就变成了传统的热流计法，就可以用于板材样品测量，也就是说可以进行各种规格尺寸袋装和片状锂离子电池热扩散系数和导热系数的测量。 （4）更重要的特点是，改进的温度波法结构小巧，可以与其他热性能测试方法进行集成，这方面的内容将在后续报告中进行介绍。 综上所述，我们选择并开展改进型的温度波法研究，基本可以解决本文前面所提出的锂离子电池材料测试中所面临的几方面难题，同时还兼顾了测试仪器的微型化、集成化和低成本，这将是我们今后热分析仪器发展的一个方向。[size=18px][color=#cc0000]6.参考文献[/color][/size][1] Song, L., and Evans, J. 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Soc., 144(11), pp. 3797–3800.[6] Vishwakarma, V., and Jain, A., 2014, “Measurement of In-Plane Thermal Conductivity and Heat Capacity of Separator in Li-Ion Cells Using a Transient DC Heating Method,” J. Power Sources, 272, pp. 378–385.[7] Yang, Y., Huang, X., Cao, Z., and Chen, G., 2016, “Thermally Conductive Separator With Hierarchical Nano/Microstructures for Improving Thermal Management of Batteries,” Nano Energy, 22, pp. 301–309.[8] Maleki, H., Wang, H., Porter, W., and Hallmark, J., 2014, “Li-Ion Polymer Cells Thermal Property Changes as a Function of Cycle-Life,” J. Power Sources, 263, pp. 223–230.[9] Ponnappan, R., and Ravigururajan, T. S., 2004, “Contact Thermal Resistance of Li-Ion Cell Electrode Stack,” J. Power Sources, 129(1), pp. 7–13.[10] Vishwakarma, V., Waghela, C., Wei, Z., Prasher, R., Nagpure, S. C., Li, J., Liu, F., Daniel, C., and Jain, A., 2015, “Heat Transfer Enhancement in a Lithium-Ion Cell Through Improved Material-Level Thermal Transport,” J. 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Power Sources, 248, pp. 37–43.[12] ASTM E1530 Standard Test Method for Evaluating the Resistance to Thermal Transmission by the Guarded Heat Flow Meter Technique[13] ASTM C177 Standard Test Method for Steady-State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus[14] ASTM E1461-13 Standard Test Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method[15] ASTM C518 Standard Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus[16] ASTM D5470 Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials[17] ISO 22007-2 Plastics — Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity — Part 2: Transient plane heat ource (hot disc) method[18] ISO 22007-3, Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity – Part 3: Temperature wave analysis method.[19] A. J. Angstrom, Ann. Physik Leipzig 114, 513 (1861).[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]