CN113791358B - 一种多参数锂离子电池安全性评估装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多参数锂离子电池安全性评估装置及方法，包括：电池热失控实验舱、气体分析系统和气体采样管路，电池热失控实验舱通过气体采样管路与气体分析系统连接；电池热失控实验舱包括舱体、加热模块、压力控制模块和温度检测模块，加热模块对电池进行加热并触发热失控，压力控制模块用于对舱体内压力监测及控制，温度检测模块用于实时记录待测电池表面及待测电池排放气体温度；气体分析系统包括气相色谱质谱联用仪和气体拉曼光谱检测仪。可以手动控制锂离子电池所处的环境压力以及环境气体成分，模拟不同情况下的锂离子电池所处的环境条件，同时通过温度、压力、气体成分以及爆炸极限对锂离子电池安全性进行合理评估。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池热失控安全性评估技术领域，更具体的说是涉及一种多参数锂离子电池安全性评估装置及方法。
背景技术
目前，锂离子电池作为能源清洁化的重要组成部分以其能量密度高、循环性能好、环境污染低等特点在储能领域、便携式电子产品以及大型动力电源领域中的占比逐年提高，全球对于锂离子电池的需求量逐年上升。
但是，随着锂离子电池使用范围的增加，因其发生热失控导致的事故量也随之上升，锂离子电池存在的安全问题逐渐暴露。锂离子电池内部材料大多具有可燃性，在使用过程中可能因为不同的滥用情况(热滥用、电滥用和机械滥用)而发生热失控。锂离子电池热失控通常伴随着火灾和爆炸等现象，产生大量高温有毒烟气，单节电池热失控可能会引发周围电池热失控，对其周围的人员及财产产生严重威胁。目前，针对锂离子电池安全性的研究主要针对其在热失控过程中的温度变化，忽略了锂离子电池排放气体时造成的压力冲击以及这些可燃气体的燃爆危险性。此外，大部分锂离子电池安全性研究主要在常压大气环境下进行，而随着电动汽车的推广以及未来全电以及多电飞机的发展，未来锂离子电池的应用领域会扩展到高原地区以及高空中，而这些地区都具有环境压力低这一特点，常压下进行的锂离子电池安全性研究可能不再适应于这些处于低压环境中的锂离子电池。
因此，如何对锂离子电池安全性进行综合评估是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多参数锂离子电池安全性评估装置及方法，可以手动控制锂离子电池所处的环境压力以及环境气体成分，模拟不同情况下的锂离子电池所处的环境条件，同时通过温度、压力、气体成分以及爆炸极限对锂离子电池安全性进行合理评估。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多参数锂离子电池安全性评估装置，包括：电池热失控实验舱、气体分析系统和气体采样管路，所述电池热失控实验舱通过所述气体采样管路与所述气体分析系统连接；
所述电池热失控实验舱包括舱体、加热模块、压力控制模块和温度检测模块，所述加热模块对电池进行加热并触发热失控，所述压力控制模块用于对舱体内压力监测及控制，所述温度检测模块用于实时记录待测电池表面及待测电池排放气体温度；
所述气体分析系统包括气相色谱质谱联用仪和气体拉曼光谱检测仪。
优选的，所述舱体包括：顶盖、无盖直筒和硅胶垫片，所述硅胶垫片设置在所述顶盖与所述无盖直筒的交界处，所述顶盖与所述无盖直筒通过法兰固定连接。
优选的，所述加热模块包括：加热棒、直流电源和加热棒航空插座，所述加热棒通过耐高温胶带与待测电池连接，所述加热棒航空插座设置在所述热失控实验舱包括舱体上，所述加热棒电源线通过所述加热棒航空插座穿过所述电池热失控实验舱与所述直流电源相连.
