电池材料

[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. W., 1999, “Measurements of the Thermal Conductivity of Lithium Polymer Battery Composite Cathodes,” J. Electrochem. Soc., 146(3), pp. 869–871.[2] Maleki, H., Al Hallaj, S., Selman, J. R., Dinwiddie, R. B., and Wang, H., 1999, “Thermal Properties of Lithium-Ion Battery and Components,” J. Electrochem. Soc., 146(3), pp. 947–954.[3] Cho, J., Losego, M. D., Zhang, H. G., Kim, H., Zuo, J., Petrov, I., Cahill, D. G., and Braun, P. V., 2014, “Electrochemically Tunable Thermal Conductivity of Lithium Cobalt Oxide,” Nat. Commun., 5, p. 4035.[4] Maleki, H., Selman, J. R., Dinwiddie, R. B., and Wang, H., 2001, “High Thermal Conductivity Negative Electrode Material for Lithium-Ion Batteries,” J. Power Sources, 94(1), pp. 26–35.[5] Song, L., Chen, Y., and Evans, J. W., 1997, “Measurements of the Thermal Conductivity of Poly(Ethylene Oxide)-Lithium Salt Electrolytes,” J. Electrochem. 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Power Sources, 300, pp. 123–131.[11] Goli, P., Legedza, S., Dhar, A., Salgado, R., Renteria, J., and Balandin, A. A., 2014, “Graphene-Enhanced Hybrid Phase Change Materials for Thermal Management of Li-Ion Batteries,” J. 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]

电池材料的SEM照片http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/08/201108081952_309201_2961690_3.jpg

[color=#993366]摘要：针对动力电池热管理系统用复合相变材料，对复合相变材料热性能测试中国内外普遍存在的大量错误现象进行了分析，列出了各种典型错误现象和错误案例，指出了产生这些错误的主要原因，明确了后续工作的方向和内容。[/color][align=center][img=,690,431]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/01/201801292102575588_388_3384_3.png!w690x431.jpg[/img][/align][color=#ff0000]1. 引言[/color] 在动力电池热管理系统中，空冷、液冷和相变材料冷是较为常用的三种冷却方式。其中前两种是主动热管理，第三种是被动热管理。相变材料做为被动式热管理方式用于动力电池热管理系统是一个新兴的发展方向，与传统空冷、液冷等方式相比，具有高效、节能、温度波动小、防止热失效等优点。[color=#ff0000]2. 相变材料在动力电池中的应用结构形式[/color] 相变材料在电池包中的应用主要有两种结构形式： （1）电池单元直接置于相变材料中的包裹式形式，如图 2‑ 1和图 2‑ 2所示； （2）相变材料将电池单元夹在中间形成三明治夹层结构形式，如图 2‑ 2所示。[align=center][img=,690,335]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/01/201801292104045551_7090_3384_3.png!w690x335.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图 2‑ 1 相变材料包裹电池式结构[/color][/align][align=center][img=,690,517]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/01/201801292102422682_8708_3384_3.jpg!w690x517.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图 2‑ 2 相变材料包裹物及电池[/color][/align][align=center][color=#ff0000][/color][/align][align=center][img=,690,402]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/01/201801292104307481_9899_3384_3.png!w690x402.