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摘要：
電池充放電過程中產(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）是用來連接電池或電池模組和散熱片的材料，主要用于填補兩種材料接合或接觸時產(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（也稱填縫片），兩種材料各有其優(yōu)缺點。本研究的目的是比較聯(lián)騰達導(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)會使設(shè)計者開發(fā)出更高效和成本合理的電池組。
介紹：
在運輸領(lǐng)域中，電動汽車(EVs)是今后發(fā)展的主要方向之一。 為使電動汽車在市場上贏得更多的份額，目前的主要趨勢是擴大電動汽車的行使里程和增強性能，使之與目前內(nèi)燃機汽車性能類似。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，但實際上在微觀尺度上是粗糙的。
表面粗糙導(dǎo)致只有小部分的表觀表面彼此直接接觸，從而包含了空氣。為了解決該問題，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，需要先使用計量混合設(shè)備混合，然后涂膠到一個基材表面，加壓上另外一個基材，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，但是同時也會對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，可以對兩種材料在兩種固體基材上的穩(wěn)態(tài)傳熱特性進行比較。本次研究和今后的研究數(shù)據(jù)會使設(shè)計者開發(fā)出更高效和成本合理的電池組。
傳熱術(shù)語和定義：
在討論本次研究的實驗方法和結(jié)果之前，首先對熱界面材料的常用傳熱術(shù)語和定義進行簡要的描述。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：溫度的單位還可用開爾文K表示。
更常見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。實際上，熱界面材料的熱阻是通過測量給定穩(wěn)態(tài)熱通量時的ΔT來確定。如圖3 所示，導(dǎo)熱率和界面阻抗可以通過測量一系列TIM膠層厚度的熱阻來確定。如前所述，這些單獨的參數(shù)在評估熱傳遞在離散界面上以及通過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，仍會具有較高的熱阻。這往往是因為TIM材料與一個或兩個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。
實驗：
為了對比導(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LC300 導(dǎo)熱硅膠片跟LCF300 雙組份導(dǎo)熱凝膠（填縫膠），進行此次探究實驗。
(1) 首先依照ISO 22007-2 測試標(biāo)準(zhǔn)，我們用瑞典Hot Disk TPS2500S 熱傳導(dǎo)系數(shù)分析儀，對兩款產(chǎn)品的熱導(dǎo)率進行測試。
從表1測試結(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)率不同對界面熱阻θi 的影響。
(2) 依照ASTM D5470 測試標(biāo)準(zhǔn)，使用湘潭湘儀導(dǎo)熱系數(shù)儀DRL- Ⅲ（以下簡稱湘潭導(dǎo)熱儀）進行這次的熱阻測試對比。因為銅對金屬-TIM-金屬測量具有非常小的熱阻貢獻，銅盤的熱阻（圖5）可以在此次測試分析中忽略不計。
(2) 依照ASTM D5470 測試標(biāo)準(zhǔn)，使用湘潭湘儀導(dǎo)熱系數(shù)儀DRL- Ⅲ（以下簡稱湘潭導(dǎo)熱儀）進行這次的熱阻測試對比。因為銅對金屬-TIM-金屬測量具有非常小的熱阻貢獻，銅盤的熱阻（圖5）可以在此次測試分析中忽略不計。
在分析測試前，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四個厚度（圖6）。導(dǎo)熱填縫膠采用手動點膠的方式點到儀器銅盤上，通過改變壓力分別制備0.5mm，1mm，2mm，3mm 四個厚度，通過儀器加熱固化后直接測試，最大程度模擬了實際使用情況，減少了測試誤差。
測試結(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）熱阻測試對比，對厚度0.5mm，1mm，2mm，3mm 的導(dǎo)熱硅膠片跟導(dǎo)熱填縫膠進行測試，2 組共8 次，得出以下(表2)數(shù)據(jù)。
測試結(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）熱阻測試對比，對厚度0.5mm，1mm，2mm，3mm 的導(dǎo)熱硅膠片跟導(dǎo)熱填縫膠進行測試，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。再從不同厚度進行對比，LC300 厚度越小，導(dǎo)熱測試值越低，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)熱測試結(jié)果會有如此大的差異。
從原理上分析，湘潭導(dǎo)熱儀計算導(dǎo)熱系數(shù)是沒有去掉接觸熱阻的，導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)厚度跟熱阻計算，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)成一個整體去計算的，這種計算方式更偏向于實際應(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,所以實際使用的導(dǎo)熱計算結(jié)果會差異很大。那么隨著厚度的增加,導(dǎo)熱墊片本身的熱阻也越來越大,界面熱阻θi所占總熱阻θ的比例越來越小,所測得的導(dǎo)熱值也越來越接近實際值。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，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際需要的形狀或尺寸，有殘余邊料部分無法使用造成浪費。導(dǎo)熱墊片需要手工操作，硬度做的太軟產(chǎn)品取出會變形。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，液態(tài)導(dǎo)熱填縫材料應(yīng)該是TIM首選 。
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