Fanglu Shi Sanzhong Liu Fucai Hua
(Technologiecentrum, Fujian Supertech Advanced Materials Co., LTD. Xiamen, 361021)
Samenvatting: Isolatiematerialen zijn onmisbare sleutelmateriaal in thermische beheersystemen voor batterijen. Speciale vacuümisolatiepanelen (VIP) hebben veelbelovende toepassingsperspectieven getoond voor het verbeteren van de prestaties van batterijsystemen, dankzij hun uitstekende isolatie- en brandwerende eigenschappen. Deze paper introduceert voor het eerst systematisch de belangrijkste prestatie-indicatoren van metalen VIP en ultradunne VIP, voert tests en analyses uit naar de warmte-isolerende werking en dynamische warmteoverdrachtskenmerken, en maakt vergelijkingen met huidige aerogel-viltproducten. Het wordt gebruikt voor de isolatie van batterijpakketten, waardoor de aanpassingsvermogen aan lage temperaturen en de levensduur van batterijpakketten aanzienlijk worden verbeterd, en tevens de verspreiding van thermische runaway bij batterijen wordt tegengegaan. Tegelijkertijd biedt het een hoog kosten-nutgehalte. De resultaten tonen aan dat dit nieuwe type speciale vacuümisolatieproducten meer voordelen biedt bij de geïntegreerde ontwikkeling van warmteafvoer, isolatie en brandpreventie voor batterijen en energieopslagsystemen.
Sleutelwoorden: Speciale vacuümisolatiepanelen; Warmtegeleidingscoëfficiënt; Thermische diffusiviteit; Thermisch beheer van batterijen; Thermische runaway
Profiel van de auteur: Fanglu Shi: (Date of Birth: July 12, 1962) Gender: Male Ethnicity: Han Native Place: Zhengning, Gansu Province Education: Master’s Degree Title: Senior Engineer Research Direction: Low-temperature Technology, Thermal Insulation Technology, Vacuum Technology and Its Application
0．IInleiding
De opkomst van elektrische voertuigen op basis van nieuwe energie heeft de energie- en milieuproblemen die door traditionele voertuigen werden veroorzaakt effectief aangepakt. Als kerncomponent van elektrische voertuigen bepalen de levensduur en gebruiksefficiëntie van de batterij de prestaties van het voertuig. Onder de factoren die de levensduur van de batterij beïnvloeden, is de bedrijfstemperatuur de belangrijkste. Te hoge of te lage temperaturen kunnen de prestaties van de batterij aanzienlijk beïnvloeden. Lage temperaturen verlagen de efficiëntie van het laden en ontladen, terwijl hoge temperaturen de levensduur van de batterij verkorten. Als de temperatuur buiten controle raakt, kan dit leiden tot explosies en andere veiligheidsincidenten. Daarom is het waarborgen dat de batterij binnen een veilig temperatuurbereik werkt een zorgpunt voor de gehele industrie.
Vooral met de stijging van de energiedichtheid van batterijen is de actieradius snel verbeterd, maar zijn de betrouwbaarheid en veiligheid van het product steeds duidelijker geworden. Veiligheidsincidenten veroorzaakt door thermische runaway bij batterijen hebben de ontwikkeling van voertuigen op basis van nieuwe energie belemmerd. Hoewel batterijen vóór het verlaten van de fabriek verschillende strenge veiligheidsregels en -tests ondergaan om veilig gebruik te garanderen, kan dit toch niet volledig voorkomen dat er incidenten met thermische runaway optreden.
