CN111289468B - 一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法及其系统，涉及锂离子电池，旨在解决光谱吸收测试中通常需要先将气体充入专用的气体吸收池并完全排除气池中的空气，这一过程需要消耗大量的样气。本发明的一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法，采用两步法转移样气，相较于现有技术，有效减少了样气的使用量，并避免了产气分析结果受到干扰。本发明的一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析系统，实现气体采样、检测、尾气处理连续进行，提高样气转移的便捷性和安全性。

Description

一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法及其系统
技术领域
本发明涉及锂离子电池，更具体地说，它涉及一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法及其系统。
背景技术
随着锂离子电池的大规模应用，锂离子电池的安全性问题得到越来越广泛的关注。锂离子电池在使用或存储过程中，由于机械滥用、不合理充放电制度以及老化导致的副反应加剧等原因，会使得电池在短时间内发生放热连锁反应，电池温度急剧升高，最后发展成电池热失控，引起起火、冒烟甚至爆炸等严重事故，电池热失控过程常伴随着大量气体的产生，且随着热失控的发展，气体的成分和浓度会发生变化，通过检测电池组产气行为是进行电池热失控检测预警的重要手段。
电池产气主要由(CO、CO2、H2、C2H4、CH4、C2H6、C3H6)组成，且气体组分与产气量关系不大；其他成分包括微量的HF以及碳酸丙烯酯(PC)，碳酸乙烯酯(EC)，碳酸二乙酯(DEC)，碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲基乙基酯(EMC)；为实现针对不同种类和批次电池的热失控气体安全监测，首先需要实验分析不同种类电池、不同热失控诱发条件下，电池产气成分和浓度变化规律；目前对锂离子电池热失控气体的检测分析主要是采用气相色谱-质谱分析仪，用注射器、气袋等采样装置取出一定容积的样气，经过惰性气体流动相，流向装有固定相的色谱柱，根据固定相对样气中各种气体的溶解或吸附能力不同，导致各组分在两相之间来回反复分离，最后按顺序先后进入质谱仪进行成分分析。色谱-质谱分析中，采样和测试过程分离，测得的气体浓度只是采样位置的气体浓度，测试系统较为复杂，受环境影响较大，测试结果受粉尘、背景气体以及气体质量参数影响较大。
激光吸收光谱技术是一种利用不同气体特征吸收光谱不同的原理，通过测试特定波长的光线在经过待测气体前后的光强变化，分析待测气体的组成和浓度；相较于气相色谱质谱测试，激光吸收光谱气体传感器采用的非介入测量方式，对高温、高粉尘、高流速以及气体腐蚀性等气体环境适应性更强，且具有探测灵敏度高，选择性强、可检测气体种类多以及响应时间快等优点，在气体检测方面得到越来越广泛的应用。
可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)和傅里叶变换红外吸收光谱(FT-IR)是两种常见的光谱吸收气体检测技术，适用于锂离子电池热失控气体的在线或离线检测分析；但是光谱吸收测试中通常需要先将气体充入专用的气体吸收池并完全排除气池中的空气，这一过程需要消耗大量的样气。
因此需要提出一种新的方案来解决这个问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法，采用两步法转移样气，相较于现有技术，有效减少了样气的使用量，又避免了分析过程中空气对测试结果的影响。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法，包括如下步骤：步骤1：将电池放入防爆罐中密封，并对其外部进行隔热处理，触发电池热失控，电池热失控后产生大量气体，防爆罐压力上升，待压力稳定后，记录此时罐内气压和温度，移除防爆罐体外部的保温层，使防爆罐及其内部的样气快速冷却；步骤2：在防爆罐及其内部样气冷却的过程中，通过真空泵排空气路和探测气池，直至探测气池和气路内部的气压下降至气路所能承受的最大真空度；步骤3：当防爆罐中的气体温度下降至120℃以下时，导通防爆罐与气路，并通过调节阀控制样气流量保持样气流量稳定，样气依靠防爆罐与探测气池的气压差，经气路进入到探测气池，直至两者的气压达到平衡，样气不再流动，再通过隔膜泵继续抽取样气直至气体流速为0；步骤4：待探测气池及其内部的样气温度稳定后，使用TDLAS或者FT-IR测试主机测试样气的成分和浓度；步骤5：通过引风机抽取被测试后探测气池内的样气，迫使样气经尾气处理净化后排空。
