CN113497281B - 一种测定锂离子电池热失控边界条件的方法和检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测定锂离子电池热失控边界条件的方法和检测系统，涉及电池检测领域。该方法包括：对待测试的锂离子电池进行充电；对充电后的所述锂离子电池进行热失控实验，并监测所述热失控实验过程中所述锂离子电池的温度和电压；根据监测所获得的温度和电压，确定所述锂离子电池热失控的边界条件。本发明提供的测定锂离子电池热失控边界条件的方法可以快速检定锂离子动力电池热失控过程中几个边界条件，还涵盖电压、温度等参数，为锂离子电池系统管理与控制提供有力的数据支撑。

Description

一种测定锂离子电池热失控边界条件的方法和检测系统

技术领域

本发明涉及电池检测领域，特别涉及一种测定锂离子电池热失控边界条件的方法和检测系统。

背景技术

新能源的研发和应用作为缓解环境与能源的压力已成为世界各国发展的重要行业，锂离子电池作为新能源领域的一个重要产业，在消费类领用、新能源汽车领域、储能领域发展迅猛，为了应对各个领域的续航需求，锂离子电池的能量密度持续提高，与之而来的安全性风险也有所加剧，锂离子电池的安全事故层出不穷。

由于内短路造成的热失控是锂离子电池主要的安全问题，其他的安全问题可能用电化学或者机械方法控制，而电池最初的潜在缺陷可能不太好控制。因此，对锂离子电池热失控的几个边界条件的确定就十分必要。

发明内容

本发明实施例提供一种测定锂离子电池热失控边界条件的方法和检测系统，以解决无法确定锂离子电池热失控的边界条件的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种测定锂离子电池热失控边界条件的方法，包括：

