CN112751094B - 一种电池热稳定性评估方法、装置及系统 - Google Patents

一种电池热稳定性评估方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电池热稳定性评估方法、装置及系统，涉及锂离子电池技术领域，所述方法包括：获取电极材料进行热分解的起始温度和热分解产物信息；根据所述起始温度和所述热分解产物信息，确定电池的热稳定性表征参数；根据所述热稳定性表征参数，评估电池的热稳定性等级；确定与所述热稳定性等级相对应的防护策略。本发明的方案实现了通过分析退役的锂离子电池的电极材料的热分解产物，确定退役的锂离子电池在梯次利用时的防护策略，提高退役的锂离子电池梯次利用的安全性。

Description

一种电池热稳定性评估方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及动力锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种电池热稳定性评估方法、装置及系统。
背景技术
随着电动汽车保有量的快速增长，动力电池的数量也出现了迅速增长，近年来不断有动力锂离子电池燃烧爆炸的事故发生，动力电池的安全性越来越得到人们的关注和重视。动力电池的安全性与其电极材料的热稳定性密切相关，当动力电池从汽车上退役下来以后，其梯次利用阶段的安全性评价更为重要。
传统锂离子电池电极材料热稳定研究中往往以热-重联用同步热分析方法(Thermogravimetry-Differential Scanning Calorimetry,简称：TG-DSC)检测锂离子电池电极材料初始热分解温度及失重情况，这种方法虽然能够检测到锂离子电池电极材料的最初分解反应的温度和失重情况，但是却无法进一步确定分解产物的种类和含量，因而无法确保锂离子电池在梯次利用阶段的安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池热稳定性评估方法、装置及系统，从而解决现有技术中无法根据电池电极的分解产物确定电池梯次利用的安全策略的问题。
为了达到上述目的，本发明提供一种电池热稳定性评估方法，包括：
获取电极材料进行热分解的起始温度和热分解产物信息；
根据所述起始温度和所述热分解产物信息，确定电池的热稳定性表征参数；
根据所述热稳定性表征参数，评估电池的热稳定性等级；
确定与所述热稳定性等级相对应的防护策略。
优选的，获取电极材料进行热分解的起始温度和热分解产物信息的步骤包括：
获取满足预设条件的锂离子电池电极材料的样品的热分解曲线；
根据所述热分解曲线，获取所述起始温度和所述热分解产物信息。
优选的，所述热分解产物信息包括：失重量、分解产物种类和分解产物含量。
优选的，根据所述起始温度和所述热分解产物信息，确定电池的热稳定性表征参数的步骤包括：
根据所述起始温度确定热分解温度系数、根据所述失重量确定失重系数、根据所述分解产物种类和所述分解产物含量确定热分解产物系数；
根据所述热分解温度系数、所述失重系数、所述分解产物种类和所述热分解产物系数，确定所述热稳定性表征参数。
优选的，根据所述热稳定性表征参数，评估电池的热稳定性等级的步骤包括：
若所述热稳定性表征参数大于或等于第一预设值且小于第二预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第一等级；
若所述热稳定性表征参数大于或等于第三预设值且小于第一预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第二等级；
若所述热稳定性表征参数大于或等于第四预设值且小于第三预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第三等级；
若所述热稳定性表征参数大于或等于第五预设值且小于第四预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第四等级。
优选的，确定与所述热稳定性等级相对应的防护策略的步骤包括：
在所述热稳定性等级为第一等级时，确定所述防护策略为：在所述电池的箱体上镶嵌防爆阀；
