CN110600817A - 一种用于锂离子电池热失控危险性研究的耐压试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池热失控危险性研究的耐压试验装置，整个试验装置包括热失控反应腔体、温度测试系统、压力测试系统和气体收集装置。热失控反应腔体为一圆柱形耐压容器，一侧端盖上布置有电极和热电偶接口；另一侧端盖上布置有热电偶接口、压力表接口、气体收集接口、压力传感器接口与备用多功能接口。该装置可以用于：(1)设定电池热失控条件，采用外部加热或者过充方式诱导样品电池发生热失控；(2)收集电池发生热失控后释放的气体以及固体产物，进行分析；(3)通过分析电池热失控全过程中的特征参数，研究电池的热失控危险性；(4)反应腔体内气体氛围可以为空气或者惰性气体。

Description

一种用于锂离子电池热失控危险性研究的耐压试验装置

技术领域

本发明属于锂离子电池安全的技术领域，具体涉及一种用于锂离子电池热失控危险性研究的耐压试验装置。

背景技术

近年来，随着化石能源的不断消耗与温室效应等环境问题的日益严峻，在能源危机与环境污染的双重压力下，我国大力发展新能源电动汽车与电化学储能电站。新能源汽车的主要动力来源和电化学储能电站的主要储能介质都是锂离子电池。锂离子电池发展至今，其技术已经相对成熟，具有能密度高、循环寿命长、无记忆效应等优势；然而，锂离子电池在单位成本、安全性能等方面仍存在许多亟需解决的问题，其中安全问题尤为严峻。受限于锂离子电池的特殊性质，当锂离子电池处于滥用条件下时，其内部会发生一系列连锁反应，导致电池内部温度快速上升并产生大量气体，这可能会造成锂离子电池的热失控，进而发展成严重的火灾甚至爆炸事故。为了更好地防控锂离子电池的热失控及其火灾，需要对锂离子电池的热失控机制、灾害特性及其预防方法进行研究。根据国内外学者的研究以及近年来发生的锂离子电池火灾事故分析，造成锂离子电池发生热失控的滥用条件中，热滥用与电滥用较为常见；此外，可以用来判定锂离子电池热失控危险性的主要特征参数基本为电池表面温度、环境温度、电压变化、气体成分变化和气压变化等。开展锂离子电池的热失控危险性研究，不仅可以揭示不同材料体系、不同型号的锂离子电池的热失控机理，而且还可以为锂离子电池热失控预警、抑制锂离子电池热失控的发生与传播、优化电池模组设计，实现锂离子电池的安全利用等提供可靠的实验依据和技术指导。本发明的目的在于提供一种能够开展锂离子电池热失控危险性研究的试验台。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够开展锂离子电池热失控危险性研究的试验台。该装置可以用于：(1)设定电池热失控条件，采用外部加热或者过充方式诱导样品电池发生热失控；(2)收集电池发生热失控后释放的气体以及固体产物，进行分析；(3)通过分析电池热失控全过程中的特征参数，研究电池的热失控危险性；(4)反应腔体内气体氛围可以为空气或者惰性气体。

本发明采用的技术方案为：一种锂离子电池热失控危险性研究的耐压试验装置，整个试验装置包括热失控反应腔体、温度测试系统、压力测试系统和气体收集装置，热失控反应腔体由热失控反应腔体主体1、反应腔体前法兰端盖2和反应腔体后法兰端盖3组成，热失控反应腔体主体1为圆柱型，反应腔体前法兰端盖2、反应腔体后法兰端盖3分别开有6个固定螺栓开口11，反应腔体前法兰端盖2、反应腔体后法兰端盖3分别通过6个螺栓穿过固定螺栓开口与热失控反应腔体主体1连接，反应腔体前法兰端盖2、反应腔体后法兰端盖3上都开有O型圈固定槽5用于布置O型密封圈，反应腔体前法兰端盖2上布置有6个热电偶接口10和2对电极柱4，一对电极柱用于测量样品电池电压，同时可以用于过充实验时对样品电池进行充放电循环，另一对电极柱用于给加热器供电，加热器可以对样品电池进行加热；反应腔体后法兰端盖3上布置有4个热电偶接口10，1个气体传输接口6，1个机械压力表接口7，1个压力传感器接口9和1个备用多功能接口8；通过气体传输接口6，热失控反应腔体与气体接收装置连接；由热失控反应腔体至气体收集装置，顺着气流方向分别为第三阀门16、单向阀17、第二阀门15、机械压力表14、耐压集气钢瓶12和第一阀门13。

