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01 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材料有原位固化的液態(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(diǎn)。本研究的目的是比較CoolTherm^?導(dǎo)熱填縫材料和導(dǎo)熱率相當(dāng)?shù)哪呈惺郛a(chǎn)品導(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。

02 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)際上在微觀尺度上是粗糙的。

圖1: 電池或電池模組內(nèi)的傳熱方法

圖2: 固體表面之間空氣(a) 和 (b)TIM填充的界面微觀描述

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(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)膠原位固化導(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。在本研究中，通過(guò)對(duì)三明治結(jié)構(gòu)的金屬-TIM-金屬的熱阻的測(cè)試，對(duì)比洛德的CoolTherm和導(dǎo)熱率相當(dāng)?shù)氖惺蹖?dǎo)熱墊片的熱阻。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。

03 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)熱阻可以由下列方程定義 : 

式中：R是熱界面材料的熱阻，單位是°C/W；?T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(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。 

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?/span>

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?T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。

圖3: 用熱阻與厚度測(cè)量材料導(dǎo)熱率 k（斜率的倒數(shù)），和界面熱阻θi（y截距）

04 實(shí)驗(yàn)

表1列出了導(dǎo)熱填縫材料和導(dǎo)熱墊片在 本研究中使用的關(guān)鍵性能。選擇了與 CoolTherm SC-1200和SC-1500導(dǎo)熱填 縫材料具有相當(dāng)熱導(dǎo)率和硬度的市售 導(dǎo)熱墊片。

表1: 市售導(dǎo)熱墊片與洛德導(dǎo)熱填縫材料對(duì)比試驗(yàn)

(a) ISO 22007 Hot Disk方法測(cè)試 (b) TDS數(shù)據(jù)，ASTM D5470方法測(cè)試

依照ASTM D5470標(biāo)準(zhǔn)，使用安賽斯科技有限公司（Analysis Tech）的 TIM1400熱阻儀來(lái)進(jìn)行測(cè)試。因?yàn)殂~對(duì)金屬-TIM-金屬測(cè)量具有非常小的熱阻貢獻(xiàn)，所以選擇銅作為模擬散熱器的金屬表面。因?yàn)殂~對(duì)金屬-TIM-金屬測(cè)量具有非常小的熱阻貢獻(xiàn)，銅對(duì)熱阻測(cè)量的貢獻(xiàn)會(huì)從以下報(bào)道的數(shù)值中除去。

在分析測(cè)試前，導(dǎo)熱填縫材料樣品制備是配合直徑33mm，厚度3mm的測(cè)試用的光滑銅盤(pán)。用手動(dòng)點(diǎn)膠的方式將洛德CoolTherm SC-1200和SC-1500 導(dǎo)熱填縫材料點(diǎn)到銅盤(pán)上。起始厚度是3mm，通過(guò)改變壓力來(lái)制備不同厚度膠層的銅-導(dǎo)熱填縫材料-銅三明治 結(jié)構(gòu)，然后室溫條件下固化。市售的導(dǎo)熱墊片先切成33mm的直徑，然后制成銅-導(dǎo)熱墊片-銅三明治結(jié)構(gòu)的測(cè)試樣品。導(dǎo)熱墊片的厚度與施加的壓力決定了粘接膠層的厚度。圖4 顯示了銅-TIM-銅三明治結(jié)構(gòu)。

圖4: 測(cè)試熱阻用的銅-TIM-銅三明治結(jié)構(gòu)樣塊

在測(cè)量TIM的熱阻抗之前，確定了在不同壓力下銅盤(pán)和TIM測(cè)試板的界面的熱阻。銅本身熱阻由其厚度和報(bào)導(dǎo)的導(dǎo)熱率398 W/m·K計(jì)算得出。壓板界面的界面熱阻是通過(guò)測(cè)量一個(gè)銅盤(pán)的熱阻來(lái)確定的，該銅盤(pán)在頂部和底部各用一滴200cSt粘度的硅油潤(rùn)濕。本實(shí)驗(yàn)在不同的壓力下重復(fù)測(cè)試。然后從銅-TIM-銅樣品中減去銅盤(pán)的體積熱阻和測(cè)得的壓板界面熱阻，得到TIM材料的熱阻。

在TIM1400熱阻儀器上，在最低為50 kPa的壓力下測(cè)試導(dǎo)熱填縫材料熱阻。在50-650kPa的壓力下測(cè)試導(dǎo)熱墊片的熱阻。該壓力范圍有利于捕獲廣泛的載荷，這些載荷可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的接觸并給出最終的粘接膠層厚度。圖5顯示了銅-TIM-銅三明治型測(cè)試樣塊的圖片。滴加少量的硅油在銅-TIM-銅三明治型和TIM400測(cè)試儀之間的界面上，以確保空氣被排除。

