熱傳導-TC 3 大檢測方法及 4 種材料數據揭示磷酸鋰鐵電池的優異熱管理特性

近年來由於NB及手機的充電電池意外頻傳，一般3C產品都是使用鋰鈷材料當作正極的鋰鈷電池，雖然鋰鈷電池具有高電容量以及高能量密度的優點，可惜安全性還是有待加強，導致大家對於鋰鈷電池的信任度降低。除了鋰鈷電池還有許多的鋰錳、鋰鎳、鋰鈷錳、鋰鈷鎳..等等鋰電池，雖然在電容量以及高溫特性表現都不錯，但是安全性還是不足。

磷酸鋰鐵電池正極材料是由美國德州大學John Goodenough教授于1997年申請專利，之後將專利獨家授權加拿大魁北克水力公司(H&Q)、H&Q又與德國磷肥大廠SUD-CHEMIE合資成立Phostech從事磷酸鋰鐵粉末的生產。

磷酸鋰鐵電池具有使用時不易造成高溫、迴圈壽命長、材料成本低、最重要的是以安全性來看是目前所有充電鋰電池中較安全的；但相對的也因為其體積能量密度較低及材料導電性較差，所以目前磷酸鋰鐵電池還是以車用為主，較難使用到3C產品上。

而節能減碳以及環保意識的抬頭，使得過去大家對於環保的想法有更新的詮釋，汽機車是一項碳排放量非常大的環保專案，目前電動車已經漸漸發展到了可商品化且是一般民眾可以接受的價格，這也使得磷酸鋰鐵電池這種壽命長、安全性高的充電電池有了卓越的成長；有鑑於此，高容量且能穩定供電的電池需求日漸增加，但電池內容的材料熱傳導係數，一直不容易被量測；Hot Disk利用高彈性化的檢測技術，將磷酸鋰鐵電池的相關材料，進行檢測。

本次測試的磷酸鋰鐵電池內容物如下：
測試材料因組成較複雜，且厚度不一，所需要使用的檢測方式也一併提出做說明：

測試方法：ISO 22007-2 

1. 電池模組：標準量測法
2. 正、負極材料：高熱傳片狀量測法
3. 絕緣層：薄膜量測法

標準量測法

熱傳導量測範圍：0.005W/mK ~ 500W/mK。
採用標準量測法進行測量時，Sensor置於兩個樣品之間，形成類似三明治的結構。本方法適用於各種不同類型的材料，如發泡塑膠、發泡橡膠等高度絕緣的聚合物，陶瓷以及金屬等高度熱導體。通常調整探頭的尺寸、測試功率和時間，可以對不同材料進行測試。

高熱傳片狀量測法    

熱傳導量測範圍：10 W/mK以上
適用材料厚度：0.5 mm~2 mm
高熱傳片狀量測法適用於導熱性相對較高的薄層材料。例如，厚度為0.5-2mm，熱傳導值為18-30W/mK的Al2O3陶瓷，厚度為0.5mm，導熱率為130-140W/mK的矽晶圓、厚度為0.5mm，導熱率為220W/mK的樣品等，皆可以用平板法進行測試。樣品通常用絕緣材料或是空氣作為襯底，使用標準探頭，並在較高的功率和較短的測試時間內進行測量。  

薄膜量測法     

熱傳導量測範圍：10W/mK以下
適用材料厚度：10μm~500μm
薄膜量測法可用於測量紙、織物、布和聚合物薄膜等薄層材料的導熱率。根據樣品性質的不同，樣品的厚度可以從20um到500um，甚至幾個毫米，樣品的導熱率通常較低，小於10W/mK。

通過分析溫度對時間曲線的關係圖，可以得到薄層材料對熱傳導性能的影響，從而計算出樣品的導熱率。     
 

樣品	電池模組	磷酸鋰鐵	石墨	絕緣層
熱傳導值(W/mK)	8.274 W/mK	20.72 W/mK	56.34 W/mK	0.9576   W/mK

 

結論

磷酸鋰鐵電池所帶來的生活改變非常明顯尤其是在車用電池上，過去的充電電池中常發生的高溫特性在磷酸鋰鐵電池中的表現卻是非常良好，由於磷酸鋰鐵在材料的使用上可以將充電過程以及使用中產生出來的熱有效地散出，具有較好的熱傳導特性，所以在使用上比較不易造成自燃現象。
       
一般電池模組或是散熱模組除了熱傳導的檢測之外，也時常會在熱流模擬中去檢視熱的流向，進而可以確定這樣的設計可以有效的達到散熱的效果，而在使用熱流類比系統時會需要輸入各個元件的熱傳導值，目的是讓類比軟體跑出來的熱流類比資料能夠更貼近實際的熱流走向，因此Hot Disk除了可以幫助在改善材料熱傳導的應用之外，也可以在使用熱流模擬時能夠提供更完整的參數，讓測試的狀況更完整精確。