优选的，所述压力控制模块包括：压力传感器、电磁阀、真空泵，所述真空泵与所述电磁阀相连，所述电磁阀通过电磁阀连接管与所述电池热失控实验舱相连，所述压力传感器通过内螺纹管与电池热失控实验舱相连。
优选的，所述温度监测模块包括：K型热电偶、PT100热电阻、热电偶固定夹具、热电偶航空插座和数据记录仪，所述PT100热电阻通过所述热电偶固定夹具和耐高温胶带固定于待测电池表面，所述K型热电偶通过所述热电偶固定夹具固定于待测电池正上方，所述K型热电偶的数据线通过所述热电偶航空插座穿过电池热失控实验舱与所述数据记录仪相连。
优选的，所述气体采样管路包括：采样泵、气体池、自动进样器、质量流量计、电子控压阀，所述采样泵通过采样泵连接管与所述电池热失控实验舱相连，所述电子控压阀、气体池、自动进样器和流量控制计通过管路串联，所述质量流量计通过质量流量计连接管连回电池热失控实验舱，形成循环回路。
优选的，所述自动进样器与所述气相色谱质谱联用仪连接，所述气体池与所述气体拉曼光谱仪连接，所述气相色谱质谱联用仪和所述气体拉曼光谱检测仪均通过数据线与计算机连接。
一种多参数锂离子电池安全性评估方法，包括以下步骤：
(1)环境压力及环境气体组分设定：将待测锂离子电池与加热模块相连，将电池热失控实验舱封闭，开启压力控制模块将环境压力改变至目标值，若改变环境气体组分，则先将电池热失控实验舱抽至真空，随后通入配好的气体并将压力调节至目标值；
(2)温度及压力测定：设置好环境压力及环境气体组分后，开启加热模块以及温度检测模块，对实验过程中电池热失控实验舱内部压力变化，电池表面温度以及电池释放气体温度进行实时测量，若检测到电池发生热失控，则关闭加热模块；
(3)气体成分分析：实验舱内部压力升高代表电池安全阀打开并排出气体，开启采样泵对气体成分进行分析，首先开启气体拉曼光谱检测仪，对气体池中的气体进行采样分析，通过不同气体对应的峰高变化计算气体成分以及浓度变化；
浓度计算根据公式(1)-(2)得出：
c＝f(h) (1)
式中c为气体浓度；f(h)为气体浓度随特征峰高的变化函数；h为绝对峰高；h1为最高峰值；h2为峰起始高度；h3为峰结束高度；
电池热失控后，打开自动进样器使用气相色谱质谱联用仪进行微量气体成分分析，检测热失控释放气体中是否含有毒性和腐蚀性气体；
(4)爆炸极限计算：根据气体浓度，结合Le-Chatelier法和氧消耗法计算混合气体爆炸下限和爆炸上限；
所述爆炸下限计算根据公式(3)得出：
式中LELmix为可燃气体混合物的爆炸下限；Xi为气体混合物中一种组分的摩尔分数或体积分数；n为气体组分的数量；LELi为气体混合物中一种组分的爆炸下限；
所述爆炸上限计算根据公式(4)-(6)得出：
式中QF,m为空气氛围下可燃气体混合物的吸热能力；χi为气体混合物中一种组分的摩尔分数或体积分数；QF,i为空气氛围下可燃气体混合物中一种组分的吸热能力；CO,i为可燃气体混合物中一种组分在反应中的氧系数；χU,m为含惰性气体的可燃气体混合物的爆炸上限；QD为惰性气体的吸热能力；χD为惰性气体的体积分数。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种多参数锂离子电池安全性评估装置及方法，可以手动控制锂离子电池所处的环境压力以及环境气体成分，模拟不同情况下的锂离子电池所处的环境条件，同时通过温度、压力、气体成分以及爆炸极限对锂离子电池安全性进行合理评估。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的评估装置整体结构示意图。
图2附图为本发明提供的电池热失控实验舱结构示意图。
图3附图为本发明提供的模块连接结构示意图。
