氮化铝陶瓷对锂离子电池模组导热性能的提升

吴雪林

【摘  要】随着新能源汽车产业的发展，人们对于新能源汽车的需求越来越高，在各种环境下的加速性能、续航里程、充电时间等等，这对于锂离子电池的性能和安全提出了非常高的要求。本文介绍了氮化铝导热陶瓷材料在锂离子电池上的应用，利用氮化铝陶瓷较高的导热性能和可靠的绝缘性能，增加锂离子电池模组内电芯向模组外壳传热的效率，提高锂离子电池的热性能和安全性能，对于新能源汽车产业的发展具有非常重要的意义。

【关键词】氮化铝陶瓷 锂离子电池 传热

引言

改革开放以来，经过持续30年的经济增长，我国经济总量已经跃居世界第二，成为具有影响力的大国。但是经济的发展给自然环境和生态环境带来了巨大的压力。在科技进步和环境需求导向的共同驱动下，2001年我国启动了新能源汽车专项，明确提出纯电驱动是国家战略。由此我国新能源汽车产业走上了快速发展的道路，在“十二五”期间取得了爆发式增长，一跃成为全球新能源汽车产销第一的国家，而新能源汽车的关键是电池，这极大地促进了锂离子电池产业的发展，使其逐渐成为市场主流。但是各种机械滥用，电滥用，热滥用，我们不得不考虑锂离子电池的可靠性，设法提高其安全性能。研究表明锂离子电池失效大部分是由于内部热量积聚无法快速导出，导致温度过高，进而发生热失控从而引发各种危险。所以如果能将锂离子电池在各种工况下产生的热量快速高效的传导到电池外部，再经由冷却系统带出，对于锂离子电池的安全性能会大幅提升，对于冷却所需消耗的能量也会大幅降低，对于新能源汽车产业的发展也会起到非常大的推进作用。

1.锂离子电池概述

1.1锂离子电池特点

作为高性能的二次电池，锂离子电池在生活中的应用极为广泛在市场上也占很大比例，与其他化学电源相比，锂离子电池具有长寿命、大倍率、高能量密度、自放电率小、能量转换效率高、允许工作范围广、无任何记忆效应、无污染等显著优势，已经普及到各种应用化学电源场合，随着新能源汽车的快速发展，也逐渐在纯电动汽车上普及。但是锂离子电池也有缺点：成本高，正极材料价格昂贵;为了防止过充电和正负极短路，必须有特殊保护电路;材料稳定性差，存在安全隐患。

1.2锂离子电池工作原理

锂离子电池一般由正极、负极、电解质、隔离膜、集流体外壳等构成，其产品外形有圆柱形、方形和软包。工作原理：在充放电过程中，锂离子在正负电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，锂离子从正极脱嵌，通过电解质嵌入到负极，负极会处于富锂状态;放电时，锂离子从负极脱嵌，通过电解质再重新嵌入正极。

锂离子电池正极材料主要是，而负极则为层状石墨，充电时反应如下：

放电时，发生上述反应的逆反应。

2.氮化鋁陶瓷概述

2.1氮化铝陶瓷特性

氮化铝晶体以四面体为结构单元共价键化合物，具有纤锌矿型结构，属六方晶系。化学组成 AI 65.81%，N 34.19%，比重3.261g/cm3，白色或灰白色，单晶无色透明，常压下的升华分解温度为2450℃。为一种高温耐热材料。热膨胀系数（4.0-6.0）×10-6/℃。多晶体氮化铝热导率高达260W/（m.k），比氧化铝高5-8倍，所以耐热冲击好，能耐2200℃的极热。

氮化铝陶瓷基片具有热导率高、膨胀系数低、强度高、耐高温、耐化学腐蚀、介电损耗小等优点，是理想的大规模集成电路散热基板和封装材料;氮化铝硬度高，超过传统氧化铝，可用于新型耐磨陶瓷材料;利用氮化铝光学性能，可做红外线窗口，氮化铝薄膜可制成高频压电元件、超大规模集成电路基片等;氮化铝陶瓷具有耐热、耐熔融金属侵蚀，对酸稳定。可用作铝、铜、银、铅等金属熔炼的坩埚和烧铸模具材料。

