电池单体导热率测量设备和使用该电池单体导热率测量设备的电池单体导热率测量方法与流程

本发明涉及一种用于测量袋型电池单体的热学性能、具体是电池单体的导热率的装置以及一种使用该装置来测量导热率的方法。

本申请要求2019年6月18日提交的韩国专利申请号10-2019-0072383的优先权权益，该韩国专利申请的全部内容通过引用被并入本文中。

背景技术：

由于化石燃料的枯竭而导致能源价格上涨以及对环境污染的关注增加，对环境友好型替代能源的需求成为了未来生活必不可少的因素。尤其是，随着技术发展和对移动设备的需求增加，对作为能源的二次电池的需求也在迅速增加。

通常，在电池形状方面，对能够应用于诸如移动电话这样的具有小厚度的产品的棱柱形二次电池和袋型二次电池有很大的需求。在材料方面，对诸如锂离子电池和锂离子聚合物电池这样的、具有高能量密度、放电电压和输出稳定性的锂二次电池有很大的需求。

近年来，由于其制造成本低且重量轻，具有被嵌入在铝层压板的袋状电池壳体中的堆叠型或堆叠/折叠型电极组件的袋型电池受到广泛的关注，并且其使用量正在逐渐增加。

袋型电池单体容纳通过堆叠正电极、分隔件和负电极而制造的堆叠或堆叠-折叠电极组件。正电极和负电极均由电极接线片电连接，并且引出的电极引线连接到电极接线片。

与电极接线片和电极引线连接的电极组件被储存在袋状电池壳体中，然后注入电解质。通过在电极引线的一部分暴露于外部的同时密封电池壳体来制造袋型电池单体。

另一方面，袋型电池单体的电池壳体被制成袋状形状，并且容易加工，因此存在较少的根据电极组件的尺寸或形状的限制，并且能够高效地使用电池单体内部的空间。因此，袋型电池单体具有高能量密度，并且可以被加工成各种形式，并且最近已经以各种形式被用于移动设备和汽车电池中。然而，由于袋型电池单体从小设备到大设备都以高能量密度被应用，因此在设备内部可能发生温度升高。由于该温度升高影响设备本身的性能或引起着火、爆炸等危险，因此掌握从电池单体释放的热流、即电池单体的导热率很重要。

导热率是指表示物体中的导热程度的值，并且是通过将在单位时间内流经垂直于热流的单位面积的热量除以每单位长度的温度差而获得的值。因此这意味着，导热率越高，则热传递越好，通常，金属具有高导热率。

作为测量导热率的方法，已知有热线法(hotwiremethod)、防护热流法(guardedheatflowmethod)和防护热板(guardedhotplatemethod)法。其中，防护热板法是用于测量固体样品(样本)的导热率的方法，并且根据在准确测量样品两侧上的温度的同时通过测量从高温侧流向低温侧的热量来测量导热率的原理来执行。即，在热板的周围布置有被称为防护热板的辅助热板，使得能够在样品中以一维的方式准确形成热流，从而热板具有恒定温度。另外，热量应在垂直于板表面的方向上移动，以计算正确的导热率。

因此，热板和防护热板被布置彼此间隔一定距离，有时热板和防护热板被填充有具有低导热率的材料。

关于防护热板法，还研究了各种结构，除了通过在每个热板和冷却板之间放置测试件来计算和测量热流的常规方法之外，也使用所谓的两件式方法结构，其在热板周围形成上下对称结构。

然而，常规的防护热板法被设计成仅用于测量由单一材料制成的简单类型的测试件。两件式方法的不同之处还在于，它使用两个测试件测量向上方向和向下方向上的热流，但是除了通过对向上方向和向下方向上的导热率进行平均来提高准确性之外，其与常规方法相同，并且其以具有单侧导热率的单一材料为目标，这基本上与常规方法没有区别。

然而，在袋型电池单体的情况下，与单一材料的测试件不同，它包含具有不同性能的各种材料，诸如正电极集电器和负电极集电器、分隔件、电极混合物以及电池壳体，并且每种材料的布置都不是均匀分布的。因此，这不同于单一材料样本。