对待测试的锂离子电池进行充电；

对充电后的所述锂离子电池进行热失控实验，并监测所述热失控实验过程中所述锂离子电池的温度和电压；

根据监测所获得的温度和电压，确定所述锂离子电池热失控的边界条件。

进一步地，所述对待测试的锂离子电池进行充电，包括：

对所述锂离子电池以第一预设电流恒流充电至第一充电状态；

所述第一充电状态时以当前电压恒压充电，至锂离子电池的充电电流为第二预设电流时停止充电。

进一步地，对待测试的锂离子电池进行充电之后，所述方法还包括：

将充电后的所述锂离子电池搁置预设时长。

进一步地，所述对充电后的所述锂离子电池进行热失控实验，包括：

所述锂离子电池上连接温度传感器和电压检测元件；

通过预设直径钢针以预设速率穿设所述锂离子电池的极片位置，引发热失控。

进一步地，根据监测所获得的温度和电压，确定所述锂离子电池热失控的边界条件，包括：

根据所述热失控实验过程中的不同温度范围，确定所述锂离子电池热失控的多个阶段；

根据每一阶段内，所述温度随时间变化的温度变化曲线和所述电压随时间变化的电压变化曲线，确定所述锂离子电池热失控的边界条件。

进一步地，所述多个阶段包括：

温度大于或等于第一预设值时，阳极固体电解质界面膜分解的第一阶段；

温度大于或等于第二预设值时，电解液分解的第二阶段；

温度大于或等于第三预设值时，阴极分解的第三阶段；

温度大于或等于第四预设值时，粘结剂分解的第四阶段；

其中，第一预设值、第二预设值、第三预设值、第四预设值依次增大。

进一步地，所述第一阶段时，温度变化曲线的第一温度斜率处于第一预设范围，电压变化曲线的第一电压斜率处于第二预设范围；

所述第二阶段时，温度变化曲线的第二温度斜率处于第三预设范围，电压变化曲线的第二电压斜率处于第四预设范围；

所述第三阶段时，温度变化曲线的第三温度斜率处于第五预设范围，电压变化曲线的第三电压斜率处于第六预设范围；

所述第四阶段时，温度变化曲线的第四温度斜率处于第七预设范围，电压变化曲线的第四电压斜率处于第八预设范围。

进一步地，确定为粘结剂分解的第四阶段时，锂离子电池进入热失控状态；其中，将失控前阶段的参数认定为锂离子电池热失控边界值。

本发明提供一种用于如上所述方法的检测系统，包括：

充电装置，用于对待测试的锂离子电池进行充电；

热失控实验装置，用于对充电后的所述锂离子电池进行热失控实验；

温度传感器，设置在所述锂离子电池上，用于检测热失控实验过程中所述锂离子电池的温度；

电压检测元件，与所述锂离子电池连接，用于检测热失控实验过程中所述锂离子电池的电压。

进一步地，所述检测系统还包括：

分析装置，用于根据监测所获得的温度和电压，确定所述锂离子电池热失控的边界条件。

进一步地，所述热失控实验装置包括：

预设直径钢针和驱动元件；

其中，所述驱动元件用于驱动所述预设直径钢针移动，所述预设直径钢针能够以预设速率穿设所述锂离子电池的极片位置。

进一步地，所述热失控实验装置还包括：封闭壳体，所述预设直径钢针设置于所述封闭壳体内。

本发明的有益效果是：

本发明提供的测定锂离子电池热失控边界条件的方法可以快速检定锂离子动力电池热失控过程中几个边界条件，还涵盖电压、温度等参数，为锂离子电池系统管理与控制提供有力的数据支撑，为电池系统的安全可靠提供保障，减少锂离子电池的安全事故。

附图说明

图1表示本发明实施例提供的测定锂离子电池热失控边界条件的方法的流程示意图；

图2表示本发明提供的热失控实验过程中的电压及温度变化率曲线图；

图3表示本发明实施例提供的检测系统模块示意图。

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。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本发明的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本发明的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和构造的描述。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

在本发明的各种实施例中，应理解，下述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

本发明针对现有技术无法确定锂离子电池热失控的边界条件的问题，提供一种测定锂离子电池热失控边界条件的方法和检测系统。

如图1所示，本发明一可选实施例提供的测定锂离子电池热失控边界条件的方法，包括：

步骤100，对待测试的锂离子电池进行充电；

步骤200，对充电后的所述锂离子电池进行热失控实验，并监测所述热失控实验过程中所述锂离子电池的温度和电压；

步骤300，根据监测所获得的温度和电压，确定所述锂离子电池热失控的边界条件。

该实施例中，对待测试的锂离子电池进行处理得到热失控实验过程中的电压及温度变化率曲线图，根据电压及温度变化率曲线图确定所述锂离子电池热失控的边界条件，所述边界条件涵盖电压、温度等参数，为锂离子电池系统管理与控制提供有力的数据支撑。

可选的，所述步骤100，包括：

对所述锂离子电池以第一预设电流恒流充电至第一充电状态；

所述第一充电状态时以当前电压恒压充电，至锂离子电池的充电电流为第二预设电流时停止充电。

需要说明的是，所述第一预设电流优选为1CA，对待测试的锂离子动力电池以1CA电流恒流充电至第一充电状态，此时获取所述第一充电状态的电压，以当前的电压继续充电，充电至待测试的锂离子动力电池中的充电电流降低至第二预设电流时停止充电，所述第二预设电流为0.05CA，其中，若充电过程中锂离子电池的电压超过0.1V时，则直接停止充电。

进一步地，对待测试的锂离子电池进行充电之后，所述方法还包括：

将充电后的所述锂离子电池搁置预设时长。

需要说明的是，所述搁置预设时长为搁置1-2小时，这样是为了保证测试样品的一致性和稳定性，保证后续热失控实验的准确性。

在一具体实施例中，所述步骤200包括：

所述锂离子电池上连接温度传感器和电压检测元件；

通过预设直径钢针以预设速率穿设所述锂离子电池的极片位置，引发热失控。

该实施例中，将搁置后的锂离子电池置于热失控实验装置内，并将所述锂离子电池连接温度传感器和电压检测元件，通过预设直径钢针以预设速率穿设所述锂离子电池的极片位置，所述预设直径钢针为6mm-10mm的耐高温钢针，且尖针的圆锥角度为45°-60°，钢针的表面光洁，无锈蚀、氧化层及污垢，防止钢针的因素影响实验数据；所述预设速率为(25±5)或者(40±5)mm/s的速度，从垂直于锂离子电池极片的方向，贯穿锂离子电池，引发电池热失控实验；选取这两种速率的原因是触发锂离子电池热失控实验的优选速率，当然可以根据实际条件选取更为合适的速率。

具体地，所述步骤300包括：

步骤310，根据所述热失控实验过程中的不同温度范围，确定所述锂离子电池热失控的多个阶段；

需要说明的是，所述多个阶段包括：温度大于或等于第一预设值时，阳极固体电解质界面膜分解的第一阶段；温度大于或等于第二预设值时，电解液分解的第二阶段；温度大于或等于第三预设值时，阴极分解的第三阶段；温度大于或等于第四预设值时，粘结剂分解的第四阶段；其中，第一预设值、第二预设值、第三预设值、第四预设值依次增大。所述第一预设值优选为100℃，所述第二预设值优选为150℃，所述第三预设值优选为200℃，所述第四预设值优选为280℃；即在每一阶段内锂离子电池都发生不同物质的分解。

