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摘要：
電池充放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量的有效管理是高能量密度鋰離子電池組的核心因素之一。熱界面材料（TIM）是用來(lái)連接電池或電池模組和散熱片的材料，主要用于填補(bǔ)兩種材料接合或接觸時(shí)產(chǎn)生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，提高器件散熱性能。電池制造商經(jīng)常用的TIM材料有就地成型的液態(tài)可分散的導(dǎo)熱填縫材料和已預(yù)固化的導(dǎo)熱墊片（也稱(chēng)填縫片），兩種材料各有其優(yōu)缺點(diǎn)。本研究的目的是比較聯(lián)騰達(dá)導(dǎo)熱填縫材料和導(dǎo)熱率相當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱墊片的熱阻。本次和今后的應(yīng)用研究數(shù)據(jù)會(huì)使設(shè)計(jì)者開(kāi)發(fā)出更高效和成本合理的電池組。
介紹：
在運(yùn)輸領(lǐng)域中，電動(dòng)汽車(chē)(EVs)是今后發(fā)展的主要方向之一。 為使電動(dòng)汽車(chē)在市場(chǎng)上贏得更多的份額，目前的主要趨勢(shì)是擴(kuò)大電動(dòng)汽車(chē)的行使里程和增強(qiáng)性能，使之與目前內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)性能類(lèi)似。這就迫使電池組工程師必須增加電池能量密度。增加能量密度意味著在更小的空間中會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，因此熱管理就成為電池組性能和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。
圖1顯示了電池組吸收或釋放熱量的三種方式，即輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)。在電池組和冷卻板之間的傳導(dǎo)是在EV電池組最廣泛使用的方法。傳導(dǎo)傳熱的限制因素是電池模組和散熱片等部件之間的界面。如圖2所示，雖然這些部件的表面肉眼看上去非常光滑平整，但實(shí)際上在微觀(guān)尺度上是粗糙的。
表面粗糙導(dǎo)致只有小部分的表觀(guān)表面彼此直接接觸，從而包含了空氣。為了解決該問(wèn)題，如圖2（b）所示，使用TIMs 材料連接界面，取代空氣，從而可以更好的填充微觀(guān)上粗糙的界面。同樣重要的是，TIMs 可以提供良好的電絕緣性能，以防止在高能量電池和常用的金屬散熱器之間發(fā)生高壓擊穿。
電池制造商通常使用液態(tài)點(diǎn)膠就地成型導(dǎo)熱填縫材料或?qū)釅|片中的一種。但二者的工藝有著很大的不同。導(dǎo)熱填縫材料，需要先使用計(jì)量混合設(shè)備混合，然后涂膠到一個(gè)基材表面，加壓上另外一個(gè)基材，壓縮到設(shè)定厚度。然后使材料固化，形成柔順的固體界面。相反的，導(dǎo)熱墊片需要先固化成型，然后切割成一定形狀，放置在兩個(gè)基材之間，壓縮到設(shè)定厚度，并固定到位。施加一定的壓力可以使柔順的導(dǎo)熱墊片與粗糙的基材表面緊密接觸，但是同時(shí)也會(huì)對(duì)其熱阻有一定的影響。
鑒于導(dǎo)熱填縫材料和導(dǎo)熱墊片的固有的應(yīng)用上和物理上的差異，可以對(duì)兩種材料在兩種固體基材上的穩(wěn)態(tài)傳熱特性進(jìn)行比較。本次研究和今后的研究數(shù)據(jù)會(huì)使設(shè)計(jì)者開(kāi)發(fā)出更高效和成本合理的電池組。
傳熱術(shù)語(yǔ)和定義：