Het werkingsprincipe van batterijen op basis van nieuwe energie is het leveren van energie via elektrochemische reacties; deze reactie staat dus onvermijdelijk nauw verbonden met de temperatuur van het batterijsysteem. Veel onderzoekers hebben gedetailleerde modellering- en simulatiestudies uitgevoerd over de thermische kenmerken van batterijen en de invloed van temperatuur op de prestaties en levensduur van batterijen [1]. Bijvoorbeeld, Sato [2] et al. toonden aan dat wanneer de batterijtemperatuur boven 50 °C stijgt, zowel de ontladings-efficiëntie als de levensduur aanzienlijk afnemen; Khateeb [3] et al. wezen erop dat wanneer de temperatuur van het batterijpakket boven het optimale bedrijfsbereik uitkomt, de temperatuuregaliteit van het pakket verslechtert, wat kan leiden tot thermische runaway en brandveiligheidsincidenten; Pesaran [4] et al. stelden voor dat de optimale bedrijfstemperatuur van de batterij binnen het bereik van 25–40 °C moet worden gehouden. Daarom is het ontwikkelen van efficiënte technologieën voor warmteafvoer/isolatie en het opzetten van een thermisch beheersysteem voor batterijen, om de batterij binnen een geschikt temperatuurbereik te houden, van cruciaal belang om normaal functioneren te garanderen en veiligheidsincidenten te voorkomen.
Batterijthermisch beheertechnologie kan worden ingedeeld in passieve en actieve technologieën, afhankelijk van of er extra energie wordt verbruikt. Op basis van de verschillen in warmteoverdrachtsmiddelen en warmtewisselingsmethoden kan thermisch beheer verder worden onderverdeeld in modi zoals luchtkoeling, vloeistofkoeling, faseveranderende materialen (PCM) en heatpipes.
Thermisch beheer van batterijen omvat niet alleen de temperatuurregeling van het batterijpakket, maar ook de isolatie/warmteafvoer tussen de cellen. Het eerste heeft vooral betrekking op de operationele kwaliteit van het batterijsysteem en de energie-efficiëntie, terwijl het tweede zich meer richt op thermische runaway en de verspreiding van temperatuur binnen de batterij, wat verband houdt met de veiligheid. Wat betreft onderzoek naar technologieën voor thermisch beheer van lithiumbatterijen, zijn in de literatuur diverse koel- en warmtewisselingsmethoden uitgebreid beschreven [5], maar er bestaan weinig rapporten over de analyse van de eigenschappen van isolatiematerialen die bij thermisch beheer worden gebruikt. In feite spelen isolatiematerialen een zeer belangrijke rol in het thermisch beheer van batterijen, en de relevante indicatoren verschillen afhankelijk van de toepassing. Het kiezen van het juiste isolatiemateriaal is cruciaal voor het verbeteren van het niveau van thermisch beheer [6]. Bovendien heeft de snelle ontwikkeling van nieuwe energiebatterijtechnologie de ontwikkeling van nieuwe isolatiematerialen of isolatiestructuren urgenter gemaakt en nieuwe eisen gesteld:
(1) Thermische runaway in vermogensbatterijen, veroorzaakt door elektrische misbruik, mechanisch misbruik, kortsluiting enz., kan in korte tijd een grote hoeveelheid warmte vrijmaken. Conventionele isolatiematerialen en vloeistofkoelsystemen kunnen dit probleem niet volledig oplossen.
(2) Traditionele voertuigen gebruiken restwarmte om een comfortabele omgeving in de passagierscabine te bieden zonder extra energie te verbruiken, terwijl het thermisch beheer van nieuwe energievoertuigen in wezen vereist dat de eigen energie van de batterij wordt gebruikt om dit te handhaven. Daarom is de ontwikkeling van zeer efficiënte isolatiematerialen, met name materialen met een ultralaag warmtegeleidingsvermogen, bijzonder noodzakelijk.
(3) Naarmate de marktvraag naar de energiedichtheid van vermogensbatterijen blijft stijgen, is een mogelijke oplossing het gebruik van betere isolatiematerialen om het aantal cellen in het batterijpakket te verhogen, waardoor zowel de energiedichtheid als de actieradius toenemen, of om het volume van het batterijpakket te verkleinen en zo de interieurruimte te vergroten en een comfortabele rijervaring te garanderen.