步骤320，根据每一阶段内，所述温度随时间变化的温度变化曲线和所述电压随时间变化的电压变化曲线，确定所述锂离子电池热失控的边界条件。

在一可选实施例中，图2为热失控实验过程中的电压及温度变化率曲线图，通过图2中A曲线为电压变化曲线图，横轴表示时间、左纵轴表示电压，从左至右观测在0至a区间电压基本无变化，在a至b区间电压急速下降，电压变化率快速增大，此时电压变化曲线的第一电压斜率处于第二预设范围，同理可得到在b至c区间电压快速下降，此时电压变化曲线的第二电压斜率处于第四预设范围，电压变化率也快速减小，当在c至d区间，电压变化率依旧在缓慢减小，可以表示为电压变化曲线的第三电压斜率处于第六预设范围，当在d时间以后至电压变为0的区间，电压变化曲线的第四电压斜率处于第八预设范围；从上面可以看出电压变化率随时间变化逐渐减小。

该实施例中，图2中B曲线为温度变化曲线图，横轴表示时间、右纵轴表示温度，同样可以得到，温度缓慢上升，温度变化速率小幅增大的a至b区间，即温度变化曲线的第一温度斜率的区间；温度快速上升，温度变化速率快速变大的b至c区间，即温度变化曲线的第二温度斜率的区间；在c至d区间时，温度小幅度下降，温度变化速率快速降低，即温度变化曲线的第三温度斜率的区间；d时间以后的区间，温度小幅度升高至一个平缓的阶段，温度变化速率小幅度降低，即温度变化曲线的第四温度斜率的区间。

综合图2的A和B曲线可以确定所述第一阶段时，温度变化曲线的第一温度斜率处于第一预设范围，电压变化曲线的第一电压斜率处于第二预设范围；所述第二阶段时，温度变化曲线的第二温度斜率处于第三预设范围，电压变化曲线的第二电压斜率处于第四预设范围；所述第三阶段时，温度变化曲线的第三温度斜率处于第五预设范围，电压变化曲线的第三电压斜率处于第六预设范围；所述第四阶段时，温度变化曲线的第四温度斜率处于第七预设范围，电压变化曲线的第四电压斜率处于第八预设范围。

进一步地，确定为粘结剂分解的第四阶段时，锂离子电池进入热失控状态；其中，将失控前阶段的参数认定为锂离子电池热失控边界值。其中热失控状态表现为锂离子电池进入热失控状态后电压下降，并最终变为0。

综上所述，通过测定锂离子电池热失控边界条件的方法，确定了四个进入热失控状态后的边界条件，所述边界条件涵盖电压、温度等参数，为锂离子电池系统管理与控制提供有力的数据支撑，为电池系统的安全可靠提供保障，减少锂离子电池的安全事故。

如图3所示，本发明一可选实施例提供的用于如上所述方法的检测系统，该检测系统10包括：

充电装置，用于对待测试的锂离子电池进行充电；

热失控实验装置，用于对充电后的所述锂离子电池进行热失控实验；

温度传感器，设置在所述锂离子电池上，用于检测热失控实验过程中所述锂离子电池的温度；

电压检测元件，与所述锂离子电池连接，用于检测热失控实验过程中所述锂离子电池的电压。

需要说明的是，检测系统10通过充电装置为待测试的锂离子电池进行充电，充电后所述锂离子电池连接上温度传感器和电压检测元件的同时，利用热失控实验装置进行热失控实验，并监测所述热失控实验过程中所述锂离子电池的温度和电压，根据监测所获得的温度和电压，确定所述锂离子电池热失控的边界条件。

具体地，所述检测系统10还包括：

分析装置，用于根据监测所获得的温度和电压，确定所述锂离子电池热失控的边界条件。

需要说明的是，通过分析装置对监测所获得的温度和电压数据进行仿真并以图表形式显示出来，优选为图2的曲线图，直观的体现温度、电压的变化趋势，通过对曲线图进行汇总分析，确定所述锂离子电池热失控的边界条件。

可选的，所述热失控实验装置包括：

预设直径钢针和驱动元件；

其中，所述驱动元件用于驱动所述预设直径钢针移动，所述预设直径钢针能够以预设速率穿设所述锂离子电池的极片位置。

需要说明的是，所述驱动元件用于驱动所述预设直径钢针移动，并可以控制所述预设直径钢针的速率，所述预设直径钢针为6mm-10mm的耐高温钢针，且尖针的圆锥角度为45°-60°，钢针的表面光洁，无锈蚀、氧化层及污垢，防止钢针的因素影响实验数据；所述驱动元件驱动钢针从垂直于锂离子电池极片的方向以预设速率贯穿锂离子电池，引发电池热失控实验。