其中，1为舱体，2为加热模块，3为压力控制模块，4为温度检测模块，5为采样泵，6为气体池，7为自动进样器，8为质量流量计，9为电子控压阀，10为气相色谱质谱联用仪，11为顶盖，12为无盖直筒，13为硅胶垫片，20为气体拉曼光谱检测仪，21为加热棒，22为直流电源，23为加热棒航空插座，31为压力传感器，32为电磁阀，33为真空泵，34为电磁阀连接管，35为内螺纹管，41为K型热电偶，42为PT100热电阻，43为热电偶固定夹具，44为热电偶航空插座，45为数据记录仪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种多参数锂离子电池安全性评估装置，包括：电池热失控实验舱、气体分析系统和气体采样管路，所述电池热失控实验舱通过所述气体采样管路与所述气体分析系统连接；
电池热失控实验舱包括舱体1、加热模块2、压力控制模块3和温度检测模块4，加热模块2对电池进行加热并触发热失控，压力控制模块3用于对舱体内压力监测及控制，温度检测模块4用于实时记录待测电池表面及待测电池排放气体温度；
气体分析系统包括气相色谱质谱联用仪10和气体拉曼光谱检测仪20。
为进一步优化上述技术方案，舱体1包括：顶盖11、无盖直筒12和硅胶垫片13，硅胶垫片13设置在顶盖11与无盖直筒12的交界处，顶盖11与无盖直筒12通过法兰固定连接。
为进一步优化上述技术方案，加热模块2包括：加热棒21、直流电源22和加热棒航空插座23，加热棒21通过耐高温胶带与待测电池连接，加热棒航空插座23设置在热失控实验舱包括舱体1上，加热棒21电源线通过加热棒航空插座23穿过电池热失控实验舱1与直流电源22相连.
为进一步优化上述技术方案，压力控制模块3包括：压力传感器31、电磁阀32、真空泵33，真空泵33与电磁阀32相连，电磁阀32通过电磁阀连接管34与电池热失控实验舱相连，压力传感器31通过内螺纹管35与电池热失控实验舱相连。
为进一步优化上述技术方案，温度监测模块4包括：K型热电偶41、PT100热电阻42、热电偶固定夹具43、热电偶航空插座44和数据记录仪45，PT100热电阻42通过热电偶固定夹具43和耐高温胶带固定于待测电池表面，K型热电偶41通过热电偶固定夹具(43)固定于待测电池正上方，所述K型热电偶的数据线通过所述热电偶航空插座(44)穿过电池热失控实验舱与所述数据记录仪(45)相连。
为进一步优化上述技术方案，所述气体采样管路包括：采样泵(5)、气体池(6)、自动进样器(7)、质量流量计(8)、电子控压阀(9)，所述采样泵(5)通过采样泵连接管与所述电池热失控实验舱相连，所述电子控压阀(9)、气体池(6)、自动进样器(7)和流量控制计(8)通过管路串联，所述质量流量计(8)通过质量流量计连接管连回电池热失控实验舱，形成循环回路。
为进一步优化上述技术方案，所述自动进样器(7)与所述气相色谱质谱联用仪(10)连接，所述气体池(6)与所述气体拉曼光谱仪(20)连接，所述气相色谱质谱联用仪(10)和所述气体拉曼光谱检测仪(20)均通过数据线与计算机连接。
一种多参数锂离子电池安全性评估方法，包括以下步骤：
(1)环境压力及环境气体组分设定：将待测锂离子电池与加热模块2相连，将电池热失控实验舱封闭，开启压力控制模块3将环境压力改变至目标值，若改变环境气体组分，则先将电池热失控实验舱抽至真空，随后通入配好的气体并将压力调节至目标值；
(2)温度及压力测定：设置好环境压力及环境气体组分后，开启加热模块2以及温度检测模块4，对实验过程中电池热失控实验舱内部压力变化，电池表面温度以及电池释放气体温度进行实时测量，若检测到电池发生热失控，则关闭加热模块2；
(3)气体成分分析：实验舱内部压力升高代表电池安全阀打开并排出气体，开启采样泵5对气体成分进行分析，首先开启气体拉曼光谱检测仪20，对气体池6中的气体进行采样分析，通过不同气体对应的峰高变化计算气体成分以及浓度变化；
浓度计算根据公式(1)-(2)得出：
c＝f(h) (1)