(4) Om nieuwe energievoertuigen geschikt te maken voor uiteenlopende omgevingen, met name in de koude noordelijke winter waar de buitentemperaturen vaak onder -10℃ dalen, is het moeilijk voor nieuwe energievoertuigen om bij stilstand de normale temperatuurbereik te handhaven dat nodig is voor vermogensbatterijen. Dit kan leiden tot een daling van de capaciteit en levensduur van de batterij. Daarom moet het batterijsysteem betrouwbare en efficiënte maatregelen voor warmtebehoud toepassen.
(5) Als reactie op de veiligheidsproblemen die door elektrische voertuigen aan het licht zijn gekomen, hebben relevante ministeries en commissies achtereenvolgens meerdere verplichte nationale normen uitgevaardigd [7-9], waardoor de veiligheidseisen verder zijn versterkt en duidelijk is vastgelegd dat het batterijsysteem niet mag branden of exploderen binnen “5 minuten” na thermische runaway, wat een gouden vluchtijd biedt voor inzittenden. Elke oplossing voor thermische runaway kan niet zonder uitstekende warmte-isolatiematerialen.
1．Veelgebruikte thermische isolatiematerialen voor het thermisch beheer van batterijen
Op dit moment worden in energiebatterijen meestal schuim, vezels, aerogel-dekens en speciale vacuüm-isolatiepanelen (VIP) gebruikt; elk heeft zijn voor- en nadelen. Als thermische isolatiematerialen worden deze materialen voornamelijk beoordeeld aan de hand van hun warmtegeleidingscoëfficiënt. Figuur (1) geeft de verschillen weer in de warmtegeleidingscoëfficiënt van vier veelgebruikte isolatiematerialen. Wanneer dezelfde isolatieprestatie wordt bereikt, verschilt ook de benodigde dikte van de isolatie. Schuim en vezels hebben relatief slechte isolatie-eigenschappen en zijn moeilijk te installeren, maar ze zijn goedkoop. Aerogel-composietvilt wordt vervaardigd door een nieuw type aerogel-nanopoeder met vezels te combineren. Het product heeft een lage warmtegeleidingscoëfficiënt en is slechts 1/2 tot 1/5 zo dik als traditionele materialen. Daarnaast beschikt het over uitstekende temperatuurbestendigheid, een breed bedrijfstemperatuurbereik (-196 tot 1000℃) en stabiele prestaties. Dit product wordt al toegepast in het thermische beheersysteem van nieuwe-energiebatterijen [20]. Echter, aerogel-vilt met uitstekende eigenschappen is relatief duur. Naarmate de eisen aan de isolatieprestaties van thermische beheersystemen verder toenemen, staat de verbetering van deze prestaties bovendien voor steeds grotere uitdagingen.
Figuur 1. Thermische isolatieprestaties van vier soorten isolatiematerialen
Het vacuüm-isolatiepaneel (VIP)-product wordt getoond in figuur (2). Het betreft een nieuwe generatie zeer efficiënt warmte-isolatiemateriaal. De kern bestaat uit vezel- of poedermaterialen. Een hoogbarrière coatingmembraan zorgt voor een luchtdichte vacuümomgeving. Door gasgeleiding effectief te isoleren via vacuüm, wordt een goede warmte-isolatie bereikt. Het product kent een extreem lage warmtegeleidingscoëfficiënt. De isolatiestructuur is compact en slechts 1/8 tot 1/10 zo dik als traditionele materialen. Het absorbeert geen water en is bestand tegen zuur- en alkalische corrosie. Dit product wordt op grote schaal toegepast in huishoudelijke apparaten, de chemische industrie en de nieuwe-energiesector. De lage warmtegeleidingscoëfficiënt en de lage temperatuurdiffusiecoëfficiënt van speciale VIP-producten bieden mogelijkheden voor een compact ontwerp van nieuwe-energiebatterijen en verhogen daarmee de veiligheid nog verder.