因此，由于难以使用常规的防护热板法和装置来评估电池单体的热学特性，所以需要一种新的装置和方法。

技术实现要素：

技术问题

本发明的目的在于提供这样一种设备和一种使用该设备的测量方法，该设备用于通过改进难以测量电池单体的热学特性的常规导热率测量装置和测量方法来独立地测量在每个方向上表现出各向异性的电池单体的导热率。

技术方案

为了实现上述目标，根据本发明的用于测量电池单体的导热率的装置可以包括：热板，该热板包括加热元件；和防护热板，该防护热板在与热板的侧面间隔开的状态下包围热板。

另外，可以在垂直于热板的方向上在上部和下部处依次设置测量板、冷却板和冷却单元，并且分别被设置在热板的向上方向和向下方向上的测量板、冷却板和冷却单元关于热板具有对称结构。

在这种情况下，可以在上测量板、下测量板和冷却板之间布置一个电池单体，以测量导热率。

另一方面，防护热板用于基于一维热板在竖直方向上线性地诱导热板的热传递方向，并且其特征在于，防护热板被维持在等于或高于热板的温度，使得从热板产生的热不会移动到侧面。

测量板的厚度的特征在于，测量板的厚度与热板中产生的热量成比例地增大。测量板可以具有高温表面较靠近热板并且低温表面较靠近冷却板的热趋势。随着高温表面和低温表面之间的距离增大，热流趋于均匀。然而，由于热损失随着厚度的增大而增大，因此有必要根据热量将厚度调节为适当的厚度。

优选地，测量板由具有优异导热性和公知参考值的金属材料制成。具体而言，测量板优选为导热率为50w/m·k或以上的金属或金属合金，更具体而言，其特征在于，测量板由铝、铜或其合金这样的金属材料制成。

此外，根据本发明的另一个实施例，可以进一步包括防护测量板，该防护测量板在测量板的侧面在与测量板间隔开的位置处包围测量板，在这种情况下，可以进一步减少测量板中的热损失。

同时，为了进一步减少导热率测量装置侧面的热损失，可以在电池单体导热率测量装置的侧面设置由绝热材料制成的绝热构件。绝热构件优选地与导热率测量装置间隔开地设置，使得不能通过绝热构件实现直接热传递。

热板可以是圆柱体或长方体的形式。热板的形状不受限制，但是为了抑制横向方向上的热损失并促进竖直方向上的一维热传递，热板的形状可以是矩形或正方形，最优选是圆形。

当使用本发明的电池单体导热率测量装置时，能够分别测量电池单体的导热率，每个电池单体的导热率在电池单体的向上方向和向下方向上表现出不同的热特性。具体地，通过下列步骤，能够分别测量竖直方向上的向上方向和向下方向：

计算在垂直于热板的向上方向上施加到电池单体的热量的步骤；

计算在垂直于热板的向下方向上施加到电池单体的热量的步骤；和

通过使用在向上方向上施加的热量和在向下方向上施加的热量来计算电池单体的导热率的步骤。

此时，可以通过以下等式1来计算在垂直于热板的向上方向上施加到电池单体的热量：

[等式1]

(在以上等式1中，pup表示在向下方向上施加到电池单体的热量，t1表示被放置在热板的顶部上的测量板的面对热板的一个表面的温度，t2表示被放置在热板的顶部上的测量板的面对电池单体的另一侧的温度，t3表示被设置在热板下方的测量板的面对热板的一侧的温度，t4表示被放置在热板下方的测量板的面对电池单体的一侧的温度，i表示被施加到热板的电流，v表示被施加到热板的电压。)

另外，可以通过以下等式2来计算在垂直于热板的向下方向上施加到电池单体的热量：

[等式2]