通过采用上述技术方案，步骤1电池于防爆罐中触发热失控，避免气体泄漏并降低安全隐患，对防爆罐进行隔热提高电池热失控时的热稳定性，确保电池持续热失控，同时便于计算放热量，冷却防爆罐及其内部样气，一方面降低气压值，降低转移样气时管路和防爆罐的压力负荷，另一方面降低样气温度，以降低泄露电解液的挥发，避免干扰测试结果，降低管路发生腐蚀的隐患；步骤2排空气路和探测气池，从而避免气路和探测气池内部残留气体干扰光谱吸收气体检测；步骤3：先通过防爆罐与探测气池的气压差驱动样气流入探测气池，平衡后再通过隔膜泵据需将样气从防爆罐中向探测气池转移直至达到预设压强，从而实现两步法转移样气，相较于现有技术减少了样气的使用量；步骤4待样气温度稳定后再测试其成分和浓度，以确保测试数据的稳定性；步骤5对被测试后样气进行净化处理后再排放，避免尾气污染的问题发生；综上所述，本发明采用两步法转移样气，相较于现有技术，有效减少了样气的使用量，又避免了分析过程中空气对测试结果的影响。
本发明进一步设置为：所述步骤1中通过对电池过充和对电池持续加热，上述两种方法结合或者其中任意一种方法触发电池热失控。
本发明进一步设置为：所述步骤1在触发电池热失控的过程中，通过管线与电池连接，实现对电流、电压、温度的实时测试。
本发明进一步设置为：所述步骤3样气流量保持在12L/min以下。
本发明进一步设置为：所述步骤3样气在由防爆罐经气路向探测气池转移的过程中，通过文丘管对流速进行测量，并且此过程中探测气池达到承压上限时，立即停止进气。
本发明进一步设置为：所述样气在经文丘管测量流速后，通过耐腐蚀除尘器进行除尘。
本发明进一步设置为：所述样气完成除尘后，通过冷阱除去样气中的水汽和电解液。
本发明进一步设置为：所述样气完成经过冷阱后，通过换热器为气体预热。
本发明进一步设置为：所述步骤4通过对探测气池供热实现其内部样气的热稳定，温度保持于100-200℃的任意值。
本发明进一步设置为：所述步骤5通过碱洗、紫外裂解、活性炭吸附三种方式结合实现尾气处理净化。
本发明的目的在于还提供一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析系统，气体采样、检测和尾气处理连续进行，提高了样气转移的便捷性和安全性，并避免了产气分析结果受到干扰。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种锂离子电池热失控产气分析系统，包括依次管道连接的防爆罐、文丘管、耐腐蚀除尘器、冷阱、隔膜泵、换热器、探测气池、尾气处理装置以及引风机，所述防爆罐内部电路连接有电池测试系统，所述防爆罐外部包裹有可分离的隔热层，所述防爆罐设置有气压计A，所述防爆罐与文丘管之间设置有阀A，所述冷阱与隔膜泵之间设置有三通阀B，所述三通阀B外接有独立管路，所述独立管路与换热器连接，所述探测气池和尾气处理装置之间设置有三通阀C，所述三通阀C外接有真空泵和气压计B。
通过采用上述技术方案，在对锂离子电池热失控产气进行分析时，将电池放入防爆罐中关闭阀A，电池测试系统通过充电或者持续加热触发电池热失控，电池释放大量气体，气压计A所显示压力值升高，待压力值稳定后，记录此时罐体内气压和温度，移除隔热层，使罐体及其内部气体快速冷却；保持阀A的关闭状态，打开三通阀B(ac)和三通阀C(ac)，打开真空泵抽气，待气压计B显示数值达0.01bar以下时，依次关闭三通阀C(ac)和真空泵；当防爆罐中气体温度下降至120℃以下时，打开阀A，并调节阀A的流量，保持以文丘管显示12L/min的流量转移样气，当文丘管显示流速为0时，关闭三通阀B(ac)，打开三通阀B(ab)，启动隔膜泵，继续抽气至文丘管显示流速为0；样气在从防爆罐向探测气池转移的过程中依次经过耐腐蚀除尘器、冷阱、换热器，完成除尘、除液、预热；处于探测气池内的气体稳定后，即可通过TDLAS或者FT-IR测试主机测试气体的成分和浓度；完成测试后，打开引风机、依次打开三通阀C(bc)、三通阀B(ab)、阀A以及防爆罐进气口，使测试系统中气体经过尾气处理装置后排空；综上所述，仅需对阀A、三通阀B、三通阀C、隔膜泵以及真空泵进行控制，即可完成样气由防爆罐至探测气池的转移，有效提高样气转移的便捷性，同时整个转移过程完全独立于外界，有效提高样气转移的安全性，由文丘管、气压计A以及气压计B实时显示系统内部的样气转移情况，进一步为转移样气提供便捷，还需要说明的是，在样气转移过程中，完成对样气的除尘和除液，有效避免了产气分析结果受到干扰。