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图 2‑ 3 相变材料与电池三明治夹心结构[/color][/align] 以上相变材料在电池包中的三种结构形式，其中第一种结构虽然换热效率高，比较适合各种柱状和其它异形电池使用，但结构复杂，对制造工艺要求较高。第二种结构结构简单、易操作，比较适合板状和块状形式的各种电池。[color=#ff0000]3. 动力电池中复合相变材料类型[/color] 动力电池中复合相变材料的设计和制造主要考虑以下几方面因素：[quote][color=#993300] （1）适宜的相变温度和较大潜热；[/color][color=#993300] （2）其他热物理性能：导热系数高、热容大、密度高、体积变化率低、无相分离、低过冷度；[/color][color=#993300] （3）化学性质：无腐蚀、化学稳定性好、与容器相容、无毒、无易燃、无污染；[/color][color=#993300] （4）经济性要求：低成本、容易获得、可循环使用。[/color][/quote] 对于相变材料的研究已经相对比较成熟，但大多数固液相变材料，尤其是中低温相变材料具有较低的导热系数，这直接使得相变材料在动力电池热管理系统应用中存在的最大问题是导热系数偏低（0.2 W/mK左右），而在电池热热管理系统中则需要较快的吸收和放出热量，否则只有部分导热相变材料发生相变吸收或放出热量，将导致相变材料在热管理系统中的作用下降，在高温或大电流等极端条件下同样会发生电池热失控而造成安全问题。 如何克服上述缺点，改善导热能力成为近年来国内外在动力电池用相变材料中的一个研究热点，研究方向主要集中在采用多孔泡沫金属和泡沫碳作为导热增强介质，相变材料被分散成小颗粒储藏在泡沫介质孔隙中，泡沫介质骨架起到强化传热作用，由此来显著提高整体复合相变材料的导热系数，同时相变材料中的空穴也因为毛细作用分散在孔隙中，避免了因空穴集中而产生的局部热阻和热应力。[color=#ff0000]3.1. 泡沫金属复合相变材料[/color] 泡沫金属是指含有泡沫气孔的特种金属材料。图 3‑ 1的扫描电镜照片显示了典型泡沫金属材料的微观结构，可以看到相互连通的孔隙部分占到了泡沫金属材料的绝大部分空间，其间的金属基体材料呈立体骨架结构。不同孔隙单元的结构并不完全相同，但是从较大范围来看则具有相似特性，这说明泡沫金属材料微观结构的均匀性和各向同性使得其导热过程的各向同性。[align=center][img=,690,519]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/01/201801292105079861_3622_3384_3.jpg!w690x519.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图 3‑ 1 泡沫金属材料扫描电镜照片[/color][/align] 已实用并具有较大导热系数的泡沫金属主要有泡沫镍、泡沫铝和泡沫铜，如图 3‑ 2所示。[align=center][img=,690,200]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/01/201801292105542851_1607_3384_3.png!w690x200.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图 3‑ 2 各种泡沫金属[/color][/align][color=#ff0000]3.2. 泡沫碳复合相变材料[/color] 泡沫碳是碳元素的同素异形体之一，如图 3‑ 3所示，泡沫碳材料内部是中空的蜂窝状结构，其中70％～90% 为开口或相通的蜂窝状孔洞，微孔的平均直径为200~500 um，固体结构由相互交错的韧带支撑而成。如所示，泡沫碳的几何结构使其密度大幅度降低，比表面积极具增大，是一种具有低密度、高导热（导热系数高达200 W/mK）、耐高温、耐腐蚀等优点的新型材料。[align=center][img=05.泡沫碳材料的扫描电镜照片,443,333]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/01/201801292107453445_4814_3384_3.png!w443x333.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图 3‑ 3 泡沫碳材料扫描电镜照片[/color][/align] 由此可见泡沫碳材料具有高的导热系数和稳定的化学性质，泡沫碳材料在石墨基材料中导热系数最高，并与相变材料具有良好的相容性，因此常用于相变材料的强化传热。相变材料渗入泡沫碳所构成的复合相变材料，其相变速率可大大提高，所以具有非常好的应用前景，已成为国内外研究的热点。[align=center][img=05.泡沫碳,690,222]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/01/201801292108217452_8396_3384_3.jpg!w690x222.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图 3‑ 4 泡沫碳[/color][/align] 另外，泡沫碳是一种在石墨基体中均匀分布大量连通孔洞的新型高导热材料，相比于常见的膨胀石墨，泡沫碳有孔密度大、通孔率高、能够维持自身形状结构等特点，其导热系数要大于泡沫铜很多倍。与泡沫金属另外一个重要不同之处是因为泡沫碳材料内部气孔分布的不均匀性和孔径差异造成泡沫碳材料具有明显的各向异性，由此会造成泡沫碳复合相变材料的导热性能也具有明显的各向异性特征。[color=#ff0000]4. 