Figuur 2. vacuüm isolatiepaneel(VIP)
2．Prestaties en warmteoverdrachtskenmerken van metalen VIP en ultradunne VIP
2.1 Structuur en warmte-isolatieprestaties van metalen VIP
Metalen VIP maakt gebruik van aluminiumfolie of roestvrijstalen folie als membraanmateriaal, en basaltvezel, hoge-siliciumoxide enzovoort als kernmateriaal. Na vacuümverwijdering wordt het afgesloten door lassen. Het product kenmerkt zich door bestandheid tegen hoge en lage temperaturen, lage warmtegeleidingscoëfficiënt, stabiele prestaties, punctuurbestendigheid en brandwerendheid van klasse A, evenals niet-brandbaarheid. Het is naast hoge-siliciumvezel en aerogel-vilt een ander geprefereerd hoogefficiënt warmte-isolatiemateriaal. De belangrijkste indicatoren staan weergegeven in tabel (1).
| Tabel 1. Belangrijkste prestatie-indicatoren van metalen VIP | |
| Centrale thermische geleidbaarheid (25℃) | ＜3 mw/（m·k） |
| Gramgewicht (1,5 mm dikte) | 1,3-2,0 kg/m2 |
| IIntegrale lektest | ≤10-10Pa.m3/s |
| Toepasselijk temperatuurbereik | -253-1000℃ |
(a) Testapparatuur voor thermische respons b) Schematisch diagram van het testprincipe
Figuur 3. Apparaat voor temperatuurreactietests
Om de niet-stationaire kenmerken van het warmteoverdrachtsproces binnen het brede temperatuurbereik van metalen VIP te evalueren, werden de temperatuurreacties van zowel het koude als het hete oppervlak gemeten met behulp van het testapparaat zoals weergegeven in figuur (3). Wanneer het hete oppervlak (verwarmingsoppervlak) wordt gehouden bij hoge temperaturen van 200℃, 400℃ en 600℃, neemt de temperatuur van het koude oppervlak geleidelijk toe in de loop van de tijd, zoals weergegeven in figuur (4), en bereikt respectievelijk 23,4℃, 26,8℃ en 123,1℃. Onder 400℃ blijft de temperatuur van het koude oppervlak vrijwel gelijk aan kamertemperatuur. Zelfs bij een hoge temperatuur van 600℃ blijft metalen VIP uitstekende isolatieprestaties leveren. De temperatuur aan de koude kant bedraagt slechts 123,1℃, waardoor het temperatuurverschil tussen de hete en koude kant oploopt tot 476,9℃. Het 8 mm dikke metalen VIP vertoont uitstekende warmte-isolatieprestaties over een breed temperatuurbereik.
Figuur 4. Temperatuurreactiekromme van het koude oppervlak van het monster
De binnenkant van de metalen VIP is gevuld met hittebestendige kernmaterialen en vacuümgevuld, waardoor uitstekende warmte-isolatieprestaties worden bereikt in een richting loodrecht op de metalen VIP. Het externe bekledingsmateriaal bestaat uit roestvrijstalen folie. Het warmteoverdrachtsproces van deze unieke “warmteafvoer – warmteisolatie – warmteafvoer”-structuur van de metalen VIP vertoont tweedimensionale warmteoverdrachtskenmerken, zoals weergegeven in Figuur (5). Uit de resultaten van de thermische beeldvorming (Figuur 6) blijkt dat de oppervlaktetemperatuur van de metalen VIP zich snel verspreidt en afneemt in alle richtingen, met het verwarmingsgebied als middelpunt. In de richting parallel aan het plaatoppervlak heeft het een goede warmteafvoereffect. Als het bekledingsmateriaal wordt gekozen als een materiaal met hoge thermische geleidbaarheid, zoals aluminiumfolie, en verbonden wordt met het warmteafvoersysteem van het thermisch beheer, dan wordt dankzij de goede warmteisolatie in de richting loodrecht op het plaatoppervlak de warmteoverdracht tussen de batterijcellen sterk verminderd. Hierdoor wordt de temperatuursdiffusie aanzienlijk vertraagd, kan de opgehoopte warmte effectief via de parallelle plaatoppervlakrichting worden afgevoerd door het warmteafvoersysteem, of kan de thermische belasting aanzienlijk worden gereduceerd, waardoor een goed thermisch beheer van de batterij wordt bereikt.