实验前，第一阀门和第二阀门关闭，第三阀门打开，将耐压集气钢瓶内抽至真空后，关闭第三阀门；实验结束后，待反应腔体内部温度降低到60℃以下时，打开第一阀门和第二阀门，反应腔体内部的气体会在压力差的作用下传输到耐压集气钢瓶中，耐压集气钢瓶中的气体可以用气体采样袋收集并用于检测，采集气体后或者不需要检测电池发生热失控后释放的气体成分时，打开气体采集装置所有阀门，装置内的气体会被缓慢释放，待反应腔体上压力表示数降至零后，可以打开腔体，进行清理并进行下一次实验，温度和压力数据由数据采集仪记录，样品电池的电流和电压等数据由充放电循环仪记录。

热失控反应腔体主体1、反应腔体前法兰端盖2和反应腔体后法兰端盖3均由不锈钢制成，热失控反应腔体主体1、反应腔体前法兰端盖2和反应腔体后法兰端盖3通过螺栓连接固定并以氟橡胶O型圈密封，热电偶、电极柱与法兰端盖直接通过硅胶管挤压密封，多次实验后可视情况更换；热失控反应腔体与压力传感器、气体收集装置通过不锈钢管连接；气体收集装置末端阀门可以与真空泵连接，同时也可以用于收集气体用于检测；压力传感器用于测量电池热失控全过程中反应腔体内部的压力变化，热电偶用于测量电池表面温度、加热器表面温度和反应腔体内气体温度，可以根据实验工况设置热电偶测点位置；试验装置内部气体氛围可以为空气氛围或者为惰性气体氛围。

该试验装置的工作过程如下：

(1)安装并调试试验装置，检查装置气密性，确保压力传感器、压力表、热电偶、数据采集仪、充放电循环仪处于良好状态；

(2)根据热失控诱导方式将样品电池布置在反应腔体中，过充实验时，通过端盖上电极柱将样品电池正负极与充放电循环仪连接，并根据要求在电池表面布置热电偶，之后将接有电池的端盖安装在反应腔体上并固定，加热实验时，同样通过电极柱连接电池与充放电循环仪，加热器根据样品电池型号选择同尺寸的大功率圆柱型加热管或者薄片加热器，与过充实验相比，需在加热器与电池之间多布置一根热电偶用以监测加热片表面温度；之后将接有电池和加热器的端盖安装在反应腔体上并固定；使用耐高温胶带固定热电偶，其余热电偶用以监测反应腔体内部不同位置的气体温度；

(3)将耐压集气钢瓶抽至真空，在进行惰性气体氛围实验时，还需要排出空气，使装置所有腔体、管路内均为惰性气体环境；

(4)同时启动充放电循环仪、加热器、数据采集仪，开始实验；过充实验时，第一次实验仍建议布置加热器，防止样品电池不能因过充而发生热失控时处于危险状态难以处理，此时，在实验初始阶段不需要启动加热器，若过充实验结束后电池不能发生热失控，可以启动加热器，诱导电池发生热失控；或者先在敞开空间中进行过充预实验，确定样品电池的过充危险性；

(5)在一次电池热失控实验完成后，存储数据采集仪记录的温度、压力数据和充放电循环仪记录的数据，收集气体和固体产物，清理装置，然后进入下一次实验。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供了一种可以进行锂离子电池热失控危险性研究的装置，并能对热失控过程中的重要特征参数进行实时记录，同时可以收集热失控产物进行检测，且能人为控制试验环境和试验条件。