综上所述，本发明所提供的一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法具有以下有益效果：采用两步法转移样气，相较于现有技术，有效减少了样气的使用量，又避免了分析过程中空气对测试结果的影响；适应多种电池热失控的触发方式；对电池的电流、电压、温度进行实时检测，为锂离子电池热失控过程提供实验数据；通过文丘管对流速进行测量，为控制样气流速提供便利；通过耐腐蚀除尘器进行除尘，从而避免粉尘颗粒干扰产气分析结果；通过冷阱除去样气中的水汽和电解液，进一步降低气体分析结果受到干扰的隐患；对探测气池供热，使其温度保持在一定数值，避免温度不同导致测试结果不同，提高测试的数据稳定性；通过碱洗、紫外裂解、活性炭吸附三种方式结合对尾气进行处理，确保尾气排放符合排放要求。
本发明所提供的一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析系统具有以下有益效果：仅需对阀A、三通阀B、三通阀C、隔膜泵以及真空泵进行控制，即可完成样气由防爆罐至探测气池的转移，有效提高样气转移的便捷性；整个转移过程完全独立于外界，有效提高样气转移的安全性；由文丘管、气压计A以及气压计B实时显示系统内部的样气转移情况，进一步为转移样气提供便捷；在样气转移过程中，完成对样气的除尘和除液，有效避免了产气分析结果受到干扰；检测结束后，直接对尾气进行处理，避免环境污染。
附图说明
图1为实施例二的系统图。
附图说明：1、防爆罐；2、文丘管；3、耐腐蚀除尘器；4、冷阱；5、隔膜泵；6、换热器；7、探测气池；8、尾气处理装置；9、引风机；10、电池测试系统；11、隔热层；12、气压计A；13、阀A；14、三通阀B；15、独立管路；16、三通阀C；17、真空泵；18、气压计B。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一：含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法，包括如下步骤：
步骤1：将电池放入防爆罐中密封，并对其外部进行隔热处理，隔热处理的方式可以为设置隔热层，触发电池热失控，电池热失控后产生大量气体，防爆罐压力上升，待压力稳定后，记录此时罐内气压和温度，移除防爆罐体外部的隔热层，使防爆罐及其内部的样气快速冷却；电池于防爆罐中触发热失控，避免气体泄漏并降低安全隐患，对防爆罐进行隔热减少热量流失，确保电池持续失控，更利于研究电池热失控过程中温度变化，冷却防爆罐及其内部样气，一方面降低气压值，降低转移样气时管路和防爆罐的压力负荷，另一方面降低样气温度，以降低样气中腐蚀性气体的挥发，降低管路发生腐蚀的隐患。
步骤2：在防爆罐及其内部样气冷却的过程中，通过真空泵排空气路和探测气池，直至探测气池和气路内部的气压下降至气路所能承受的最大真空度；排空气路和探测气池，从而避免气路和探测气池内部残留气体干扰光谱吸收气体检测。
步骤3：当防爆罐中的气体温度下降至120℃以下时，导通防爆罐与气路，并通过调节阀控制样气流量保持样气流量稳定，样气依靠防爆罐与探测气池的气压差，经气路进入到探测气池，直至达到气池预设压强，或者两者的气压达到平衡，样气不再流动，再通过隔膜泵继续抽取样气直至达到气池预设压强或者气体流速为0；先通过防爆罐与探测气池的气压差驱动样气流入探测气池，平衡后再通过隔膜泵据需将样气从防爆罐中向探测气池转移直至达到预设压强，从而实现两步法转移样气，相较于现有技术减少了样气的使用量。
步骤4：待探测气池及其内部的样气温度稳定后，使用TDLAS或者FT-IR测试主机测试样气的成分和浓度；待样气温度稳定后再测试其成分和浓度，以确保测试数据的稳定性。
步骤5：通过引风机抽取被测试后探测气池内的样气，迫使样气经尾气处理净化后排空；对被测试后样气进行净化处理后再排放，避免尾气污染的问题发生。
步骤1中通过对电池过充和对电池持续加热，上述两种方法结合或者其中任意一种方法触发电池热失控，本实施例中所采用的方式为两种方法结合，加速电池热失控提高效率；需要说明的是，本发明提供多种触发电池失控的方式，以降低对于实验设备的功能要求，从而提高本发明的适应能力。
步骤1在触发电池热失控的过程中，通过管线与电池连接，实现对电流、电压、温度的实时测试，从而可以记录电池热失控过程中的电流、电压以及温度情况，进而为研究电池热失控条件提供数据支持。