Figuur 5. Tweedimensionale warmteoverdracht Figuur 6. Thermische beeldvorming van het monster schematisch diagram van metalen VIP
2.2 Uitstekende warmte-isolatieprestaties en hoge kosteneffectiviteit
De vergelijkende test van de koude-zijde temperatuurreactie van een metalen VIP van 8 mm dik en een aerogel-vilt van 9 mm dik, met dezelfde lengte en breedte, onder omstandigheden van 400℃ en 600℃ aan de hete zijde, is weergegeven in Figuur (7). Vergeleken met het aerogel-vilt is de temperatuur aan de koude zijde van de metalen VIP significant lager, met respectievelijk verschillen van 148,4℃ en 204,8℃. Tijdens het snelle verwarmingsproces (niet-stationaire toestand), waarbij het hete oppervlak continu wordt verwarmd van kamertemperatuur tot 200℃ en 400℃, vertonen ook de temperaturen van de koude en hete zijde van de metalen VIP duidelijke verschillen ten opzichte van die van het aerogel-vilt. De temperatuurreacties van de koude en hete zijde zijn weergegeven in Figuur (8). Daarom, vanwege de lagere thermische geleidbaarheid of thermische diffusiecoëfficiënt van de metalen VIP, wordt de snelheid van temperatuurverspreiding of -diffusie aanzienlijk vertraagd, wat zorgt voor een langere veilige ontsnappingstijd bij thermische ontploffing van de batterij of aanzienlijk vermindert de thermische belasting van het koelsysteem voor thermisch beheer. Voor ternaire lithiumbatterijen kan de maximale temperatuur bij thermische ontploffing van de batterijcellen oplopen tot 700–800℃. Momenteel worden in de industrie over het algemeen 2,5 mm dikke aerogel-pads gebruikt voor isolatie tegen thermische ontploffing (waarbij de temperatuur van aangrenzende cellen binnen 200℃ moet worden gehouden). Het gebruik van metalen VIP kan de dikte van de aerogel effectief verminderen, waardoor er meer ruimte en gewicht vrijkomt voor het batterijsysteem. Tabel 2 vergelijkt en berekent de belangrijkste parameters van twee isolatiemethoden, namelijk aerogel-vilt en metalen VIP, voor batterijpakketten van specifieke afmetingen. Afgezien van een toename van het totale gewicht, is de thermische weerstand van metalen VIP vijf keer zo hoog als die van aerogel-vilt, terwijl de dikte aanzienlijk wordt verminderd, wat duidelijk een hoge kosteneffectiviteit aantoont.
Figuur 7. Temperatuurreactiecurves van de koude zijde van metalen VIP en aerogel-vilt
Figuur 8. Temperatuurreactiecurves van de koude/hete oppervlakken van metalen VIP en aerogel-vilt
Tabel 2. Kosteneffectiviteit van twee isolatiemethoden voor ternaire lithiumbatterijen
| TLB
|
Afmetingen (mm) | Dikte (mm) | Aantal
(stuks) |
Prijs
(RMB/m2） |
Bruto gewicht.
