氮化鋁陶瓷對鋰離子電池模組導(dǎo)熱性能的提升

吳雪林

【摘? 要】隨著新能源汽車產(chǎn)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(dǎo)熱陶瓷材料在鋰離子電池上的應(yīng)用，利用氮化鋁陶瓷較高的導(dǎo)熱性能和可靠的絕緣性能，增加鋰離子電池模組內(nèi)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。

【關(guān)鍵詞】氮化鋁陶瓷 鋰離子電池 傳熱

引言

改革開放以來，經(jīng)過持續(xù)30年的經(jīng)濟(jì)增長，我國經(jīng)濟(jì)總量已經(jīng)躍居世界第二，成為具有影響力的大國。但是經(jīng)濟(jì)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(jìn)步和環(huán)境需求導(dǎo)向的共同驅(qū)動下，2001年我國啟動了新能源汽車專項，明確提出純電驅(qū)動是國家戰(zhàn)略。由此我國新能源汽車產(chǎn)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(chǎn)銷第一的國家，而新能源汽車的關(guān)鍵是電池，這極大地促進(jìn)了鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使其逐漸成為市場主流。但是各種機(jī)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(shè)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(nèi)部熱量積聚無法快速導(dǎo)出，導(dǎo)致溫度過高，進(jìn)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(chǎn)生的熱量快速高效的傳導(dǎo)到電池外部，再經(jīng)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展也會起到非常大的推進(jìn)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(yīng)用極為廣泛在市場上也占很大比例，與其他化學(xué)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(zhuǎn)換效率高、允許工作范圍廣、無任何記憶效應(yīng)、無污染等顯著優(yōu)勢，已經(jīng)普及到各種應(yīng)用化學(xué)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(fù)極短路，必須有特殊保護(hù)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(fù)極、電解質(zhì)、隔離膜、集流體外殼等構(gòu)成，其產(chǎn)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(fù)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(zhì)嵌入到負(fù)極，負(fù)極會處于富鋰狀態(tài);放電時，鋰離子從負(fù)極脫嵌，通過電解質(zhì)再重新嵌入正極。

鋰離子電池正極材料主要是，而負(fù)極則為層狀石墨，充電時反應(yīng)如下：

放電時，發(fā)生上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。

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(jié)構(gòu)單元共價鍵化合物，具有纖鋅礦型結(jié)構(gòu)，屬六方晶系?；瘜W(xué)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(dǎo)率高達(dá)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(dǎo)率高、膨脹系數(shù)低、強(qiáng)度高、耐高溫、耐化學(xué)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(xué)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?？捎米麂X、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(xué)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(jié)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(jī)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(xué)性能。氮化鋁陶瓷引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)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(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用！

3.方案設(shè)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(fù)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(zhì)的低導(dǎo)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(fù)極上，導(dǎo)致模組正負(fù)極溫度較高，存在安全隱患。利用氮化鋁陶瓷的高導(dǎo)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(jìn)行熱量傳遞。

根據(jù)傅里葉定律

Q為單位時間的導(dǎo)熱量，又稱熱流量，單位為W，A為導(dǎo)熱面積，為兩側(cè)的溫差，為材料厚度，已經(jīng)商用化的氮化鋁陶瓷基片熱導(dǎo)率高達(dá)170W/（m.k），絕緣塑料板一般為PP或PE，導(dǎo)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(dǎo)熱量會增加幾百倍。

4.試驗條件方法

（1）主要設(shè)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(dǎo)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(jìn)行熱量的傳遞。

將兩個模組的熱電偶與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接好，然后放入到環(huán)境倉中，設(shè)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(dá)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(jié)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(nèi)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。

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