2.2氮化铝陶瓷金属化工艺与前景

目前， 氮化铝陶瓷金属化的方法主要有薄膜法、厚膜法、直接敷铜法、化学镀法等。

工艺优势：氮化铝陶瓷表面金属化，焊接层可直接浸入瓷体，具有很高的银铜与瓷的结合能力，敷银铜合金的厚度0.02～0.15mm;此工艺大大提升了氮化铝陶瓷的机械性能，特别是抗剪切性能，并且使氮化铝陶瓷能够与其他金属能够可靠连接。

由于具有优良的热、电、力学性能。氮化铝陶瓷引起了国内外研究者的广泛关注，随着现代科学技术的飞速发展，对所用材料的性能提出了更高的要求。氮化铝陶瓷也必将在许多领域得到更为广泛的应用！

3.方案设计分析

锂离子电池模组一般是由若干个电芯通过串并联的方式组合在一起，电芯上的正负极耳通过汇流排连接起来，为了防止模组外壳带电，汇流排与模组外壳之间会用塑料绝缘板隔开，虽然起到绝缘作用，但由于塑料材质的低导热系数使得汇流排上的热量很难散到模组外壳上，热量最终会聚集在模组的正负极上，导致模组正负极温度较高，存在安全隐患。利用氮化铝陶瓷的高导热性和绝缘性，将绝缘塑料板用氮化铝陶瓷替代，将模组外壳和回流排连接起来，使汇流排与模组外壳能够进行热量传递。

根据傅里叶定律

Q为单位时间的导热量，又称热流量，单位为W，A为导热面积，为两侧的温差，为材料厚度，已经商用化的氮化铝陶瓷基片热导率高达170W/（m.k），绝缘塑料板一般为PP或PE，导热系数一般为0.3W/（m.K），相同尺寸的氮化铝陶瓷基片替代塑料后，理论上，导热量会增加几百倍。

4.试验条件方法

（1）主要设备

（2）样品

（3）试验条件与方法

在两个模组汇流排上的相同位置布置五个热电偶，用胶水固定好，一个模组按原始状态组装好，另一个模组，将绝缘塑料板开孔，开孔大小与氮化铝陶瓷基板大小相同，氮化铝陶瓷基板焊接在模组外壳上，然后通过塑料板开孔位置，使汇流排与模组外壳连接，利用氮化铝陶瓷基板的高导热性与可靠的绝缘性，是汇流排与模组外壳绝缘的同时又能进行热量的传递。

将两个模组的热电偶与数据采集设备连接好，然后放入到环境仓中，设定环境仓温度为30℃，湿度为45%，模组在此环境中浸置直到汇流排平均温度达到27±1℃，开始1C充放电，整个过程中环境仓温度均保持30℃，实时记录热电偶温度。

（4）数据分析

5.结论

（1）增加氮化铝陶瓷的模组，汇流排上的平均温度较没加陶瓷的模组低，平均低约2℃;

（2）增加氮化铝陶瓷的模组，汇流排上的温差较没加陶瓷的模组低约2.8℃。

试验表明，利用氮化铝陶瓷可以有效的提高模组内部热量向外部的传递，从而降低模组汇流排上的平均温度，而且对于汇流排上的温度一致性也有显著提升，这对于模组在一些恶劣使用条件下的热性能和安全性也会大幅提升，而且能够减少用于模组冷却所需的能量消耗，对于环境的可持续发展和新能源汽车的快速普及具有非常重要的意义。

参考文献

[1]王芳、夏军等.电动汽车动力电池系统设计与制造技术[M].北京：科学出版，2017：1-2.

[2]高陇桥.陶瓷-金属材料实用封接技术[M].化学工业出版社，2011：2.

[3]杨世铭、陶文铨.传热学（第四版）[M].高等教育出版社，2006：3.