(kg/m2） |
Rth(m2.k/w) |
| Aerogel vilt | 205*98 | 2.5 | 216.0 | 169 | 1.7 | 0.1 |
| Metaal VIP | 205*98 | 1.5 | 216.0 | 160 | 1.4 | 0.5 |
2.3 Ultradunne VIP voor isolatie van batterijpakketten
Een groot aantal experimenten heeft aangetoond dat de bedrijfstemperatuur van batterijpakketten significant correleert met de retentiegraad van de ontlaadcapaciteit. Zoals weergegeven in Figuur (9), is dit de trendgrafiek van de retentiegraad van de ontlaadcapaciteit en de temperatuur van de gangbare lithium-ijzerfosfaatbatterijen op de markt. Naarmate de temperatuur daalt, neemt de ontlaadcapaciteit af. Onder -5℃ daalt de ontlaadcapaciteit scherp, en bij -20℃ wordt deze zelfs met bijna 25% verminderd. Dit is ook een van de belangrijke redenen waarom de actieradius van nieuwe energievoertuigen aanzienlijk afneemt in de koude winteromgeving. Tegelijkertijd lost dit het probleem op dat gebruikers in het noorden klagen over de lange oplaadtijd tijdens de winter. Daarom is de algehele isolatie van het batterijpakket cruciaal voor het verlengen van de levensduur van de batterij, het verbeteren van de oplaadefficiëntie en de gebruikerservaring.
Figuur 9. Relatie tussen de retentiegraad van de ontlaadcapaciteit van het batterijpakket en de temperatuur
Vacuümisolatie ultradun VIP, met een dikte van slechts 1–5 mm. Het product beschikt over uitstekende warmte-isolatie- en bufferfuncties en heeft een reeks tests en verificaties doorstaan die vereist zijn voor de nieuwe energie-industrie. Met name werd de “Dubbele 85” milieubetrouwbaarheidstest uitgevoerd volgens de GB/T 2423.50-norm. Onder omgevingsomstandigheden van 85±2℃ en 85±5%RH onderging het product een verouderingstest van 1000 uur, waarbij de thermische geleidbaarheid nog steeds lager was dan 8 mw/(m·k), wat duidt op een langdurige weerstand tegen vochtindringing en stabiliteit van de thermische prestaties. De belangrijkste prestatiekenmerken worden weergegeven in Tabel 3. Batchproducten zijn toegepast op gebieden zoals thermische isolatie en bescherming van krachtige lithiumbatterijpakketten.
|
Tabel 3. Belangrijkste prestatiekenmerken van de ultradunne VIP |
|
| Aanvankelijke thermische geleidbaarheid | 3,5 mw/（m·k） |
| Dubbele “85” betrouwbaarheidstest Thermische geleidbaarheid na 1000 uur | ≤ 8 mw/（m·k） |
| Koper acetaatzoutnevel
De verandering in thermische geleiding na 240 uur |
＜ 2 mw/（m·k） |
| spanningsbestendigheid | 3800 VDC, lekkage <1 mA |
| Iisolatie | 5000 MΩ, 1000VDC |
Een bepaald merk batterijpakket maakt gebruik van respectievelijk dezelfde 3 mm dikke thermische isolatieschuim en ultradunne (Yinlin ultrathin™) VIP voor isolatiebehandeling. De initiële temperatuur bedraagt 25℃, en het wordt geplaatst in een koude omgeving van -20℃. Onder natuurlijke convectie daalt de temperatuur van het schuimbatterijpakket in ongeveer 3,5 uur tot 0℃. Echter, het batterijpakket dat Yinlin ultrathin™-VIP gebruikt, had ongeveer 10 uur nodig om zijn temperatuur tot 0℃ te laten dalen. De koelcurve wordt weergegeven in Figuur 10; de warmtebehoudstijd verschilde meer dan drievoudig, waardoor de aanpassingsvermogen van het batterijpakket aan koude omgevingen en de levensduur van de batterij aanzienlijk werden verbeterd.