在所述热稳定性等级为第二等级时，确定所述防护策略为：在所述电池的箱体上镶嵌防爆阀、在所述电池的主负输出端串联保险熔断丝且在电池单体之间设置防火隔热材料；
在所述热稳定性等级为第三等级时，确定所述防护策略为：在所述电池的箱体上镶嵌防爆阀、在所述电池的主负输出端串联保险熔断丝、在电池单体之间设置防火隔热材料且在所述电池的箱体内设置主动灭火装置；
在所述热稳定性等级为第四等级时，禁止梯次利用。
本发明实施例还提供一种电池热稳定性评估装置，包括：
获取模块，用于获取电极材料进行热分解的起始温度和热分解产物信息；
第一确定模块，用于根据所述起始温度和所述热分解产物信息，确定电池的热稳定性表征参数；
评估模块，用于根据所述热稳定性表征参数，评估电池的热稳定性等级；
第二确定模块，用于确定与所述热稳定性等级相对应的防护策略。
优选的，所述热分解产物信息包括：失重量、分解产物种类和分解产物含量。
优选的，所述获取模块包括：
第一获取子模块，用于获取满足预设条件的锂离子电池电极材料的样品的热分解曲线；
第二获取子模块，用于根据所述热分解曲线，获取所述起始温度和所述热分解产物信息。
优选的，所述第一确定模块包括：
第一确定子模块，用于根据所述起始温度确定热分解温度系数、根据所述失重量确定失重系数、根据所述分解产物种类和所述分解产物含量确定热分解产物系数；
第二确定子模块，用于根据所述热分解温度系数、所述失重系数、所述分解产物种类和所述热分解产物系数，确定所述热稳定性表征参数。
优选的，所述评估模块具体用于：
若所述热稳定性表征参数大于或等于第一预设值且小于第二预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第一等级；
若所述热稳定性表征参数大于或等于第三预设值且小于第一预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第二等级；
若所述热稳定性表征参数大于或等于第四预设值且小于第三预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第三等级；
若所述热稳定性表征参数大于或等于第五预设值且小于第四预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第四等级。
优选的，所述第二确定模块具体用于：
在所述热稳定性等级为第一等级时，确定所述防护策略为：在所述电池的箱体上镶嵌防爆阀；
在所述热稳定性等级为第二等级时，确定所述防护策略为：在所述电池的箱体上镶嵌防爆阀、在所述电池的主负输出端串联保险熔断丝且在电池单体之间设置防火隔热材料；
在所述热稳定性等级为第三等级时，确定所述防护策略为：在所述电池的箱体上镶嵌防爆阀、在所述电池的主负输出端串联保险熔断丝、在电池单体之间设置防火隔热材料且在所述电池的箱体内设置主动灭火装置；
在所述热稳定性等级为第四等级时，禁止梯次利用。
本发明实施例还提供一种电池热稳定性评估系统，包括如上所述的电池热稳定性评估装置。
本发明实施例还提供一种电池热稳定性评估系统，包括：处理器，存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述的电池热稳定性评估方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的电池热稳定性评估方法的步骤。
本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果：
本发明实施例的电池热稳定性评估方法，首先获取电极材料进行热分解的起始温度和热分解产物信息；其次，根据所述起始温度和所述热分解产物信息，确定电池的热稳定性表征参数，然后，根据所述热稳定性表征参数评估电池的热稳定性等级，最后，确定在梯次利用阶段，所述电池的防护策略，实现了根据电极材料的热分解产物指导锂离子电池在梯次利用阶段的防护策略，提高了退役的锂离子电池在梯次利用阶段的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例的电池热稳定性评估方法的基本步骤的示意图；