圖5: ASTM D5470認(rèn)證過(guò)的TIM1400測(cè)試儀上的銅-TIM-銅三明治型測(cè)試樣塊

圖6: 熱阻 (a) 洛德導(dǎo)熱填縫材料 (b) 市面銷售固態(tài)導(dǎo)熱墊片（P=50kPa）

從圖6 的y軸截距和表2數(shù)值還可以看出導(dǎo)熱墊片和導(dǎo)熱填縫材料的界面熱阻的差異。導(dǎo)熱墊片1的界面熱阻比CoolTherm SC-1200的界面熱阻高 2.3倍，導(dǎo)熱墊片2的的界面熱阻比 CoolTherm SC-1500的界面熱阻要高近5.5倍。導(dǎo)熱填縫材料界面熱阻顯著低于導(dǎo)熱墊片可能由于導(dǎo)熱填縫材料和界面的接觸較好，進(jìn)而降低了界面熱阻。

再來(lái)看看壓力對(duì)導(dǎo)熱墊片1的厚度和熱阻的影響（見(jiàn)圖7）。正如預(yù)料，熱阻和厚度隨著壓力增加而減小。但有時(shí)通過(guò)增加壓力來(lái)減小熱阻可能是不現(xiàn)實(shí)的。從圖7可以看到，如果要得到接近于導(dǎo)熱填縫材料CoolTherm SC-1200的熱阻值（1mm/50 kPa壓力），需要用650 kPa 的壓力將1mm導(dǎo)熱墊片1擠壓到0.64mm。高壓力可能損傷電池包或散熱板。

圖7: 熱阻vs壓力--固態(tài)導(dǎo)熱墊片1。左下角照片是650 kPa壓力后樣品的狀態(tài)

現(xiàn)在來(lái)比較導(dǎo)熱墊片1和導(dǎo)熱填縫材料 CoolTherm SC-1200的熱阻和厚度的關(guān)系（見(jiàn)圖8）。注明：導(dǎo)熱墊片的厚度變化是通過(guò)持續(xù)擠壓實(shí)現(xiàn)的。而導(dǎo)熱填縫材料的樣品厚度是固化前 設(shè)計(jì)好的，樣品測(cè)試時(shí)的壓力固定為 50kPa。這樣比較是模擬實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在同樣厚度下，導(dǎo)熱墊片的熱阻比導(dǎo)熱填縫材料高很多。主要?dú)w因于導(dǎo)熱墊片的較高界面熱阻（見(jiàn)表2）；然而導(dǎo)熱墊片本身的熱導(dǎo)率較低也會(huì)有影響。除此之外，對(duì)于表觀起始厚度1mm導(dǎo)熱墊片，厚度對(duì)熱阻影響更明顯。比如，表觀厚度1mm的導(dǎo)熱墊片1在1.2mm時(shí)的熱阻比擠壓到 0.95mm 時(shí)至少高 3K·cm²/W。

圖8: 熱阻vs厚度--固態(tài)導(dǎo)熱墊片1 和液態(tài)導(dǎo)熱填縫材料CoolTherm SC-1200

表2: 測(cè)量的熱導(dǎo)率和界面熱阻-- 洛德液態(tài)填縫材料和市面銷售固態(tài)導(dǎo)熱墊片

重點(diǎn)提示一下，圖8所示的導(dǎo)熱墊片1的y軸截距不代表界面熱阻。界面熱阻是要在相同的壓力下測(cè)試幾種不同厚度的TIM后得出。這里的測(cè)試是用漸近高壓力擠壓來(lái)獲得較小的TIM厚度。這個(gè)過(guò)程也會(huì)導(dǎo)致界面熱阻的變化。除此之外，增加壓力也可能導(dǎo)致熱導(dǎo)率變化。正如前面所述，增加壓力的負(fù)面影響是壓力可能超過(guò)需要冷卻器件的載荷。

比較導(dǎo)熱墊片2和導(dǎo)熱填縫材料 CoolTherm SC-1500熱阻和厚度時(shí)，也可以得出類似的結(jié)論（見(jiàn)圖9）。導(dǎo)熱墊片的熱阻明顯高于導(dǎo)熱填縫材料。另外厚度的影響更明顯。比如，表觀厚度1mm的導(dǎo)熱墊片2熱阻增加~3.2K·cm²/W，雖然厚度只增加 0.17mm。熱阻的陡然增加是由于導(dǎo)熱墊片2的模量比導(dǎo)熱墊片1高很多。能覆蓋縫隙范圍較小?？偀嶙栎^高進(jìn)一步體現(xiàn)導(dǎo)熱墊片界面熱阻比導(dǎo)熱填縫材料界面熱阻高。值得一提的是，在類似相同的厚度下，雖然導(dǎo)熱墊片2材料本身的熱導(dǎo)率大概是導(dǎo)熱填縫材料CoolTherm SC-1200本身熱導(dǎo)率的2倍，但實(shí)際測(cè)得的熱阻很接近。