在討論本次研究的實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果之前，首先對(duì)熱界面材料的常用傳熱術(shù)語(yǔ)和定義進(jìn)行簡(jiǎn)要的描述。熱量從熱基板轉(zhuǎn)移到冷板的能力將由熱界面材料的熱阻控制。這個(gè)熱阻可以由下面方程定義:R= ΔT/Q
式中：R是熱界面材料的熱阻，單位是°C/W；ΔT是熱板和冷板間的溫度差，單位是°C；Q是熱源的功率，單位是W。注釋?zhuān)簻囟鹊膯挝贿€可用開(kāi)爾文K表示。
更常見(jiàn)的是界面熱阻的定義，它與上述熱阻方程非常相似，但考慮了熱流：θ=ΔT/Q/A，式中:A是界面的橫截面積,單位是m2
熱界面材料的熱阻反映了兩個(gè)性質(zhì)，熱界面材料在基板的離散界面上傳遞熱量的能力(或不可操作性)和熱界面材料本身的熱導(dǎo)率?？梢杂孟旅婀奖硎荆害?θi+t/k
式中：θ是熱界面材料膠層的熱阻:θi ,是熱界面材料膠層頂界面和底界面的界面阻抗；t是熱界面材料膠層厚度；k 是熱界面材料的導(dǎo)熱率。實(shí)際上，熱界面材料的熱阻是通過(guò)測(cè)量給定穩(wěn)態(tài)熱通量時(shí)的ΔT來(lái)確定。如圖3 所示，導(dǎo)熱率和界面阻抗可以通過(guò)測(cè)量一系列TIM膠層厚度的熱阻來(lái)確定。如前所述，這些單獨(dú)的參數(shù)在評(píng)估熱傳遞在離散界面上以及通過(guò)TIM本身的體積方面是特別重要的。例如：一種高導(dǎo)熱率的熱界面材料在較薄的粘接厚度時(shí)，仍會(huì)具有較高的熱阻。這往往是因?yàn)門(mén)IM材料與一個(gè)或兩個(gè)基材的物理接觸不良，因而得到較高的界面熱阻θi 所導(dǎo)致。正是由于這些原因，才需要比較導(dǎo)熱填縫材料和導(dǎo)熱墊片的熱阻性能。
實(shí)驗(yàn)：
為了對(duì)比導(dǎo)熱墊片和導(dǎo)熱填縫膠的界面熱阻的差異，我們選取了聯(lián)騰達(dá)LC300 導(dǎo)熱硅膠片跟LCF300 雙組份導(dǎo)熱凝膠（填縫膠），進(jìn)行此次探究實(shí)驗(yàn)。
(1) 首先依照ISO 22007-2 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，我們用瑞典Hot Disk TPS2500S 熱傳導(dǎo)系數(shù)分析儀，對(duì)兩款產(chǎn)品的熱導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)試。
從表1測(cè)試結(jié)果看，兩者的熱導(dǎo)率是非常接近的，有利于我們后續(xù)的研究，排除了熱導(dǎo)率不同對(duì)界面熱阻θi 的影響。
(2) 依照ASTM D5470 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，使用湘潭湘儀導(dǎo)熱系數(shù)儀DRL- Ⅲ（以下簡(jiǎn)稱(chēng)湘潭導(dǎo)熱儀）進(jìn)行這次的熱阻測(cè)試對(duì)比。因?yàn)殂~對(duì)金屬-TIM-金屬測(cè)量具有非常小的熱阻貢獻(xiàn)，銅盤(pán)的熱阻（圖5）可以在此次測(cè)試分析中忽略不計(jì)。
(2) 依照ASTM D5470 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，使用湘潭湘儀導(dǎo)熱系數(shù)儀DRL- Ⅲ（以下簡(jiǎn)稱(chēng)湘潭導(dǎo)熱儀）進(jìn)行這次的熱阻測(cè)試對(duì)比。因?yàn)殂~對(duì)金屬-TIM-金屬測(cè)量具有非常小的熱阻貢獻(xiàn)，銅盤(pán)的熱阻（圖5）可以在此次測(cè)試分析中忽略不計(jì)。
在分析測(cè)試前，導(dǎo)熱硅膠片樣品的制備是直徑30mm的圓形樣品，厚度分別選取0.5mm，1mm，2mm，3mm四個(gè)厚度（圖6）。導(dǎo)熱填縫膠采用手動(dòng)點(diǎn)膠的方式點(diǎn)到儀器銅盤(pán)上，通過(guò)改變壓力分別制備0.5mm，1mm，2mm，3mm 四個(gè)厚度，通過(guò)儀器加熱固化后直接測(cè)試，最大程度模擬了實(shí)際使用情況，減少了測(cè)試誤差。