国内外复合相变材料热性能测试中普遍存在的问题[/color] 由于复合相变材料呈现出多孔性、各向异性和多种成分复合性等多种特性，在进行复合相变材料导热系数测试中要十分小心的选择合适的测试方法，稍有不慎就会做出错误的选择，得出错误结果。纵观国内外在复合相变材料导热系数测试方面的文献报道，可以明显发现存在大量问题，主要表现出以下错误现象：[quote][color=#993300] （1）选择测试方法很随意，使得测试方法多种多样。[/color][color=#993300] （2）对所选测试方法的适用范围并不清楚，很多时候在测试过程中忽略了材料的各向异性特征。[/color][color=#993300] （3）对测试结果所包含的内容并不清楚，很多时候测试结果中包含了大量的测试误差，导致很多文献报道的性能测试结果和变化规律相互矛盾。[/color][color=#993300] （4）测试分析仪器厂商对测试技术的理解、研究和技术培训有限，误导了仪器使用人员在测试操作和试验参数设置上的不正确，从而得出误差较大结果。[/color][color=#993300] （5）各种测试方法还缺乏针对性和覆盖能力，针对或满足新材料性能测试，还缺乏相应的标准测试方法或具体条款。[/color][/quote] 造成复合相变材料热性能测试中普遍存在问题，科技文献中大量数据错误的主要原因是：[quote][color=#993300] （１）材料研究人员不懂测试技术，而测试人员对材料特征缺乏足够的了解。[/color][color=#993300] （２）有关复合相变材料研究报告和文献的审稿人一般都是搞材料的专业人员，他们对材料工艺非常熟悉和了解，对材料性能也只算是了解，也仅仅是数量级和大致范围的了解，但对材料性能的具体测试技术，特别是对测试方法的选择、测试仪器的操作细节等一系列保证准确测量的技术手段并不清楚。[/color][color=#993300] （3）材料研究人员和性能测试人员缺乏充分的技术交流。[/color][color=#993300] （4）测试人员针对复合相变材料热性能测试缺乏深入的测试方法研究。[/color][/quote][color=#ff0000]5. 典型错误案例[/color][color=#ff0000]5.1. 金属泡沫复合相变材料导热系数测试典型错误案例[/color] 上海交通大学肖鑫等人研究了不同孔隙率和孔径大小的泡沫铜和泡沫镍，其中导热系数测试则采用了瞬态平面热源法。对于泡沫铜材料，当孔隙率为89%和孔径为1.0 mm时测试结果显示具有的最高有效导热系数为16.01 W/mk；对于泡沫镍材料，当孔隙率为91%和孔径为1.0 mm时测试结果显示具有的最高有效导热率为2.33 W/mk。作者指出，复合相变材料的有效导热系数随孔隙率的增加而减小，且不受孔隙大小的影响。 日本北海道大学的Oya等人采用泡沫镍和熔融温度为118℃的赤藓糖醇相变材料制备了高温复合相变材料，并采用激光闪光法测量了导热系数和比热容。综合测试结果表明，孔隙大小对潜热和熔点几乎没有影响，采用0.5 mm孔径大小的金属泡沫所制成的复合相变材料的导热系数从纯赤藓糖醇相变材料0.733 W/mk显著提升到复合相变材料的11.6 W/mk。与上述肖鑫等人的研究结论相反，Oya等人认为孔径大小对导热系数有显著的影响，因为随孔隙大小的增加骨架的连通性从0.1 mm增加到0.5 mm，从而在较大孔径情况下导致更高的导热系数，这种结论意味着金属泡沫的质量非常重要，因为骨架的连通性保证了传热路径。 美国太平洋西北国家实验室的Hong和Herling 制作了石蜡/铝泡沫复合相变材料并测量它们的导热系数，所用泡沫铝的孔隙率为92～93%、孔径大小在0.5～2.0 mm范围内，导热系数测试采用了稳态恒定热流法。所报道的归一化有效导热系数，即复合相变材料有效导热系数与纯相变材料导热系数的比值，在20～44范围内。从测试结果可以看出, 随着 PCM 从固态到液态的变化，归一化有效导热系数增加。作者将这种增加归因于泡沫金属和液态PCM之间更好的热接触。不同于肖鑫等人和Oya等人得出的结论，测试结果清楚地显示有效导热系数随着泡沫铝孔径的减小而增加，特别是当孔径为0.5 mm时导热系数最大。 上述三篇研究文献非常典型，都是针对金属泡沫制成的复合相变材料进行了测试，测试方法分别采用了瞬态平面热源法（金属泡沫孔径范围1～5 mm）、激光闪光法（金属泡沫孔径范围0.1～0.5 mm）和稳态恒定热流法（金属泡沫孔径范围0.5～2 mm），但针对导热系数与金属泡沫孔隙率和孔径大小的关系，他们所得出的结论完全不同。[color=#ff0000]5.2. 泡沫碳复合相变材料导热系数测试典型错误案例[/color] 中科院山西煤化所钟雅娟等人用石蜡和中间相沥青基石墨泡沫制备复合相变材料，使用了四种不同孔径大小和体积密度的石墨泡沫做为样品，并用激光闪光法测量了石墨泡沫的导热系数。低容重的石墨泡沫具有较大的孔隙率，可容纳较多石蜡，测试结果显示热扩散系数高度取决于石墨泡沫骨架的孔径大小和厚度。 上述只是一篇典型的泡沫碳复合相变材料研究文献，在众多泡沫碳复合相变材料导热系数测试文献中多采用的是激光闪光法，很多得到的错误结论都是“热扩散系数高度取决于石墨泡沫骨架的孔径大小和厚度”。可以证明的是，对于泡沫碳这种高孔隙率、高导热和低密度材料，其热扩散系数取决于样品厚度的错误结论完全是对激光闪光法测试理论和测试仪器不了解造成，热扩散系数与样品厚度高度相关完全是因为测试误差所致。[color=#ff0000]5.3. 差热扫描量热仪测试典型错误案例[/color] 目前国内外针对复合相变材料的蓄热性能，全部采用的都是差示扫描量热仪（DSC）进行测试。我们调研了众多关于复合相变材料、特别是关于常温附近的相变材料和复合相变材料的文献报道，发现在所有文献中DSC测试相变材料的试验参数设置全是错误的，测试过程中的样品升降温速率几乎都在5℃/min以上，最大甚至达到了20℃/min，只有极个别的采用了0.5℃/min的低升降温速率。