图2为本发明实施例的电池热稳定性评估装置的基本组成的示意图；
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有技术中无法确定锂离子电池电极材料分解产物的种类和含量，导致对锂离子电池梯次利用阶段的安全性评价不足的问题，提供了一种电池热稳定性评估方法、装置及系统，实现了根据退役的锂离子电池电极材料的分解产物评估电池的热稳定性等级，最终确定电池在梯次利用阶段的安全防护策略。
如图1所示，本发明实施例提供一种电池热稳定性评估方法，包括：
步骤S101，获取电极材料进行热分解的起始温度和热分解产物信息；
本步骤中，所述起始温度为电极开始进行热分解的温度，所述热分解产物信息为所述电极材料完全分解后生成的产物。
步骤S102，根据所述起始温度和所述热分解产物信息，确定电池的热稳定性表征参数；
本步骤中，所述热稳定性表征参数与所述起始温度和所述热分解产物信息之间的关系是通过实验数据确定的，详见下文中的具体描述。
步骤S103，根据所述热稳定性表征参数，评估电池的热稳定性等级；
本发明实施例中，预先存储有热稳定性表征参数和热稳定性等级对照表，可根据热稳定性表征参数的数值确定对应的热稳定性等级。
步骤S104，确定与所述热稳定性等级相对应的防护策略。
本步骤中，所述防护策略为锂离子电池在退役后，梯次利用时为了确保使用的安全性，避免电池热失控所采用的防护策略。
本发明实施例的电池热稳定性评估方法，根据获取的电极材料的起始温度和热分解产物信息确定电池的热稳定性表征参数，并根据所述热稳定性表征参数评估电池的热稳定性等级，最终根据所述热稳定性等级确定对应的防护策略，从而指导锂离子电池在梯次利用阶段采用的安全防护措施，提高了退役的锂离子电池在梯次利用阶段的安全性。
需要说明的是，为了获取电极材料热分解的起始温度和热分解产物信息，首先需要对所述电池进行预处理，获得电极材料的样品，然后进行热分解，最终或缺电极材料热分解的起始温度和热分解产物信息；其中，所述电池为退役的锂离子电池。
具体的，对所述电池进行预处理的步骤包括：
首先，在常温下，优选25℃，以0.5-1C倍率调整欲拆解锂离子电池的荷电状态，使得其荷电状态为预设荷电状态。
其次，将调整后的锂离子电池静置预设时长后，优选2小时，在惰性气氛中进行拆解，其中，惰性气氛的条件为：惰性气体为氩气，水含量小于0.1ppm，氧含量小于0.1ppm。
最后，利用陶瓷刀具将锂离子电池的电极材料从集流体上刮取下来，并用研钵研磨至平均粒度为80μm以下，并用容器密封，从惰性气氛中取出，待用；
对电极材料进行热分解的过程具体为：
取预设重量(优选10-20mg)的电极材料样品，在热-重联用-质谱(Thermogravimetry-Differential Scanning Calorimetry-Mass Spectrum,简称：TG-DSC-MS)同步热分析仪中进行热分解实验。
具体的，步骤S101，获取电极材料进行热分解的起始温度和热分解产物信息的步骤包括：
获取满足预设条件的锂离子电池电极材料的样品的热分解曲线；
本步骤中，满足预设条件的锂离子电池为按照前述内容进行预处理后的锂离子电池；在所述电池进行热分解的过程中会自动生成相应的热分解曲线，本发明实施例仅需直接获取所述热分解曲线即可。
根据所述热分解曲线，获取所述起始温度和所述热分解产物信息。
优选地，所述热分解产物信息包括：失重量、分解产物种类和分解产物含量。
举例而言，根据一电池的电极材料的TG-DSC-MS曲线获取到的起始温度和热分解产物如下表：
表1：电极材料分解特性参数表
Figure BDA0002252201170000071
具体的，步骤S102，根据所述起始温度和所述热分解产物信息，确定电池的热稳定性表征参数，包括：
根据所述起始温度确定热分解温度系数、根据所述失重量确定失重系数、根据所述分解产物种类和所述分解产物含量确定热分解产物系数；
需要说明的是，本发明实施例中预先存储有起始温度-热分解温度系数对照表、失重量-失重系数对照表、分解产物种类和含量-热分解产物系数对照表，本步骤可以通过查表的方法确定各系数。其中，各对照表可以为根据大量实验数据确定的对应关系表。具体如下：