(在以上等式2中，pdown表示在向下方向上施加到电池单体的热量，t1表示被放置在热板的顶部上的测量板的面对热板的一个表面的温度，t2表示被放置在热板的顶部上的测量板的面对电池单体的另一侧的温度，t3表示被设置在热板下方的测量板的面对热板的一侧的温度，t4表示被放置在热板下方的测量板的面对电池单体的一侧的温度，i表示被施加到热板的电流，v表示被施加到热板的电压。)

在使用在上方向上施加的热值的情况下，可以通过以下等式3来计算在电池单体的上方向上的导热率：

[等式3]

(在等式3中，kup表示从电池单体的底部到顶部的竖直导热率，pup表示在上方向上施加到电池单体的热量，ltop表示冷却板的厚度，a表示用于测量热量的单位面积，th表示电池单体的靠近电池单体热板的底部处的温度，tc表示电池单体的靠近冷却板的顶部处的温度。)

另一方面，在使用在向下方向上施加的热值的情况下，可以通过以下等式3来计算在电池单体的向下方向上的导热率：

[等式4]

(在等式4中，kdown表示从电池单体的底部到顶部的竖直导热率，pdown表示在向下方向上施加到电池单体的热量，lbottom表示冷却板的厚度，a表示用于测量热量的单位面积，t’h表示电池单体的靠近电池单体热板的顶部处的温度，t’c表示电池单体的靠近冷却板的底部处的温度。)

有利效果

本发明涉及一种电池单体导热率测量装置和一种使用该装置来测量导热率的方法，其能够根据每个方向分别测量表现出各向异性导热率特性的袋型电池单体的导热率，由此能够根据使用用于二次电池的电池单体的产品的热学特性来高效地执行稳定性评估。

附图说明

图1示意性地示出从根据常规技术的用于测量导热率的装置的侧面观察的结构。

图2示意性地示出从根据常规技术的用于测量导热率的另一个装置的侧面观察的结构。

图3示出从根据本发明实施例的用于测量导热率的装置的侧面观察的结构。

图4是根据本发明实施例的用于测量导热率的装置的结构的三维视图。

图5示出从根据本发明另一实施例的用于测量导热率的装置的侧面观察的结构。

图6是根据本发明另一实施例的用于测量导热率的装置的结构的三维视图。

具体实施方式

由于本发明构思允许各种改变和许多实施例，所以将在附图中示出并且在文本中详细地描述特定的实施例。然而，这不意于将本发明限制为所公开的具体形式，而是应将其理解为包括在本发明的精神和范围内所包括的所有改变、等效形式和替代形式。

在描述附图时，类似的附图标记用于类似的元件。在附图中，为了本发明的清楚性，以放大比例示出了结构的尺寸。用于描述各种部件的术语是为了进行理解，并且这些部件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个部件与另一个部件区分开的目的。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一部件可以被称为第二部件，类似地，第二部件也可以被称为第一部件。除非上下文另外明确指出，否则单数表达包括复数表达。

在本申请中，应理解，诸如“包括…”或“具有…”之类的术语旨在指示存在说明书中所述的特征、数量、步骤、操作、部件、部分或其组合，并且其并不预先排除存在或增加一个或多个其他特征或数量、步骤、操作、部件、部分或其组合的可能性。

而且，当诸如层、膜、区域、板等的部分被称为位于另一部分“上”时，这不仅包括该部分“直接”位于另一部分“上”的情况，而且也包括其间被置入另外的其它部分的情况。另一方面，当诸如层、膜、区域、板等的部分被称为“位于”另一部分“下”时，这不仅包括该部分“直接”位于另一部分“下”的情况，而且也包括其间被置入另外的其它部分的情况。另外，在本申请中，被布置“在…上”可以包括被布置在底部以及顶部处的情况。

在整个说明书中，“上”、“下”、“向上”、“向下”、“上表面”以及“下表面”都是基于本发明的导热率测量装置的热板的竖直方向上的相对位置。例如，“向上方向”上的“热传递”意指相对于热板的竖直方向上的向上方向，而电池单体的“上表面”意指当袋型电池单体被水平地布置在导热率测量装置中时面对“向上方向”的表面。因此，电池单体的“下表面”意指与“上表面”相反的另一表面。