測(cè)試結(jié)果和討論：
在設(shè)定35N 相同壓力下（50Kpa），使用湘潭湘儀導(dǎo)熱儀DRL- Ⅲ（圖7）熱阻測(cè)試對(duì)比，對(duì)厚度0.5mm，1mm，2mm，3mm 的導(dǎo)熱硅膠片跟導(dǎo)熱填縫膠進(jìn)行測(cè)試，2 組共8 次，得出以下(表2)數(shù)據(jù)。
測(cè)試結(jié)果和討論：
在設(shè)定35N 相同壓力下（50Kpa），使用湘潭湘儀導(dǎo)熱儀DRL- Ⅲ（圖7）熱阻測(cè)試對(duì)比，對(duì)厚度0.5mm，1mm，2mm，3mm 的導(dǎo)熱硅膠片跟導(dǎo)熱填縫膠進(jìn)行測(cè)試，2 組共8 次，得出以下(表2)數(shù)據(jù)。
首先比較一下兩種材料的熱導(dǎo)率,湘潭湘儀導(dǎo)熱系數(shù)儀DRL- Ⅲ跟Hot disk 值的差異，從數(shù)據(jù)上看LC300 熱導(dǎo)率厚度越小差異越大，LCF300 則熱導(dǎo)率接近。再?gòu)牟煌穸冗M(jìn)行對(duì)比，LC300 厚度越小，導(dǎo)熱測(cè)試值越低，熱阻也越低；LCF300 熱導(dǎo)率則不受厚度的影響，熱阻同樣是厚度越小，熱阻越低。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)畫(huà)出以下圖表：
根據(jù)圖8 圖9，得出如下圖表：
根據(jù)以上數(shù)據(jù)畫(huà)出以下圖表：
根據(jù)圖8 圖9，得出如下圖表：
為什么導(dǎo)熱測(cè)試結(jié)果會(huì)有如此大的差異。
從原理上分析，湘潭導(dǎo)熱儀計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)是沒(méi)有去掉接觸熱阻的，導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)厚度跟熱阻計(jì)算，在厚度相同的情況下，熱阻跟導(dǎo)熱系數(shù)的趨近于反比，即熱阻越大，導(dǎo)熱計(jì)算結(jié)果越低。
熱阻=材料本身熱阻+界面熱阻， LCF300 熱阻=材料熱阻+0， LC300 熱阻=材料熱阻+0.187，所以，LC300 湘潭測(cè)試導(dǎo)熱值不準(zhǔn)確是由于高界面熱阻導(dǎo)致的。
湘潭導(dǎo)熱儀是把界面熱阻跟導(dǎo)熱材料的本身的熱阻當(dāng)成一個(gè)整體去計(jì)算的，這種計(jì)算方式更偏向于實(shí)際應(yīng)用的使用情況。而導(dǎo)熱墊片的接觸熱阻相較于導(dǎo)熱填縫材料高的多,所以實(shí)際使用的導(dǎo)熱計(jì)算結(jié)果會(huì)差異很大。那么隨著厚度的增加,導(dǎo)熱墊片本身的熱阻也越來(lái)越大,界面熱阻θi所占總熱阻θ的比例越來(lái)越小,所測(cè)得的導(dǎo)熱值也越來(lái)越接近實(shí)際值。圖10示意兩種不同狀態(tài)的導(dǎo)熱材料和表面的接觸狀況。
結(jié)論：
表4 詳細(xì)總結(jié)了導(dǎo)熱硅膠片和液態(tài)導(dǎo)熱填縫膠材料的優(yōu)缺點(diǎn)，除導(dǎo)熱效果不同外，生產(chǎn)流程也有區(qū)別。導(dǎo)熱墊片需要裁切到實(shí)際需要的形狀或尺寸，有殘余邊料部分無(wú)法使用造成浪費(fèi)。導(dǎo)熱墊片需要手工操作，硬度做的太軟產(chǎn)品取出會(huì)變形。這些情況液態(tài)導(dǎo)熱填縫材料都可以避免,而且液態(tài)導(dǎo)熱填縫材料可以自動(dòng)化使用。
較好的導(dǎo)熱性能，容易使用，較低的表面應(yīng)力，較低的材料浪費(fèi)，液態(tài)導(dǎo)熱填縫材料應(yīng)該是TIM首選 。
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