表2：起始温度-热分解温度系数对照表
起始温度 热分解温度系数A
<65℃ 10
65-80℃ 7.5
80-100℃ 5
>100℃ 2.5
表3：失重量-失重系数对照表
失重量 失重系数B
失重量<15％ 10
15≤失重量<30％ 9
30≤失重量<45％ 8
45≤失重量<60％ 6
60≤失重量<75％ 4
75≤失重量<90％ 2
失重量≥90 1
表4：分解产物种类和含量-热分解产物系数对照表
Figure BDA0002252201170000072
根据所述热分解温度系数、所述失重系数、所述分解产物种类和所述热分解产物系数，确定所述热稳定性表征参数。
本步骤中，优选根据公式F＝0.6A+0.2B+0.2C，确定所述热稳定性表征参数。其中，F为热稳定性表征参数，表征电池电极材料热稳定性能，取值范围为1至10；A为热分解温度系数，表征电极材料热分解难易程度，取值规则见表2；B为失重系数，表征电极材料热分解反应剧烈程度，取值规则见表3；C为电极材料热分解产物系数，表征电极材料分解复杂程度，取值规则见表4。
需要说明的是，确定所述热稳定性表征参数的公式亦是根据大量实验数据总结出来的。
具体的，步骤S103，根据所述热稳定性表征参数，评估电池的热稳定性等级的步骤包括：
若所述热稳定性表征参数大于或等于第一预设值且小于第二预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第一等级；
若所述热稳定性表征参数大于或等于第三预设值且小于第一预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第二等级；
若所述热稳定性表征参数大于或等于第四预设值且小于第三预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第三等级；
若所述热稳定性表征参数大于或等于第五预设值且小于第四预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第四等级。
需要说明的是，所述第一预设值优选7.5，所述第二预设值优选10，所述第三预设值优选5.0，所述第四预设值优选2.5，所述第五预设值优选0。
本步骤中的热稳定性等级用于表征不同材料体系电池的热稳定性及安全性，同时用以指导梯次利用电池热失控防护等级的判别和设计，另外，需要强调的是，所述热稳定性表征参数的取值越大，所述电池的热稳定性越好。
具体的，步骤S104，确定与所述热稳定性等级相对应的防护策略的步骤包括：
在所述热稳定性等级为第一等级时，确定所述防护策略为：在所述电池的箱体上镶嵌防爆阀；用以实时检测箱体内的压力，当箱体内的压力大于一预设压力时，所述防爆阀打开，从而避免所述电池爆炸引起火灾。
在所述热稳定性等级为第二等级时，确定所述防护策略为：在所述电池的箱体上镶嵌防爆阀、在所述电池的主负输出端串联保险熔断丝且在电池单体之间设置防火隔热材料；其中，所述防爆阀的作用如上所述，在此不再赘述；串联所述保险熔断丝实现了在箱体内的温度过高时，直接将电压输出端与外部的电路断开，使所述电池停止供电，避免电池在高温下持续工作造成火灾；在电池单体之间设置防火隔热材料，避免了其中一电池单体异常，如自燃等，对其他电池单体造成损害。
在所述热稳定性等级为第三等级时，确定所述防护策略为：在所述电池的箱体上镶嵌防爆阀、在所述电池的主负输出端串联保险熔断丝、在电池单体之间设置防火隔热材料且在所述电池的箱体内设置主动灭火装置；其中，所述防爆阀、所述保险熔断丝和所述防火隔热材料的作用如上所述，在此不再赘述；所述主动灭火装置可以实时采集所述箱体内的烟雾浓度、温度和电池的输出电压等信号，以上述信号作为触发源，在上述三种信号中的至少一种异常时，主动开启灭火机制，避免所述电池在梯次利用阶段出现爆炸的现象，提高了所述电池使用的安全性。
在所述热稳定性等级为第四等级时，禁止梯次利用。由于第四等级的热稳定性相对较差，若梯次利用，则会存在较大的安全隐患，因此，从热稳定性的方面考虑，不建议梯次利用。