式中c为气体浓度；f(h)为气体浓度随特征峰高的变化函数；h为绝对峰高；h1为最高峰值；h2为峰起始高度；h3为峰结束高度；
电池热失控后，打开自动进样器使用气相色谱质谱联用仪进行微量气体成分分析，检测热失控释放气体中是否含有毒性和腐蚀性气体；
(4)爆炸极限计算：根据气体浓度，结合Le-Chatelier法和氧消耗法计算混合气体爆炸下限和爆炸上限；
所述爆炸下限计算根据公式(3)得出：
式中LELmix为可燃气体混合物的爆炸下限；Xi为气体混合物中一种组分的摩尔分数或体积分数；n为气体组分的数量；LELi为气体混合物中一种组分的爆炸下限；
所述爆炸上限计算根据公式(4)-(6)得出：
式中QF,m为空气氛围下可燃气体混合物的吸热能力；χi为气体混合物中一种组分的摩尔分数或体积分数；QF,i为空气氛围下可燃气体混合物中一种组分的吸热能力；CO,i为可燃气体混合物中一种组分在反应中的氧系数；χU,m为含惰性气体的可燃气体混合物的爆炸上限；QD为惰性气体的吸热能力；χD为惰性气体的体积分数。
本发明工作时，将待测电池放置于电池热失控实验舱内部，使用耐高温胶带将待测电池与加热棒连接，调整热电偶固定夹具，将PT100热电阻用耐高温胶带固定于待测电池表面，将K型热电偶固定于待测电池上方10mm处，开启数据记录仪记录温度；将焊接法兰、硅胶法兰垫片、法兰盖的螺栓控对齐，使用螺栓将三者紧密连接。打开电磁阀以及真空泵，观察压力传感器示数变化，待电池热失控实验舱内部压力达到预设值后关闭电磁阀；调节直流电源，利用加热棒对待测电池进行加热；当压力传感器示数变化时，说明电池开始释放气体，开启采样泵，调节电子控压阀，防止气体池压力过大，调节质量流量计，控制气体采样管路内部流速稳定，使用气体拉曼光谱仪对气体池内的气体样本进行分析，计算气体组分变化并得出气体爆炸极限变化；待测电池发生热失控后，自动进样器开始进样，气相色谱质谱联用仪启动，分析气体样品微量成分，可通过分析结果对气体中的微量成分进行明确，全面分析气体样品中的毒性及腐蚀性气体；本发明所使用的方法容易实现，可通过调节电池热失控实验舱内部压力来达到不同的实验目的，测试流程简单，操作方法易于上手，测试结果认可度以及重复性好。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种多参数锂离子电池安全性评估装置，其特征在于，包括：电池热失控实验舱、气体分析系统和气体采样管路，所述电池热失控实验舱通过所述气体采样管路与所述气体分析系统连接；
所述电池热失控实验舱包括舱体(1)、加热模块(2)、压力控制模块(3)和温度检测模块(4)，所述加热模块(2)对电池进行加热并触发热失控，所述压力控制模块(3)用于对舱体内压力监测及控制，所述温度检测模块(4)用于实时记录待测电池表面及待测电池排放气体温度；
所述气体分析系统包括气相色谱质谱联用仪(10)和气体拉曼光谱检测仪(20)；
所述气体采样管路包括：采样泵(5)、气体池(6)、自动进样器(7)、质量流量计(8)、电子控压阀(9)，所述采样泵(5)通过采样泵连接管与所述电池热失控实验舱相连，所述电子控压阀(9)、气体池(6)、自动进样器(7)和流量控制计(8)通过管路串联，所述质量流量计(8)通过质量流量计连接管连回电池热失控实验舱，形成循环回路；调节电子控压阀(9)，防止气体池压力过大，调节质量流量计(8)，控制气体采样管路内部流速稳定。
2.根据权利要求1所述的一种多参数锂离子电池安全性评估装置，其特征在于，所述舱体(1)包括：顶盖(11)、无盖直筒(12)和硅胶垫片(13)，所述硅胶垫片(13)设置在所述顶盖(11)与所述无盖直筒(12)的交界处，所述顶盖(11)与所述无盖直筒(12)通过法兰固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种多参数锂离子电池安全性评估装置，其特征在于，所述加热模块(2)包括：加热棒(21)、直流电源(22)和加热棒航空插座(23)，所述加热棒(21)通过耐高温胶带与待测电池连接，所述加热棒航空插座(23)设置在所述热失控实验舱包括舱体(1)上，所述加热棒(21)电源线通过所述加热棒航空插座(23)穿过所述电池热失控实验舱(1)与所述直流电源(22)相连。