下文中将详细地描述本发明。

近年来，从移动设备到电动车辆的各种产品都需要高能量、高集成的二次电池。袋型二次电池具有优异的空间利用性，并且适合于制造具有高能量集成的二次电池。然而，在使用过程中产生的热量也与方向性成比例地增加。如果在二次电池中产生高热量时不能高效地散热，则二次电池本身可能会发生热失控现象，并且根据包括二次电池的电子设备的热特性而可能会产生不良影响。因此，测量袋型电池单体的热学特性非常重要。

然而，对于电池单体，与由单一材料制成的材料不同，热传导各向异性地发生，因此难以用常规的导热率测量设备来理解特性。为了解决这种问题，本发明的导热率测量装置的特征在于，能够分别测量从袋型电池单体的下表面到上表面的竖直导热率和从上表面到下表面的竖直导热率。

通过这种方式，能够准确地确定在电池单体内部产生并传递到电池单体的上表面和下表面的热量的比率，并且能够在考虑电子产品的内部部分的热学特性的情况下以优化二次电池的放置位置和方向的方式来准备设计。

本发明的用于测量导热率的装置包括：热板，该热板包括加热元件；和防护热板，该防护热板在与热板的侧部间隔开的状态下包围热板。

另外，可以在垂直于热板的方向上的上部和下部处依次设置测量板、冷却板和冷却单元，分别被设置在热板的向上方向和向下方向上的测量板、冷却板和冷却单元在热板周围具有对称结构。由于这种结构，在热板中产生的热量在竖直方向上从热板竖直地移动到冷却板。

在这种情况下，可以在上测量板、下测量板和冷却板之间设置一个电池单体，以测量导热率。

另一方面，防护热板用于基于一维热板在竖直方向上线性地引导热板的热传递方向，并且其特征在于，防护热板被维持在等于或高于热板温度的温度下，使得从热板产生的热量不会移动到侧面。如果将防护热板降到比热板低的温度，则由于从高温移动到低温的特性，从而在侧面也会发生热传递，因此难以准确地测量导热率。

测量板的厚度的特征在于，测量板的厚度与热板中产生的热量成比例地增大。测量板可以具有高温表面较靠近热板并且低温表面较靠近冷却板的热趋势。随着高温表面和低温表面之间的距离增大，热流趋于均匀。即，测量板的厚度越厚，则能够越精确地测量热特性。然而，由于热损失随着厚度的增大而增大，因此有必要根据从热板产生的热量将厚度调节为适当的厚度。

优选地，测量板由具有优异导热性和公知参考值的金属材料制成。具体地，可以选择并使用铝、铜或其合金作为测量板的材料。如果导热率低，则热损失增加很多，使得难以准确地测量热量。

另一方面，测量板是用于测量导热率的标准部件，并且在计算导热率时，测量靠近热板的一个表面和靠近冷却板的另一个表面的温度。

另外，为了最小化由于测量板的厚度增大而引起的热损失，可以将测量板设计成具有类似于热板的结构。根据本发明的另一个实施例，可以进一步包括防护测量板，该防护测量板在测量板的侧面上的与测量板间隔开的位置处包围测量板，在这种情况下，可以进一步减少测量板中的热损失。

为了进一步减少导热率测量装置的侧面的热损失，可以在电池单体导热率测量装置的侧面设置由绝热材料制成的绝热构件。绝热构件优选地与导热率测量装置间隔开地设置，使得不能通过绝热构件实现直接热传递。

热板可以是圆柱体或长方体的形式。热板的形状不受限制，但是为了抑制横向方向上的热损失并促进竖直方向上的一维热传递，热板的形状可以是矩形或正方形，最优选是圆形。

当使用本发明的电池单体导热率测量装置时，能够分别测量电池单体的导热率，每个电池单体的导热率在电池单体的向上方向和向下方向上表现出不同的热特性。具体地，通过下列步骤，能够分别测量竖直方向上的向上方向和向下方向：