需要说明的是，步骤2最大真空度为0.01bar以下，确保气路中的残留空气被充分排空，步骤3样气流量保持在12L/min以下。
步骤3样气在由防爆罐经气路向探测气池转移的过程中，通过文丘管对流速进行测量；实现对样气流速更加直观的显示，从而为实验者了解样气的转移情况提供便利，需要说明的是，文丘管测速计中没有转动部件，受气体腐蚀影响较小，提升了系统的稳定性。
在实际运用中发现，电池热失控后其样气中会掺杂一定量的粉尘、水汽以及电解液，这部分杂质可能会干扰到分析结果，为此，样气在经文丘管测量流速后，依次通过耐腐蚀除尘器进行除尘，通过冷阱除去样气中的水汽和电解液，从而有效消除粉尘、水汽以及电解液，对于分析结果的干扰。
样气经过冷阱后温度急剧下降，从而导致进入探测气池的样气需要经过较长时间的加热，方可进行样气成分和浓度的分析，为此，样气在经过冷阱后，通过换热器进行预热，以确保样气能够更快地满足分析的温度要求。
在实际运用中发现，样气在分析过程中其温度变化会导致分析数据不稳定，为此，步骤4通过对探测气池供热实现其内部样气的热稳定，温度保持于100-200℃的任意值，进而确保样气的温度稳定性，进而确保分析数据的稳定性。
为确保样气符合排放标准，步骤5通过碱洗、紫外裂解、活性炭吸附三种方式结合实现尾气处理净化，采用多种净化方式的结合，有效确保样气中的有害物质被充分去除。
实施例二：含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析系统，如图1所示，包括依次管道连接的防爆罐1、文丘管2、耐腐蚀除尘器3、冷阱4、隔膜泵5、换热器6、探测气池7、尾气处理装置8以及引风机9，防爆罐1内部电路连接有电池测试系统10，防爆罐1外部包裹有可分离的隔热层11，防爆罐1设置有气压计A12，防爆罐1与文丘管2之间设置有阀A13，冷阱4与隔膜泵5之间设置有三通阀B14，三通阀B14外接有独立管路15，独立管路15与换热器6连接，探测气池7和尾气处理装置8之间设置有三通阀C16，三通阀C16外接有真空泵17和气压计B18。
需要说明的是，三通阀B14和三通阀C16均具有三个接口，三个接口分别通过“a”、“b”、“c”进行表示。
运用本实施例所提供的系统在对锂离子电池热失控产气进行分析时，将电池放入防爆罐1中关闭阀A13，电池测试系统通过充电或者持续加热触发电池热失控，电池释放大量气体，气压计A12所显示压力值升高，待压力值稳定后，记录此时防爆罐1罐体内的气压和温度，移除隔热层11，使罐体及其内部气体快速冷却；保持阀A13的关闭状态，打开三通阀B14(ac)和三通阀C16(ac)，打开真空泵17抽气，待气压计B18显示数值达0.01bar以下时，依次关闭三通阀C16(ac)和真空泵17；当防爆罐1中的气体温度下降至120℃时，打开阀A13，并调节阀A13的流量，保持以文丘管2显示12L/min的流量转移样气，当文丘管2显示流速为0时，关闭三通阀B14(ac)，打开三通阀B(ab)，启动隔膜泵5，继续抽气至文丘管2显示流速为0；样气在从防爆罐1向探测气池转移的过程中依次经过耐腐蚀除尘器3、冷阱4、换热器6，完成除尘、除液、预热；处于探测气池7内的气体稳定后，即可通过TDLAS或者FT-IR测试主机测试气体的成分和浓度；完成测试后，打开引风机9、依次打开三通阀C16(bc)、三通阀B14(ab)、阀A13以及防爆罐1的进气口，使本系统中气体经过尾气处理装置8后排空；综上所述，仅需对阀A13、三通阀B14、三通阀C16、隔膜泵5以及真空泵17进行控制，即可完成样气由防爆罐1至探测气池7的转移，有效提高样气转移的便捷性，同时整个转移过程完全独立于外界，有效提高样气转移的安全性，由文丘管2、气压计A12以及气压计B18实时显示系统内部的样气转移情况，进一步为转移样气提供便捷，还需要说明的是，在样气转移过程中，完成对样气的除尘和除液，有效避免了产气分析结果受到干扰。
本实施例中防爆罐1为圆柱型内部容积为6L的可开合罐体，为确保防爆罐1的耐腐蚀性和气压抗性，其采用耐腐蚀合金或者陶瓷材料制成，具体可以是蒙乃尔合金、哈氏合金、碳化硅陶瓷中的一种，或者任意组合的复合材料。
文丘里管2为耐氢氟酸腐蚀的蒙乃尔合金制作。
耐腐蚀除尘器3具体可以为碳化硅陶瓷膜除尘器或者PTFE过滤器。
冷阱4具体可以通过半导体制冷片或液氮制冷器实现制冷。
探测气池7通过探测窗配合TDLAS或者FT-IR测试主机进行测试工作，探测窗设有增加光程的反射镜片，反射镜片表面进行镀金处理以防止腐蚀。