(2)本发明可以对不同材料体系和规格的锂离子电池进行热失控危险性测试。

(3)本发明可以对锂离子电池进行加热和过充测试。

(4)本发明可以提供空气和惰性气体氛围两种试验条件。

(5)本发明可以研究锂离子发生热失控全过程中的气压、温度、电压等数据的变化情况，判断锂离子电池的热失控危险性。

附图说明

图1为锂离子电池热失控危险性研究的耐压试验装置的热失控反应腔体示意图，其中，图1(a)为热失控反应腔体主体示意图，图1(b)为反应腔体前法兰端盖示意图，1为热失控反应腔体主体，2为反应腔体前法兰端盖，3为反应腔体后法兰端盖，4为电极柱，5为O型圈固定槽，6为气体传输接口，7为机械压力表接口，8为备用多功能接口，9为压力传感器接口，10为热电偶接口，11为固定螺栓开口。

图2为锂离子电池热失控危险性研究的耐压试验装置的气体收集系统示意图，其中，12为耐压集气钢瓶，13为第一阀门，14为机械压力表，15为第二阀门，16为第三阀门，17为单向阀。

图3为圆柱形锂离子电池外部加热实验的布置图，其中，18为圆柱形加热管，19为样品电池，20为K形热电偶测点位置。

图4为圆柱形锂离子电池热失控实验的温度、压力和电压随时间变化关系图。

图5为图4的局部放大图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的实施方式。

如图1-2所示，本发明为锂离子电池热失控危险性研究的耐压试验装置，包括热失控反应腔体、温度测试系统、压力测试系统和气体收集装置。热失控反应腔体由热失控反应腔体主体1、反应腔体前法兰端盖2和反应腔体后法兰端盖3组成，材料均为TP304不锈钢。热失控反应腔体主体1为一水平放置管道，其长为300mm，横截面为圆形，内部直径160mm，管道厚度为10mm。反应腔体前法兰端盖2和反应腔体后法兰端盖3均为20mm厚，直径200mm的圆形，热失控反应腔体主体1与反应腔体前法兰端盖2、反应腔体后法兰端盖3通过6颗M10螺栓分别通过固定螺栓开口11固定连接，并均设置有O型圈固定槽5用于布置O型圈以确保密封。反应腔体前法兰端盖2上布置有6个热电偶接口10和2对电极柱4，电极柱4为紫铜电极柱，电极直径分别为2mm和4mm，其中，2mm电极用于给加热器供电，4mm电极用于监测电池电压并可以对电池进行充放电。过充实验时仍建议连接加热器，防止电池不能因过充而发生热失控而处于危险状态时难以处置。反应腔体后法兰端盖3上布置有4个热电偶接口10、1个机械压力表接口7、1个气体传输接口6、1个压力传感器接口9和1个备用多功能接口8，机械压力表为抗振动压力表，气体传输接口6通过外径3.175mm不锈钢管与气体收集系统连接，压力传感器接口9通过外径1/16in不锈钢管与压力传感器连接，备用多功能接口8平时用堵头密封。

气体收集装置由耐压集气钢瓶12，第一阀门13，机械压力表14，第二阀门15，第三阀门16和1个单向阀17组成。耐压集气钢瓶12为1个容积1000ml，耐压6895kPa的集气钢瓶，机械压力表14为抗振动机械压力表，其中耐压集气钢瓶12和机械压力表14为TP304不锈钢材质，3个阀门为TP316不锈钢材质。第一阀门13可以用于释放、收集装置内气体并可以与真空泵连接，第三阀门16通过不锈钢管与热失控反应腔体连接。

本装置中温度的测量采用直径1mm的K型热电偶，可根据实际情况换用其它热电偶，如直径0.5mm的K型热电偶，数据采集仪采样周期1s，可根据实际情况提高采样频率。本装置中压力的测量采用霍尼韦尔熔体压力传感器，精度0.05％，数据采集仪与温度采集系统共用，采样周期不大于1s。