计算在垂直于热板的向上方向上施加到电池单体的热量的步骤；

计算在垂直于热板的向下方向上施加到电池单体的热量的步骤；和

通过使用在向上方向上施加的热量和在向下方向上施加的热量来计算电池单体的导热率的步骤。

在常规的防护热板方法中，基于如下原理来执行两件式方法：在主热板和辅助热板的温度被设定成相同的同时，在主热板的竖直方向上形成恒定的热通量。因而，辅助热板的尺寸应非常大，并且辅助热板应被维持在与热板相同的温度下。而且，假设上测试件和下测试件具有相同材料和材料导热率，则作为向上方向和向下方向上的导热率的平均值而获得发热值。因此，该方法适合于测量具有均匀导热率的各向同性材料或绝热材料的热性能，但是不能通过该方法来测量袋型电池单体的导热率。

因此，在本发明的导热率测量装置中，测量板被设置在热板的上方和下方，以分别测量向上方向上的热量和向下方向上的热量。另外，应与电池单体的尺寸相对应地使热板变大，但是当设置测量板时，可以使防护热板相对较小，并且可以将防护热板的温度维持在高于热板的温度下，以便容易调节。

导热率测量装置的测量原理如下。

从热板产生的总热量可以被表达为电流和电压的乘积，其等于向上方向上的热量与向下方向上的热量之和。

另一方面，通过使用上测量板和下测量板的表面温度，能够获得施加到竖直方向的每一个方向的热的比率。通过使用该方法，可以分别获得电池单体的向上方向和向下方向的导热率，并且还可以容易地计算该比率。

首先，可以通过以下等式1来计算在垂直于热板的向上方向上施加到电池单体的热量。

[等式1]

在以上等式1中，pup表示在向下方向上施加到电池单体的热量，t1表示被放置在热板的顶部上的测量板的面对热板的一个表面的温度，t2表示被放置在热板的顶部上的测量板的面对电池单体的另一侧的温度，t3表示被设置在热板下方的测量板的面对热板的一侧的温度，t4表示被放置在热板下方的测量板的面对电池单体的一侧的温度，i表示被施加到热板的电流，v表示被施加到热板的电压。

然后，可以通过以下等式2来计算在垂直于热板的向下方向上施加到电池单体的热量。

[等式2]

在以上等式2中，pdown表示在向下方向上施加到电池单体的热量，t1表示被放置在热板的顶部上的测量板的面对热板的一个表面的温度，t2表示被放置在热板的顶部上的测量板的面对电池单体的另一侧的温度，t3表示被设置在热板下方的测量板的面对热板的一侧的温度，t4表示被放置在热板下方的测量板的面对电池单体的一侧的温度，i表示被施加到热板的电流，v表示被施加到热板的电压。

通过使用分别计算出的发热值，可以计算电池单体的导热率。下面示出根据等式3和等式4的导热率计算因子。

首先，在使用在向上方向上施加的热值的情况下，可以通过以下等式3来计算在电池单体的向上方向上的导热率。

[等式3]

在等式3中，kup表示从电池单体的底部到顶部的竖直导热率，pup表示在上方向上施加到电池单体的热量，ltop表示冷却板的厚度，a表示用于测量热量的单位面积，th表示电池单体的靠近电池单体热板的底部处的温度，tc表示电池单体的靠近冷却板的顶部处的温度。

在使用在下方向上施加的热值的情况下，可以通过以下等式4来计算在电池单体的下方向上的导热率。

[等式4]

在等式4中，kdown表示从电池单体的底部到顶部的竖直导热率，pdown表示在向下方向上施加到电池单体的热量，lbottom表示冷却板的厚度，a表示用于测量热量的单位面积，t’h表示电池单体的靠近电池单体热板的顶部处的温度，t’c表示电池单体的靠近冷却板的底部处的温度。