圖9: 熱阻vs厚度--固態(tài)導(dǎo)熱墊片2 和液態(tài)導(dǎo)熱填縫材料CoolTherm SC-1500

前面提到的導(dǎo)熱墊片和導(dǎo)熱填縫材料熱阻的顯著差別可以從TIM材料和粗糙表面的微觀接觸緊密度來(lái)解釋。與固體導(dǎo)熱墊片不同，液態(tài)導(dǎo)熱填縫材料可以流進(jìn)很小的縫隙，與界面緊密接觸。給上下兩個(gè)基板提供有效的導(dǎo)熱渠道。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。

圖10: 表面接觸緊密程度示意圖 (a) 固態(tài)導(dǎo)熱墊片 (b) 液態(tài)導(dǎo)熱填縫材料

除界面微觀緊密接觸外，液態(tài)導(dǎo)熱填縫材料很容易適應(yīng)界面宏觀上高度的變化。由于基板表面平面度和電池模塊高度的公差，沿著界面高度變化幾毫米是很正常的。而導(dǎo)熱墊片在這方面是有局限的，主要由于導(dǎo)熱墊片的厚度是固定的和在組裝時(shí)需要壓力。除此，沿著界面壓力變化很大，導(dǎo)致局部區(qū)域熱阻的差別，進(jìn)而造成局部過(guò)熱。然而液態(tài)導(dǎo)熱填縫材料不需要很大壓力就可填充較大縫隙?？梢员苊廨^大外界壓力對(duì)設(shè)計(jì)的影響，界面熱阻也會(huì)比較均勻。圖11示意，當(dāng)界面有明顯不平時(shí)，導(dǎo)熱墊片和導(dǎo)熱填縫材料與不平表面的接觸情況。這種現(xiàn)象在EV電池組裝會(huì)看到。

圖11: 接觸面厚度不均勻界面接觸示意圖—固態(tài)導(dǎo)熱墊片 (左) vs 液態(tài)導(dǎo)熱填縫 材料 (右)

除熱傳遞不同外，生產(chǎn)流程也有區(qū)別。導(dǎo)熱墊片需要裁剪到實(shí)際需要的形狀或尺寸。有些殘余部分不適合再用造成浪費(fèi)。另外，由于需要更好填充微觀縫隙，傾向于用較低Tg (玻璃轉(zhuǎn)移溫度)的聚合物制造導(dǎo)熱墊片。導(dǎo)致墊片表面有粘性，需要防粘襯墊。還有，EV電池包的面積較大，用導(dǎo)熱 墊片給自動(dòng)生產(chǎn)帶來(lái)困難。液態(tài)導(dǎo)熱填縫材料很適合大批量自動(dòng)化生產(chǎn)如果采用計(jì)量，混合，分配系統(tǒng)(MMD) 。用液態(tài)導(dǎo)熱填縫材很容易根據(jù)設(shè)計(jì)調(diào)整點(diǎn)膠方法。表3詳細(xì)總結(jié)導(dǎo)熱墊片 和液態(tài)導(dǎo)熱填縫材料的優(yōu)缺點(diǎn)。

表3: 導(dǎo)熱墊片與導(dǎo)熱填縫材料主要性能的比較

05 結(jié)論

穩(wěn)態(tài)熱分析顯示，與具有相近熱導(dǎo)率和厚度的導(dǎo)熱墊片相比， 洛德液態(tài)導(dǎo)熱填縫材料提供較低的熱阻。主要原因是液態(tài)導(dǎo)熱填縫材料容易流動(dòng)到粗糙表面的小縫隙，與相鄰界面接觸較好。降低界面熱阻。這個(gè)效應(yīng)尤其體現(xiàn)在1mm 厚的CoolTherm SC-1200 和導(dǎo)熱墊片2上。雖然SC-1200熱導(dǎo)率比導(dǎo)熱墊片2小兩倍，分別是 2和4 W/m·K，但它們的熱阻相近。由于較好的導(dǎo)熱性能，容易使用，不需大壓力，適合高度差別較大的界面和低成本，液態(tài)導(dǎo)熱填縫材料應(yīng)該是TIM首選。

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