本发明的主要工作过程如下：

(1)安装并调试试验装置，检查装置气密性，确保压力传感器、压力表、热电偶、数据采集仪、充放电循环仪处于良好状态。

(2)根据热失控诱导方式将样品电池布置在反应腔体中。过充实验时，通过前端盖上电极将样品电池正负极与充放电循环仪连接，并根据要求在电池表面布置热电偶，之后将接有电池的端盖安装在反应腔体上并固定。加热实验时，同样通过电极连接电池与充放电循环仪，加热器根据样品电池型号选择同尺寸的大功率圆柱型加热管或者薄片加热器，与过充实验相比，需在加热器与电池之间多布置一根热电偶用以监测加热片表面温度。之后将接有电池和加热器的端盖安装在反应腔体上并固定。使用耐高温胶带固定热电偶，其余热电偶用以监测反应腔体内部不同位置的气体温度。

通常，对于方形锂离子电池，热电偶多布置在电池表面的底面、长侧面和短侧面；对于软包锂离子电池，热电偶多布置在电池的长侧面；对于圆柱形锂离子电池，热电偶多布置在电池表面中心位置。

(3)将耐压集气钢瓶抽至真空。在进行惰性气体氛围实验时，还需要排出空气，使装置各腔体、管路内部均为惰性气体环境。

(4)同时启动充放电循环仪、加热器、数据采集仪，开始实验。过充实验时，第一次实验仍建议布置加热器，若电池不能因过充而发生热失控，可以开启加热器，诱导电池发生热失控，之后视实验结果而定；也可以先在敞开空间中进行过充预实验，确定样品电池的过充危险性。

(5)在一次电池热失控实验完成后，存储数据采集记录的温度、压力数据和充放电循环仪数据，收集气体和固体产物，然后进入下一次实验。

如图3所示，对标称容量为4.5Ah的21700三元锂离子电池进行外部加热实验。实验开始前，以1C倍率对样品电池进行三次循环，之后以1C倍率充电至100％SOC。以与电池外形尺寸相同的圆柱形电热管作为外部加热电源，电热管功率400W。热失控反应腔体内共布置10根1mm的K型热电偶(20)，样品电池(19)与电热管(18)中间布置1根热电偶(TC1)，对应样品电池另一侧布置3根热电偶(TC2、TC3和TC4)，另外6根热电偶按照图3所示测量反应腔体内部的环境温度。实验开始后，通过TC1监测电热管表面温度，TC2、TC3和TC4监测电池表面温度，在观察到电压掉落后，断开电热管电源，后直至电池发生热失控，实验结束。

从图4和图5可以看出，实验进行161s时，电池电压发生掉落；178s时，电池表面温度发生跃升，181s时反应腔体内部压力值发生跃升，说明电池开始发生热失控。而前期实验开始94s时，观察到反应腔体内部温度有一个小幅度升高，峰值温度约110℃，在同一时期反应腔体内部压力也有升高，峰值压力约151kPa，这应该是电池负极安全阀打开，释放内部高温高压气体导致的。此外，根据图4可以获得电池发生热失控后的表面峰值温度约为876℃，反应腔体内部的峰值压力约为258kPa。利用获得的反应腔体内部温度和理想气体状态方程，还可以估算电池在整个反应过程中的产气量，这里不再做具体计算。通过对比不同状态的锂离子电池在热失控过程中的特征曲线(温度-时间曲线，压力-时间曲线，温升速率曲线和压力变化速率曲线等)，可以获得不同状态锂离子电池的热失控危险性。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种锂离子电池热失控危险性研究的耐压试验装置，其特征在于：整个试验装置包括热失控反应腔体、温度测试系统、压力测试系统和气体收集装置，热失控反应腔体由热失控反应腔体主体(1)、反应腔体前法兰端盖(2)和反应腔体后法兰端盖(3)组成，热失控反应腔体主体(1)为圆柱型，反应腔体前法兰端盖(2)、反应腔体后法兰端盖(3)分别开有6个固定螺栓开口(11)，反应腔体前法兰端盖(2)、反应腔体后法兰端盖(3)分别通过6个螺栓穿过固定螺栓开口与热失控反应腔体主体(1)连接，反应腔体前法兰端盖(2)、反应腔体后法兰端盖(3)上都开有O型圈固定槽(5)用于布置O型密封圈，反应腔体前法兰端盖(2)上布置有6个热电偶接口(10)和2对电极柱(4)，一对电极柱用于测量样品电池电压，同时可以用于过充实验时对样品电池进行充放电循环，另一对电极柱用于给加热器供电，加热器可以对样品电池进行加热；反应腔体后法兰端盖(3)上布置有4个热电偶接口(10)，1个气体传输接口(6)，1个机械压力表接口(7)，1个压力传感器接口(9)和1个备用多功能接口(8)；通过气体传输接口(6)，热失控反应腔体与气体接收装置连接；由热失控反应腔体至气体收集装置，顺着气流方向分别为第三阀门(16)、单向阀(17)、第二阀门(15)、机械压力表(14)、耐压集气钢瓶(12)和第一阀门(13)。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池热失控危险性研究的耐压试验装置，其特征在于：实验前，第一阀门和第二阀门关闭，第三阀门打开，将耐压集气钢瓶内抽至真空后，关闭第三阀门；实验结束后，待反应腔体内部温度降低到60℃以下时，打开第一阀门和第二阀门，反应腔体内部的气体会在压力差的作用下传输到耐压集气钢瓶中，耐压集气钢瓶中的气体可以用气体采样袋收集并用于检测，采集气体后或者不需要检测电池发生热失控后释放的气体成分时，打开气体采集装置所有阀门，装置内的气体会被缓慢释放，待反应腔体上压力表示数降至零后，可以打开腔体，进行清理并进行下一次实验，温度和压力数据由数据采集仪记录，样品电池的电流和电压等数据由充放电循环仪记录。