按照相关针对常温型相变材料DSC标准化测试方法研究成果，已经证明在升降温速率小于0.05℃/min时才能得到较准确的结果，升降温速率太快会给测量结果带来严重误差，如图 5‑ 1所示。[align=center][img=06.不同样品质量和不同加热速率效应,690,484]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/01/201801292109236481_5646_3384_3.png!w690x484.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图 5‑ 1 样品不同质量和不同升降温速度时的DSC测试结果[/color][/align] 有关DSC测试过程中升降温速率对测量精度的影响，以及常温型相变材料DSC测试标准化研究成果，将在后续报告中进行详细描述[color=#ff0000]6. 结论[/color] 针对动力电池用复合相变材料，特别是通过对复合相变材料热性能测试中国内外普遍存在的错误现象进行了分析，列出了各种典型错误现象和错误案例，并指出了产生这些错误的主要原因。 我们将在随后的工作和研究报告中，特别针对动力电池用复合相变材料的热性能测试问题，详细描述如何选择合理的测试方法和测试仪器，详细描述测试过程中如何设置正确的试验参数，从而保证复合相变材料热性能测试的准确性和重复性。[color=#ff0000]7. 参考文献[/color] （1）Xiao X, Zhang P, Li M. Effective thermal conductivity of open-cell metal foams impregnated with pure paraffin for latent heat storage. Int J Therm Sci 2014 81:94-105. （2）Oya T, Nomura T, Okinaka N, Akiyama T. Phase change composite based on porous nickel and erythritol. Appl Therm Eng 2012 40:373-7. （3）Hong ST, Herling DR. Effects of surface area density of aluminum foams on thermal conductivity of aluminum foam-phase change material composites. Adv Eng Mater 2007 9:554-7. （4） Zhong YJ, Guo QG, Li SZ, Shi JL, Liu L. Heat transfer enhancement of paraffin wax using graphite foam for thermal energy storage. Sol Energy Mater Sol Cells 2010 94:1011-4. （5） Zhang, P., X. Xiao, and Z. W. Ma. "A review of the composite phase change materials: Fabrication, characterization, mathematical modeling and application to performance enhancement." Applied Energy 165 (2016): 472-510.[align=center] [img=,640,20]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/01/201801292109565831_9881_3384_3.gif!w640x20.jpg[/img][/align]

近日，国内某知名电池材料研究机构定制的一台单罐容积2L的低温恒温行星式球磨仪，交付使用。该研磨仪一次性研磨物料8L，配有小容量罐转换器，用于电池材料的小试及中试型研究。[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311071022547182_7847_1812435_3.jpg!w690x517.jpg[/img][font=&][size=16px]客户的原料，要避免行星球磨高速撞击产生的温度升高，温升可能导致爆炸和物系改性，需将温度控制在0[/size][/font][font=&][size=16px]℃[/size][/font][font=&]左右。冷媒为工业乙醇，可循环利用，废弃率低。低温恒温槽可提供最低-40℃的温度，并保证研磨罐里的物料始终处于该温度。整机配备冷媒吹扫管路，可及时的将冷媒吹扫回低温恒温槽。[font=&][size=16px]研磨罐体采用内嵌高分子耐磨材料，外套夹层铝合金的结构，乙醇在夹层中流动。[/size][/font][img=,690,920]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311071023466326_5887_1812435_3.jpg!w690x920.jpg[/img][font=&][size=16px]该低温恒温球磨仪共有四个研磨罐工位，可同时出四个不同的样品，每个工位有独立的阀门控制冷媒的进出，可同时在低温和常温下研磨。[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/11/202311071024490943_3732_1812435_3.jpg!w690x517.jpg[/img]该仪器的成功交付，对一些温敏、热敏、易燃、易爆物料的实验探索，拓展了新的思路。[/size][/font][/font]

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