本发明实施例的电池热稳定性评估方法，通过确定所述电池的电极材料进行热分解之后的产物种类和重量，以及热分解的起始温度和热分解过程中的失重量，从而确定所述电池热稳定性表征参数，并根据所述热稳定表征参数确定所述电池的热稳定性等级，最终根据确定的所述热稳定性等级确定所述电池在梯次利用阶段的防护策略，提高了梯次利用阶段的安全性，减少电池燃烧爆炸的现象的发生。
如图2所示，本发明实施例还提供一种电池热稳定评估装置，包括：
获取模块201，用于获取电极材料进行热分解的起始温度和热分解产物信息；
第一确定模块202，用于根据所述起始温度和所述热分解产物信息，确定电池的热稳定性表征参数；
评估模块203，用于根据所述热稳定性表征参数，评估电池的热稳定性等级；
第二确定模块204，用于确定与所述热稳定性等级相对应的防护策略。
本发明实施例的电池热稳定性评估装置中，所述获取模块201包括：
第一获取子模块，用于获取满足预设条件的锂离子电池电极材料的样品的热分解曲线；
第二获取子模块，用于根据所述热分解曲线，获取所述起始温度和所述热分解产物信息。
本发明实施例的电池热稳定性评估装置中，所述热分解产物信息包括：失重量、分解产物种类和分解产物含量。
本发明实施例的电池热稳定性评估装置中，所述第一确定模块202包括：
第一确定子模块，用于根据所述起始温度确定热分解温度系数、根据所述失重量确定失重系数、根据所述分解产物种类和所述分解产物含量确定热分解产物系数；
第二确定子模块，用于根据所述热分解温度系数、所述失重系数、所述分解产物种类和所述热分解产物系数，确定所述热稳定性表征参数。
本发明实施例的电池热稳定性评估装置中，所述评估模块203具体用于：
若所述热稳定性表征参数大于或等于第一预设值且小于第二预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第一等级；
若所述热稳定性表征参数大于或等于第三预设值且小于第一预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第二等级；
若所述热稳定性表征参数大于或等于第四预设值且小于第三预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第三等级；
若所述热稳定性表征参数大于或等于第五预设值且小于第四预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第四等级。
本发明实施例的电池热稳定性评估装置中，所述第二确定模块204具体用于：
在所述热稳定性等级为第一等级时，确定所述防护策略为：在所述电池的箱体上镶嵌防爆阀；
在所述热稳定性等级为第二等级时，确定所述防护策略为：在所述电池的箱体上镶嵌防爆阀、在所述电池的主负输出端串联保险熔断丝且在电池单体之间设置防火隔热材料；
在所述热稳定性等级为第三等级时，确定所述防护策略为：在所述电池的箱体上镶嵌防爆阀、在所述电池的主负输出端串联保险熔断丝、在电池单体之间设置防火隔热材料且在所述电池的箱体内设置主动灭火装置；
在所述热稳定性等级为第四等级时，禁止梯次利用。
本发明实施例的电池热稳定性评估装置，通过确定所述电池的电极材料进行热分解之后的产物种类和重量，以及热分解的起始温度和热分解过程中的失重量，从而确定所述电池热稳定性表征参数，并根据所述热稳定表征参数确定所述电池的热稳定性等级，最终根据确定的所述热稳定性等级确定所述电池在梯次利用阶段的防护策略，提高了梯次利用阶段的安全性，减少电池燃烧爆炸的现象的发生。
本发明实施例还提供一种电池热稳定性评估系统，包括如上所述的电池热稳定性评估装置。
本发明实施例还提供一种电池热稳定性评估系统，包括：处理器，存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述的电池热稳定性评估方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的电池热稳定性评估方法的步骤。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种电池热稳定性评估方法，其特征在于，包括：
获取电极材料进行热分解的起始温度和热分解产物信息，其中，所述热分解产物信息包括：失重量、分解产物种类和分解产物含量，所述电极为退役的锂离子电池的电极；