3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池热失控危险性研究的耐压试验装置，其特征在于：热失控反应腔体主体(1)、反应腔体前法兰端盖(2)和反应腔体后法兰端盖(3)均由不锈钢制成，热失控反应腔体主体(1)、反应腔体前法兰端盖(2)和反应腔体后法兰端盖(3)通过螺栓连接固定并以氟橡胶O型圈密封，热电偶、电极柱与法兰端盖直接通过硅胶管挤压密封，多次实验后可视情况更换；热失控反应腔体与压力传感器、气体收集装置通过不锈钢管连接；气体收集装置末端阀门可以与真空泵连接，同时也可以用于收集气体用于检测；压力传感器用于测量电池热失控全过程中反应腔体内部的压力变化，热电偶用于测量电池表面温度、加热器表面温度和反应腔体内气体温度，可以根据实验工况设置热电偶测点位置；试验装置内部气体氛围可以为空气氛围或者为惰性气体氛围。

4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池热失控危险性研究的耐压试验装置，其特征在于，该试验装置的工作过程如下：

(1)安装并调试试验装置，检查装置气密性，确保压力传感器、压力表、热电偶、数据采集仪、充放电循环仪处于良好状态；

(2)根据热失控诱导方式将样品电池布置在反应腔体中，过充实验时，通过端盖上电极柱将样品电池正负极与充放电循环仪连接，并根据要求在电池表面布置热电偶，之后将接有电池的端盖安装在反应腔体上并固定；加热实验时，同样通过电极柱连接电池与充放电循环仪，加热器根据样品电池型号选择同尺寸的大功率圆柱型加热管或者薄片加热器，与过充实验相比，需在加热器与电池之间多布置一根热电偶用以监测加热片表面温度；之后将接有电池和加热器的端盖安装在反应腔体上并固定；使用耐高温胶带固定热电偶，其余热电偶用以监测反应腔体内部不同位置的气体温度；

(3)将耐压集气钢瓶抽至真空，在进行惰性气体氛围实验时，还需要排出空气，使装置所有腔体、管路内均为惰性气体环境；

(4)同时启动充放电循环仪、加热器、数据采集仪，开始实验；过充实验时，第一次实验仍建议布置加热器，防止样品电池不能因过充而发生热失控时处于危险状态难以处理，此时，在实验初始阶段不需要启动加热器，若过充实验结束后电池不能发生热失控，可以启动加热器，诱导电池发生热失控；或者先在敞开空间中进行过充预实验，确定样品电池的过充危险性；

(5)在一次电池热失控实验完成后，存储数据采集仪记录的温度、压力数据和充放电循环仪记录的数据，收集气体和固体产物，清理装置，然后进入下一次实验。