通过使用kup和kdown值，可以针对每个方向分别计算各向异性电池单体的导热率，并且还容易看出在每个方向上的传递热的速率。

下文中，将参考每一附图更详细地描述本发明的导热率测量装置的结构。

图1示出了常规导热率测量装置10，其设有热板11、防护热板12、测量板13、防护板14、冷却板16、绝热材料17、防护板18。这里，测试件15被设置在冷却板16上。由于从热板11产生的热量在冷却板16的方向上竖直地移动，因此发生了从测试件15的顶部向底部的热传递。因此，该方法仅适用于各向同性材料。另外，由于侧面的热损失大，因此虽然能够掌握近似的热学特性，但是无法进行精确的测量。另外，测量板13不直接测量在热板11中产生的热量，而是用作绝热材料，用于防止在测量热量时的热损失。因此，图1的测量装置10并不测量测量板13的竖直方向上的表面温度。另一方面，与常规测量装置不同，本发明的测量装置中设置的测量板是以垂直对称结构来设置，并且其不用作绝热材料，而是用于在直接测量测量板的表面温度时、计算在热板的竖直方向上移动的热量。

图2示出了另一常规导热率测量装置20，与图1的导热率测量装置10相比，该导热率测量装置20进一步得到了改进。导热率测量装置20包括热板21、测量板22、测量仪器23、防护板24、防护热板25、冷却板27、冷却单元28以及绝热材料29。测试件被设置在冷却板27上，并且发生从顶部到底部的热传递。图1的导热率测量装置10具有进一步抑制了热损失的结构，但是同样地，只能测量一个方向上的导热率，因此不适合测量电池单体的导热率。

图3和图4示出了本发明的导热率测量装置100的实施例。热量从中心热板110竖直地向上和向下移动，并且防护热板120与热板110的侧表面间隔开，以防止在横向方向上的损失。另外，上测量板131和下测量板132在竖直方向上与热板相邻地设置，并且测量上测量板131和下测量板132的相应表面的温度，由此可以检查在竖直方向上传递的热量的比率。然后，设置上冷却板141和下冷却板142，并且上冷却单元151和下冷却单元152与上冷却板141和下冷却板142相邻地设置，由此维持冷却板的低温。电池单体101和102分别被设置在向上方向和向下方向上，并且相同类型的电池单体应被设置在相同方向上，以便分别计算从下表面到上表面的方向的导热率以及从上表面到下表面的导热率。

图5和图6示出了本发明的导热率测量装置200的另一实施例。热量从中心热板210竖直地向上和向下移动，并且防护热板220与热板210的侧表面间隔开，以防止在横向方向上的损失。另外，上测量板131和下测量板132在竖直方向上与热板相邻地设置，并且测量上测量板131和下测量板132的相应表面的温度，由此可以检查在竖直方向上传递的热量的比率。另外，防护测量板241和242分别与上测量板131和下测量板132的每一侧间隔开。通过这种方式，能够进一步减少测量板中的热损失，并且能够均匀地维持热传递特性。接下来，设置上冷却板251和下冷却板252，并且上冷却单元261和下冷却单元262与上冷却板251和下冷却板252相邻地设置，由此维持冷却板的低温。电池单体201和202分别被设置在向上方向和向下方向上，并且相同类型的电池单体应被设置在相同方向上，以便分别计算从下表面到上表面的方向的导热率以及从上表面到下表面的导热率。

附图标记说明

10：导热率测量装置

11：热板

12：防护热板

13：测量板

14：防护板

15：测试件

16：冷却板

17：绝热材料

18：防护板

20：导热率测量装置

21：热板

22：测量板

23：测量仪器

24：防护板

25：防护热板

26：测试件

27：冷却板

28：冷却单元

29：绝热材料

100：导热率测量装置

101：上电池单体

102：下电池单体

110：热板

120：防护热板

131：上测量板

132：下测量板

141：上冷却板

142：下冷却板

151：上冷却单元

152：下冷却单元

150：绝热材料

200：导热率测量装置

201：上电池单体

202：下电池单体

210：热板

220：防护热板

231：上测量板

232：下测量板

241：上防护测量板

242：下防护测量板

251：上冷却板

252：下冷却板

261：上冷却单元

262：下冷却单元

270：绝热材料