Figuur 10. Koelcurve van de batterijpack
- 3.Met betrekking tot de thermische geleidbaarheid en thermische diffusiviteit van materialen
De isolatie van batterijpakketten en het thermische beheer tussen cellen in nieuwe-energiebatterijen omvatten twee volledig verschillende warmteoverdrachtsprocessen: stationair en niet-stationair. Daarom zijn de relevante fysische parameters aanzienlijk verschillend. Zoals eerder vermeld, heeft het eerste betrekking op energiebehoud, terwijl het tweede gericht is op veiligheid. Voor de temperatuurregeling van batterijpakketten bevinden het isolatiemateriaal en het batterijpakket zich voornamelijk in een stationair of quasi-stationair warmteoverdrachtsproces. Het warmteoverdrachtsproces wordt over het algemeen beschreven door de Fourier-vergelijking, en de daarbij betrokken karakteristieke parameter is de thermische geleidbaarheid k (Thermal Conductivity), oftewel de warmteoverdrachtscapaciteit onder een bepaalde temperatuurverdeling. De temperatuurregeling tussen cellen van nieuwe-energiebatterijen, met name tijdens het proces van thermische runaway, behoort tot de niet-stationaire warmteoverdracht en richt zich op de dynamische temperatuurveranderingen. Deze wordt meestal gekarakteriseerd door de thermische diffusiviteit a of de thermische geleidingscoëfficiënt. De fysieke betekenis hiervan verwijst naar het vermogen van elk deel van een object om tijdens (snelle) verwarmings- of koelingsprocessen een uniforme temperatuur te bereiken; hiermee wordt de thermische traagheid van het object weergegeven. Hoe kleiner de thermische diffusiviteit, hoe groter de thermische traagheid en hoe langzamer het object het thermisch evenwicht bereikt. Concreet weerspiegelt de thermische diffusiviteit (a=k/ρ×Cp) de algehele relatie tussen de warmtegeleidingscapaciteit (k) van het materiaal tijdens het warmtegeleidingsproces en de warmteopslagcapaciteit (ρ×Cp) van de stoffen langs de weg. De thermische diffusiviteit varieert sterk tussen verschillende materialen. Bijvoorbeeld hout heeft een thermische diffusiviteit van 1,5×10⁻⁷ m²/s, terwijl aluminium een thermische diffusiviteit van 9,5×10⁻⁵ m²/s bezit. Over het algemeen geldt: hoe lager de thermische geleidbaarheid, hoe hoger de dichtheid, hoe kleiner de thermische diffusiviteit en hoe groter de thermische traagheid van het materiaal. Tabel 4 geeft het bereik van de thermische diffusiviteit voor verschillende materialen weer. Duidelijk is dat metalen VIP’s een grote thermische traagheid hebben en bijzonder geschikt zijn voor thermische beheersystemen tussen batterijcellen.
| Tabel 4. Thermische geleidbaarheid en thermische diffusiviteit van diverse materialen bij kamertemperatuur | ||
| Materiaal | warmtegeleidingscoëfficiënt warmtegeleidingscoëfficiënt
（w/m·k） |
thermische diffusiviteit
（10-6 m2/s） |
| Metaal | 4-420 | 3-165 |
| Gas | 0.01-0.20 | 15-165 |
| Niet-metaal (met enkele uitzonderingen) | 0.17-70 | 0.1-1.6 |
| Vloeistof (niet-metalen)) | 0.05-0.68 | 0.08-0.16 |
| Veelgebruikt warmte-isolatiemateriaal | 0.04-0.12 | 0.16-1.6 |
| AAerogel Vilt | 0.016-0.025 | 0.05-0.08 |
| Metaal VIP | 0.003-0.010 | ＜0,01 |
Bovendien richt de huidige test van de thermische prestaties van ultradunne VIP’s voor het thermische beheer van batterijen zich nog steeds voornamelijk op de meting van de centrale thermische geleidbaarheid k-waarde. De meeste meetinstrumenten zijn gebaseerd op nationale normen zoals GB/T 10295, GB/T 10294 en GB/T 39704, of internationale normen zoals ISO 8301 of ASTM C518. Dat wil zeggen dat het berekenen van de k-waarde via de Fourier-vergelijking voor stationaire warmteoverdracht ook de aanbevolen standaard arbitrage-methode is. Echter zijn de meeste instrumenten geschikt voor het meten van producten met een dikte groter dan 10 mm en niet toepasbaar voor het meten van de thermische prestaties van zeer dunne isolatiematerialen met een dikte lager dan 5 mm. Bovendien is ultradunne VIP meestal slechts 1–3 mm dik. Zelfs onder dezelfde voorbelastingsdruk is de relatieve fout bij de diktemeting veel groter dan 10%. Bovendien is het temperatuurverschil tussen beide zijden relatief klein, maar de temperatuurmeetfout is desondanks zeer groot, wat leidt tot aanzienlijke afwijkingen in de meetgegevens tussen verschillende instrumenten; sommige overschrijden zelfs 100% en zijn niet vergelijkbaar. Daarom is het voor de evaluatie van de isolatieprestaties van ultradunne VIP-structuren wetenschappelijker en redelijker om gebruik te maken van de temperatuurresponscurve van de hete kant of van de temperatuurstijging aan zowel de koude als de hete kant onder bepaalde warmtefluxdichtheid en vaste tijdsintervallen.
