氮化鋁陶瓷對鋰離子電池模組導熱性能的提升

吳雪林

【摘? 要】隨著新能源汽車產業(yè)的發(fā)展，人們對于新能源汽車的需求越來越高，在各種環(huán)境下的加速性能、續(xù)航里程、充電時間等等，這對于鋰離子電池的性能和安全提出了非常高的要求。本文介紹了氮化鋁導熱陶瓷材料在鋰離子電池上的應用，利用氮化鋁陶瓷較高的導熱性能和可靠的絕緣性能，增加鋰離子電池模組內電芯向模組外殼傳熱的效率，提高鋰離子電池的熱性能和安全性能，對于新能源汽車產業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。

【關鍵詞】氮化鋁陶瓷 鋰離子電池 傳熱

引言

改革開放以來，經過持續(xù)30年的經濟增長，我國經濟總量已經躍居世界第二，成為具有影響力的大國。但是經濟的發(fā)展給自然環(huán)境和生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的壓力。在科技進步和環(huán)境需求導向的共同驅動下，2001年我國啟動了新能源汽車專項，明確提出純電驅動是國家戰(zhàn)略。由此我國新能源汽車產業(yè)走上了快速發(fā)展的道路，在“十二五”期間取得了爆發(fā)式增長，一躍成為全球新能源汽車產銷第一的國家，而新能源汽車的關鍵是電池，這極大地促進了鋰離子電池產業(yè)的發(fā)展，使其逐漸成為市場主流。但是各種機械濫用，電濫用，熱濫用，我們不得不考慮鋰離子電池的可靠性，設法提高其安全性能。研究表明鋰離子電池失效大部分是由于內部熱量積聚無法快速導出，導致溫度過高，進而發(fā)生熱失控從而引發(fā)各種危險。所以如果能將鋰離子電池在各種工況下產生的熱量快速高效的傳導到電池外部，再經由冷卻系統(tǒng)帶出，對于鋰離子電池的安全性能會大幅提升，對于冷卻所需消耗的能量也會大幅降低，對于新能源汽車產業(yè)的發(fā)展也會起到非常大的推進作用。

1.鋰離子電池概述

1.1鋰離子電池特點

作為高性能的二次電池，鋰離子電池在生活中的應用極為廣泛在市場上也占很大比例，與其他化學電源相比，鋰離子電池具有長壽命、大倍率、高能量密度、自放電率小、能量轉換效率高、允許工作范圍廣、無任何記憶效應、無污染等顯著優(yōu)勢，已經普及到各種應用化學電源場合，隨著新能源汽車的快速發(fā)展，也逐漸在純電動汽車上普及。但是鋰離子電池也有缺點：成本高，正極材料價格昂貴;為了防止過充電和正負極短路，必須有特殊保護電路;材料穩(wěn)定性差，存在安全隱患。

1.2鋰離子電池工作原理

鋰離子電池一般由正極、負極、電解質、隔離膜、集流體外殼等構成，其產品外形有圓柱形、方形和軟包。工作原理：在充放電過程中，鋰離子在正負電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，鋰離子從正極脫嵌，通過電解質嵌入到負極，負極會處于富鋰狀態(tài);放電時，鋰離子從負極脫嵌，通過電解質再重新嵌入正極。

鋰離子電池正極材料主要是，而負極則為層狀石墨，充電時反應如下：

放電時，發(fā)生上述反應的逆反應。

2.氮化鋁陶瓷概述

2.1氮化鋁陶瓷特性

氮化鋁晶體以四面體為結構單元共價鍵化合物，具有纖鋅礦型結構，屬六方晶系。化學組成 AI 65.81%，N 34.19%，比重3.261g/cm3，白色或灰白色，單晶無色透明，常壓下的升華分解溫度為2450℃。為一種高溫耐熱材料。熱膨脹系數(shù)（4.0-6.0）×10-6/℃。多晶體氮化鋁熱導率高達260W/（m.k），比氧化鋁高5-8倍，所以耐熱沖擊好，能耐2200℃的極熱。