根据所述起始温度和所述热分解产物信息，确定电池的热稳定性表征参数；
根据所述热稳定性表征参数，评估电池的热稳定性等级；
确定与所述热稳定性等级相对应的防护策略；
其中，获取电极材料进行热分解的起始温度和热分解产物信息的步骤包括：
获取满足预设条件的锂离子电池电极材料的样品的热分解曲线；
根据所述热分解曲线，获取所述起始温度和所述热分解产物信息；
其中，根据所述起始温度和所述热分解产物信息，确定电池的热稳定性表征参数的步骤包括：
根据所述起始温度确定热分解温度系数、根据所述失重量确定失重系数、根据所述分解产物种类和所述分解产物含量确定热分解产物系数；
根据所述热分解温度系数、所述失重系数、所述分解产物种类和所述热分解产物系数，确定所述热稳定性表征参数。
2.根据权利要求1所述的电池热稳定性评估方法，其特征在于，根据所述热稳定性表征参数，评估电池的热稳定性等级的步骤包括：
若所述热稳定性表征参数大于或等于第一预设值且小于第二预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第一等级；
若所述热稳定性表征参数大于或等于第三预设值且小于第一预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第二等级；
若所述热稳定性表征参数大于或等于第四预设值且小于第三预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第三等级；
若所述热稳定性表征参数大于或等于第五预设值且小于第四预设值，则评估所述电池的热稳定性的等级为第四等级。
3.根据权利要求2所述的电池热稳定性评估方法，其特征在于，确定与所述热稳定性等级相对应的防护策略的步骤包括：
在所述热稳定性等级为第一等级时，确定所述防护策略为：在所述电池的箱体上镶嵌防爆阀；
在所述热稳定性等级为第二等级时，确定所述防护策略为：在所述电池的箱体上镶嵌防爆阀、在所述电池的主负输出端串联保险熔断丝且在电池单体之间设置防火隔热材料；
在所述热稳定性等级为第三等级时，确定所述防护策略为：在所述电池的箱体上镶嵌防爆阀、在所述电池的主负输出端串联保险熔断丝、在电池单体之间设置防火隔热材料且在所述电池的箱体内设置主动灭火装置；
在所述热稳定性等级为第四等级时，禁止梯次利用。
4.一种电池热稳定性评估装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取电极材料进行热分解的起始温度和热分解产物信息，其中，所述热分解产物信息包括：失重量、分解产物种类和分解产物含量，所述电极为退役的锂离子电池的电极；
第一确定模块，用于根据所述起始温度和所述热分解产物信息，确定电池的热稳定性表征参数；
评估模块，用于根据所述热稳定性表征参数，评估电池的热稳定性等级；
第二确定模块，用于确定与所述热稳定性等级相对应的防护策略；
其中，所述获取模块包括：
第一获取子模块，用于获取满足预设条件的锂离子电池电极材料的样品的热分解曲线；
第二获取子模块，用于根据所述热分解曲线，获取所述起始温度和所述热分解产物信息；
所述第一确定模块包括：
第一确定子模块，用于根据所述起始温度确定热分解温度系数、根据所述失重量确定失重系数、根据所述分解产物种类和所述分解产物含量确定热分解产物系数；
第二确定子模块，用于根据所述热分解温度系数、所述失重系数、所述分解产物种类和所述热分解产物系数，确定所述热稳定性表征参数。
5.一种电池热稳定性评估系统，其特征在于，包括如权利要求4所述的电池热稳定性评估装置。
6.一种电池热稳定性评估系统，其特征在于，包括：处理器，存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至3任一项所述的电池热稳定性评估方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3中任一项所述的电池热稳定性评估方法的步骤。
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