4.Vooruitzichten
Vacuümisolatietechnologie en -producten zijn op grote schaal ingevoerd in huishoudelijke apparaten en andere sectoren, en zijn uitgegroeid tot het enige essentiële materiaal voor energiebesparing, vermindering van het energieverbruik en maximale ruimtebenutting in koelapparaten zoals koelkasten en vriezers. Vacuümisolatie voor thermisch beheer van batterijen bevindt zich echter nog in een vroeg stadium. Het vereist grondig productverificatie en ontwerp van productaanpassingsmogelijkheden, afgestemd op de kenmerken van batterijthermische beheersystemen. Desondanks maken de ontwerpmogelijkheden wat betreft vorm en afmetingen van speciale vacuümisolatieplaten (VIP) of vacuümisolatiestructuren (VIS), de flexibele combinatiemogelijkheden van membraanmaterialen, kernmaterialen en vacuümafdichtingsmethoden, evenals de ongeëvenaarde isolatieprestaties, het mogelijk om warmteafvoer-, isolatie-, brandpreventie- of brandcompartimenten te integreren in batterijsystemen. De nieuwe vacuümisolatieplaatproducten bieden een groot toepassingspotentieel voor het thermisch beheer van autobatterijen en energieopslagsystemen.
5.RReferenties
[1] Zhang Liyu, e.a. Basisonderzoek naar de correlatie tussen lithiumbatterijprestaties en temperatuur [J]. Tijdschrift van Xi’an Jiaotong Universiteit, 2018, 52 (5):133-141.
[2] Sato N. Analyse van het thermische gedrag van lithium-ionbatterijen voor elektrische en hybride voertuigen [J]. Journal of Power Sources, 2001, 99(1-2): 70-77.
[3] WILKE S, SCHWEITZER B, KHATEEB S, e.a. Voorkomen van de verspreiding van thermische runaway in lithium-ionbatterijpakketten met behulp van een faseovergangscomposietmateriaal: een experimenteel onderzoek [J]. Journal of Power Sources, 2017, 340: 51 − 59.
[4] Pesaran A A. Batterijthermische modellen voor simulaties van hybride voertuigen [J]. Journal of Power Sources, 2002, 110(2): 377-382.
[5] Rui Xinyu, e.a. Overzicht van het probleem van de verspreiding van thermische runaway bij lithium-ionbatterijen [J]. Batterijindustrie, 2020, 24（3）:193-205.
[6] Jiangxi Zhongmao New Energy Materials Technology Co., LTD. A high-temperature resistant heat insulation sheet: CN222039868U.2024.11.22.
[7] “GB 38031-2020 Veiligheidseisen voor tractiebatterijen van elektrische voertuigen”.
[8] “GB18384-2020 Veiligheidseisen voor elektrische voertuigen”.
[9] “GB38032-2020 Veiligheidseisen voor elektrische bussen”.