可选的，所述热失控实验装置还包括：封闭壳体，所述预设直径钢针设置于所述封闭壳体内。这里，所述封闭壳体保护所述热失控实验装置内部的零部件，防止在实验过程中对热失控实验装置造成干扰；所述预设直径钢针优选为可拆卸耐热性钢针。

综上所述，本发明提供的用于测定锂离子电池热失控边界条件的方法的检测系统，可以快速检定锂离子动力电池热失控过程中几个边界条件，还涵盖电压、温度等参数，为锂离子电池系统管理与控制提供有力的数据支撑，为电池系统的安全可靠提供保障，减少锂离子电池的安全事故。

以上所述的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人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种测定锂离子电池热失控边界条件的方法，其特征在于，包括：

对待测试的锂离子电池进行充电；

对充电后的所述锂离子电池进行热失控实验，并监测所述热失控实验过程中所述锂离子电池的温度和电压；

根据监测所获得的温度和电压，确定所述锂离子电池热失控的边界条件；

根据监测所获得的温度和电压，确定所述锂离子电池热失控的边界条件，包括：

根据所述热失控实验过程中的不同温度范围，确定所述锂离子电池热失控的多个阶段；

根据每一阶段内，所述温度随时间变化的温度变化曲线和所述电压随时间变化的电压变化曲线，确定所述锂离子电池热失控的边界条件；

所述多个阶段包括：

温度大于或等于第一预设值时，阳极固体电解质界面膜分解的第一阶段；

温度大于或等于第二预设值时，电解液分解的第二阶段；

温度大于或等于第三预设值时，阴极分解的第三阶段；

温度大于或等于第四预设值时，粘结剂分解的第四阶段；

其中，第一预设值、第二预设值、第三预设值、第四预设值依次增大；

所述第一阶段时，温度缓慢上升，温度变化速率小幅增大，同时电压急速下降，电压变化率快速增大，温度变化曲线的第一温度斜率处于第一预设范围，电压变化曲线的第一电压斜率处于第二预设范围；

所述第二阶段时，温度快速上升，温度变化速率快速变大，同时电压快速下降，温度变化曲线的第二温度斜率处于第三预设范围，电压变化曲线的第二电压斜率处于第四预设范围；

所述第三阶段时，温度小幅度下降，温度变化速率快速降低，同时电压变化率缓慢减小，温度变化曲线的第三温度斜率处于第五预设范围，电压变化曲线的第三电压斜率处于第六预设范围；

所述第四阶段时，温度小幅度升高至一个平缓的阶段，温度变化速率小幅度降低，同时电压变为0，温度变化曲线的第四温度斜率处于第七预设范围，电压变化曲线的第四电压斜率处于第八预设范围；

确定为粘结剂分解的第四阶段时，锂离子电池进入热失控状态；其中，将失控前阶段的参数认定为锂离子电池热失控边界值。

2.根据权利要求1所述的测定锂离子电池热失控边界条件的方法，其特征在于，所述对待测试的锂离子电池进行充电，包括：

对所述锂离子电池以第一预设电流恒流充电至第一充电状态；

所述第一充电状态时以当前电压恒压充电，至锂离子电池的充电电流为第二预设电流时停止充电。

3.根据权利要求1或2所述的测定锂离子电池热失控边界条件的方法，其特征在于，对待测试的锂离子电池进行充电之后，所述方法还包括：

将充电后的所述锂离子电池搁置预设时长。

4.根据权利要求2所述的测定锂离子电池热失控边界条件的方法，其特征在于，所述对充电后的所述锂离子电池进行热失控实验，包括：

所述锂离子电池上连接温度传感器和电压检测元件；

通过预设直径钢针以预设速率穿设所述锂离子电池的极片位置，引发热失控。

5.一种用于权利要求1至4任一项所述方法的检测系统，其特征在于，包括：

充电装置，用于对待测试的锂离子电池进行充电；

热失控实验装置，用于对充电后的所述锂离子电池进行热失控实验；

温度传感器，设置在所述锂离子电池上，用于检测热失控实验过程中所述锂离子电池的温度；

电压检测元件，与所述锂离子电池连接，用于检测热失控实验过程中所述锂离子电池的电压。

6.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括：

分析装置，用于根据监测所获得的温度和电压，确定所述锂离子电池热失控的边界条件。

7.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，所述热失控实验装置包括：

预设直径钢针和驱动元件；

其中，所述驱动元件用于驱动所述预设直径钢针移动，所述预设直径钢针能够以预设速率穿设所述锂离子电池的极片位置。

8.根据权利要求7所述的检测系统，其特征在于，所述热失控实验装置还包括：封闭壳体，所述预设直径钢针设置于所述封闭壳体内。

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