氮化鋁陶瓷基片具有熱導率高、膨脹系數(shù)低、強度高、耐高溫、耐化學腐蝕、介電損耗小等優(yōu)點，是理想的大規(guī)模集成電路散熱基板和封裝材料;氮化鋁硬度高，超過傳統(tǒng)氧化鋁，可用于新型耐磨陶瓷材料;利用氮化鋁光學性能，可做紅外線窗口，氮化鋁薄膜可制成高頻壓電元件、超大規(guī)模集成電路基片等;氮化鋁陶瓷具有耐熱、耐熔融金屬侵蝕，對酸穩(wěn)定。可用作鋁、銅、銀、鉛等金屬熔煉的坩堝和燒鑄模具材料。

2.2氮化鋁陶瓷金屬化工藝與前景

目前， 氮化鋁陶瓷金屬化的方法主要有薄膜法、厚膜法、直接敷銅法、化學鍍法等。

工藝優(yōu)勢：氮化鋁陶瓷表面金屬化，焊接層可直接浸入瓷體，具有很高的銀銅與瓷的結合能力，敷銀銅合金的厚度0.02～0.15mm;此工藝大大提升了氮化鋁陶瓷的機械性能，特別是抗剪切性能，并且使氮化鋁陶瓷能夠與其他金屬能夠可靠連接。

由于具有優(yōu)良的熱、電、力學性能。氮化鋁陶瓷引起了國內外研究者的廣泛關注，隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，對所用材料的性能提出了更高的要求。氮化鋁陶瓷也必將在許多領域得到更為廣泛的應用！

3.方案設計分析

鋰離子電池模組一般是由若干個電芯通過串并聯(lián)的方式組合在一起，電芯上的正負極耳通過匯流排連接起來，為了防止模組外殼帶電，匯流排與模組外殼之間會用塑料絕緣板隔開，雖然起到絕緣作用，但由于塑料材質的低導熱系數(shù)使得匯流排上的熱量很難散到模組外殼上，熱量最終會聚集在模組的正負極上，導致模組正負極溫度較高，存在安全隱患。利用氮化鋁陶瓷的高導熱性和絕緣性，將絕緣塑料板用氮化鋁陶瓷替代，將模組外殼和回流排連接起來，使匯流排與模組外殼能夠進行熱量傳遞。

根據(jù)傅里葉定律

Q為單位時間的導熱量，又稱熱流量，單位為W，A為導熱面積，為兩側的溫差，為材料厚度，已經商用化的氮化鋁陶瓷基片熱導率高達170W/（m.k），絕緣塑料板一般為PP或PE，導熱系數(shù)一般為0.3W/（m.K），相同尺寸的氮化鋁陶瓷基片替代塑料后，理論上，導熱量會增加幾百倍。

4.試驗條件方法

（1）主要設備

（2）樣品

（3）試驗條件與方法

在兩個模組匯流排上的相同位置布置五個熱電偶，用膠水固定好，一個模組按原始狀態(tài)組裝好，另一個模組，將絕緣塑料板開孔，開孔大小與氮化鋁陶瓷基板大小相同，氮化鋁陶瓷基板焊接在模組外殼上，然后通過塑料板開孔位置，使匯流排與模組外殼連接，利用氮化鋁陶瓷基板的高導熱性與可靠的絕緣性，是匯流排與模組外殼絕緣的同時又能進行熱量的傳遞。

將兩個模組的熱電偶與數(shù)據(jù)采集設備連接好，然后放入到環(huán)境倉中，設定環(huán)境倉溫度為30℃，濕度為45%，模組在此環(huán)境中浸置直到匯流排平均溫度達到27±1℃，開始1C充放電，整個過程中環(huán)境倉溫度均保持30℃，實時記錄熱電偶溫度。

（4）數(shù)據(jù)分析

5.結論

（1）增加氮化鋁陶瓷的模組，匯流排上的平均溫度較沒加陶瓷的模組低，平均低約2℃;

（2）增加氮化鋁陶瓷的模組，匯流排上的溫差較沒加陶瓷的模組低約2.8℃。

試驗表明，利用氮化鋁陶瓷可以有效的提高模組內部熱量向外部的傳遞，從而降低模組匯流排上的平均溫度，而且對于匯流排上的溫度一致性也有顯著提升，這對于模組在一些惡劣使用條件下的熱性能和安全性也會大幅提升，而且能夠減少用于模組冷卻所需的能量消耗，對于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展和新能源汽車的快速普及具有非常重要的意義。

參考文獻

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