4.根据权利要求1所述的一种多参数锂离子电池安全性评估装置，其特征在于，所述压力控制模块(3)包括：压力传感器(31)、电磁阀(32)、真空泵(33)，所述真空泵(33)与所述电磁阀(32)相连，所述电磁阀(32)通过电磁阀连接管(34)与所述电池热失控实验舱相连，所述压力传感器(31)通过内螺纹管(35)与电池热失控实验舱相连。
5.根据权利要求1所述的一种多参数锂离子电池安全性评估装置，其特征在于，所述温度检测模块(4)包括：K型热电偶(41)、PT100热电阻(42)、热电偶固定夹具(43)、热电偶航空插座(44)和数据记录仪(45)，所述PT100热电阻(42)通过所述热电偶固定夹具(43)和耐高温胶带固定于待测电池表面，所述K型热电偶(41)通过所述热电偶固定夹具(43)固定于待测电池正上方，所述K型热电偶的数据线通过所述热电偶航空插座(44)穿过电池热失控实验舱与所述数据记录仪(45)相连。
6.根据权利要求1所述的一种多参数锂离子电池安全性评估装置，其特征在于，所述自动进样器(7)与所述气相色谱质谱联用仪(10)连接，所述气体池(6)与所述气体拉曼光谱检测仪(20)连接，所述气相色谱质谱联用仪(10)和所述气体拉曼光谱检测仪(20)均通过数据线与计算机连接。
7.一种多参数锂离子电池安全性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)环境压力及环境气体组分设定：将待测锂离子电池与加热模块(2)相连，将电池热失控实验舱封闭，开启压力控制模块(3)将环境压力改变至目标值，若改变环境气体组分，则先将电池热失控实验舱抽至真空，随后通入配好的气体并将压力调节至目标值；
(2)温度及压力测定：设置好环境压力及环境气体组分后，开启加热模块(2)以及温度检测模块(4)，对实验过程中电池热失控实验舱内部压力变化，电池表面温度以及电池释放气体温度进行实时测量，若检测到电池发生热失控，则关闭加热模块(2)；
(3)气体成分分析：实验舱内部压力升高代表电池安全阀打开并排出气体，开启采样泵(5)对气体成分进行分析，首先开启气体拉曼光谱检测仪(20)，对气体池(6)中的气体进行采样分析，通过不同气体对应的峰高变化计算气体成分以及浓度变化；
浓度计算根据公式(1)-(2)得出：
c＝f(h) (1)
式中c为气体浓度；f(h)为气体浓度随特征峰高的变化函数；h为绝对峰高；h1为最高峰值；h2为峰起始高度；h3为峰结束高度；
电池热失控后，打开自动进样器使用气相色谱质谱联用仪进行微量气体成分分析，检测热失控释放气体中是否含有毒性和腐蚀性气体；
(4)爆炸极限计算：根据气体浓度，结合Le-Chatelier法和氧消耗法计算混合气体爆炸下限和爆炸上限；
所述爆炸下限计算根据公式(3)得出：
式中LELmix为可燃气体混合物的爆炸下限；Xi为气体混合物中一种组分的摩尔分数或体积分数；n为气体组分的数量；LELi为气体混合物中一种组分的爆炸下限；
所述爆炸上限计算根据公式(4)-(6)得出：
式中QF，m为空气氛围下可燃气体混合物的吸热能力；xi为气体混合物中一种组分的摩尔分数或体积分数；QF，i为空气氛围下可燃气体混合物中一种组分的吸热能力；C0，i为可燃气体混合物中一种组分在反应中的氧系数；xU，m为含惰性气体的可燃气体混合物的爆炸上限；QD为惰性气体的吸热能力；xD为惰性气体的体积分数。
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