圆柱电池(如常见的18650、21700等锂离子电池)的热物性测量对于电池热管理系统设计、热失控安全评估、电池模组/包的热仿真模拟至关重要。准确的热物性参数能帮助预测电池在不同工况下的温度分布和热行为。
下面是圆柱电池主要热物性参数的测量方法、挑战及注意事项：
一、 主要热物性参数
比热容 (Specific Heat Capacity, Cp)
定义：单位质量的电池材料或整体电池升高1℃所需的热量，单位为 J/(kg·K)。
重要性：反映电池的“热惯性”，比热容越大，温度变化越慢。
热导率 (Thermal Conductivity, k)
定义：衡量电池传导热量的能力，单位为 W/(m·K)。
各向异性：圆柱电池的热导率具有显著的方向性：
轴向热导率 (k_axial)：沿电池长度方向(正负极两端之间)。
径向热导率 (k_radial)：垂直于轴向，从中心向外壳方向。
重要性：径向热导率通常远低于轴向热导率(因卷绕结构和隔膜的隔热作用)，影响电池内部热量向外壳的传递效率。
热扩散系数 (Thermal Diffusivity, α)
定义：α = k / (ρ·Cp)，单位为 m²/s，反映热量在材料中传播的速度。
重要性：综合了导热和储热能力，用于瞬态热分析。
密度 (Density, ρ)
定义：单位体积的质量，单位为 kg/m³。
重要性：计算体积热容 (ρ·Cp) 和热扩散系数所需。
二、 常用测量方法
1. 比热容 (Cp) 测量
差示扫描量热法 (DSC)：
适用对象：电池材料(正极、负极、隔膜、电解液)或小块电池样品。
原理：将样品与参比物在程序控温下加热，测量两者热流差。
局限：无法直接测量完整电池，且样品制备可能改变材料状态。
冷却法 (Cooling Method) / 热平衡法：
适用对象：完整圆柱电池。
原理：
将电池加热至某一温度(如60°C)。
停止加热，让电池在绝热或已知散热条件下自然冷却。
记录电池表面温度随时间的变化曲线。
通过能量守恒方程和已知的对流换热系数，反推出电池的比热容。
优点：可测量整电池，结果更接近实际。
标准参考：ASTM E1269(DSC法)，也有基于冷却法的自建方法。
2. 热导率 (k) 测量
激光闪射法 (Laser Flash Analysis, LFA)：
适用对象：电池材料或切片后的电池样品。
原理：激光脉冲加热样品前表面，红外探测器测量后表面温升，计算热扩散系数，再结合密度和比热容得到热导率。
局限：破坏性，样品制备困难，难以保证切片方向的准确性。
瞬态热线法 (Transient Hot Wire Method)：
适用对象：液体、粉末、软材料。不适用于硬质完整电池。
护热板法 (Guarded Hot Plate) / 热流计法 (Heat Flow Meter)：
适用对象：大块均质材料。不适用于小尺寸、各向异性的圆柱电池。
基于热响应的反演法 (Inverse Method)：
适用对象：完整圆柱电池(常用)。
原理：
对电池施加恒定电流进行充放电或外部加热，使其产热。
使用热电偶或红外热像仪精确测量电池表面(尤其是轴向和径向多点)的温度随时间变化。
建立电池的简化热模型(如圆柱坐标系下的传热方程)。
通过优化算法(如z小二乘法)，调整模型中的热导率(k_axial, k_radial)和比热容(Cp)等参数，使模拟温度曲线与实测曲线z佳匹配。
优点：非破坏性，可同时获得多个热物性参数，结果更贴近实际工作状态。
挑战：需要精确的温度测量和可靠的热模型。
3. 热扩散系数 (α) 测量
激光闪射法 (LFA) 是测量热扩散系数的标准方法，但同样受限于样品制备。
在反演法中，热扩散系数可以作为中间参数被求解。
4. 密度 (ρ) 测量
简单方法：称重(质量 m)+ 排水法或卡尺测量(体积 V)，ρ = m/V。
精度要求高时：使用气体比重瓶法。
三、 测量挑战与注意事项
各向异性：必须区分并分别测量轴向和径向热导率。
非均质性：电池由多种材料卷绕/叠片而成，整体热物性是有效值(Effective Property)。
温度依赖性：热物性随温度变化，应在不同温度点进行测量。
荷电状态 (SOC) 影响：不同SOC下，材料的热物性可能略有变化。
老化影响：循环老化后的电池，其热物性可能发生变化。
测量一致性：不同方法、不同实验室的结果可能存在差异，需标准化测试流程。
来源：网络
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