具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (11)

1.一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：将电池放入防爆罐中密封，并对其外部进行隔热处理，触发电池失控，电池失控后产生大量气体，防爆罐压力上升，待压力稳定后，记录此时罐内气压和温度，移除防爆罐体外部的保温层，使防爆罐及其内部的样气快速冷却；
步骤2：在防爆罐及其内部样气冷却的过程中，通过真空泵排空气路和探测气池，直至探测气池和气路内部的气压下降至气路所能承受的最大真空度时；
步骤3：当防爆罐中的气体温度下降至120℃以下时，导通防爆管与气路，并通过调节阀控制样气流量保持样气流量稳定，样气依靠防爆罐与探测气池的气压差，经气路进入到探测气池，直至两者的气压达到平衡，样气不再流动，再通过隔膜泵继续抽取样气直至气体流速为0；
步骤4：待探测气池及其内部的样气温度稳定后，使用TDLAS或者FT-IR测试主机测试样气的成分和浓度；
步骤5：通过引风机抽取被测试后探测气池内的样气，迫使样气经尾气处理净化后排空。
2.根据权利要求1所述的一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法，其特征在于：所述步骤1中通过对电池过充和对电池持续加热，上述两种方法结合或者其中任意一种方法触发电池热失控。
3.根据权利要求1所述的一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法，其特征在于：所述步骤1在触发电池热失控的过程中，通过管线与电池连接，实现对电流、电压、温度的实时测试。
4.根据权利要求1所述的一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法，其特征在于：所述步骤3样气流量保持在12L/min以下。
5.根据权利要求1所述的一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法，其特征在于：所述步骤3样气在由防爆罐经气路向探测气池转移的过程中，通过文丘管对流速进行测量，并且此过程中探测气池达到承压上限时，立即停止进气。
6.根据权利要求5所述的一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法，其特征在于：所述样气在经文丘管测量流速后，通过耐腐蚀除尘器进行除尘。
7.根据权利要求6所述的一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法，其特征在于：所述样气完成除尘后，通过冷阱除去样气中的水汽和电解液。
8.根据权利要求7所述的一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法，其特征在于：所述样气完成经过冷阱后，通过换热器为气体预热。
9.根据权利要求1所述的一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法，其特征在于：所述步骤4通过对探测气池供热实现其内部样气的热稳定，温度保持于100-200℃的任意值。
10.根据权利要求1所述的一种含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法，其特征在于：所述步骤5通过碱洗、紫外裂解、活性炭吸附三种方式结合实现尾气处理净化。
11.一种根据权利要求1所述的含有氢氟酸的锂离子电池热失控产气分析方法所采用的装置，其特征在于：包括依次管道连 接的防爆罐(1)、文丘管(2)、耐腐蚀除尘器(3)、冷阱(4)、隔膜泵(5)、换热器(6)、探测气池 (7)、尾气处理装置(8)以及引风机(9)，所述防爆罐(1)内部电路连接有电池测试系统(10)，所述防爆罐(1)外部包裹有可分离的隔热层(11)，所述防爆罐(1)设置有气压计A(12)，所述防爆罐(1)与文丘管(2)之间设置有阀A(13)，所述冷阱(4)与隔膜泵(5)之间设置有三通阀B (14)，所述三通阀B(14)外接有独立管路(15)，所述独立管路(15)与换热器(6)连接，所述探 测气池(7)和尾气处理装置(8)之间设置有三通阀C(16)，所述三通阀C(16)外接有真空泵 (17)和气压计B(18)。
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