CN114636724A - 一种锂离子电池热失控气体收集系统及计算方法 - Google Patents

一种锂离子电池热失控气体收集系统及计算方法 Download PDF

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李钊
李磊
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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池热失控气体收集系统，该系统包括：防爆容器；热失控触发装置，设置于所述防爆容器内，用于对防爆容器内的锂离子电池样本提供过热或过充电条件；电池热失控气体采集装置，用于采集防爆容器内锂电池热失控后产生的气体；气源，和所述防爆容器相连，以向防爆容器内输入气体；真空泵，和所述防爆容器相连，用于抽取容器内空气；数据采集设备，用于采集锂离子电池样本热失控过程中温度、电压数据，记录防爆容器内的温度。本系统可以提供稳定的气压和温度环境，可以进行惰性气体气氛和低压非常规复杂环境条件下的锂电子热安全测试。本系统可以提供过热和过充环境，可以进行对锂离子电池失控产生气体状况的深入研究。

Description

一种锂离子电池热失控气体收集系统及计算方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术和锂离子电池安全领域，具体涉及一种锂离子电池热失控气体收集系统及计算方法。
背景技术
锂离子电池安全问题是当前新能源利用及安全领域中的前沿研究课题，也是世界性难题，因锂电池热失控而导致的灾难性事故逐年攀升，科学认识锂离子电池在复杂工作状态下的热演化与热失控特性，并在此基础上发展和优化锂离子电池热管理防护技术已经成为当今锂电池产业界的重要任务。锂离子电池自身热传递过程受多方面因素的影响，其中受外界环境的影响十分明显，例如较高的环境温度或大倍率充放电可直接导致锂离子电池热失控，造成自燃甚至爆炸。锂离子电池热失控产生的可燃性混合气体，是导致电池燃烧或者爆炸发生的直接原因，也是新能源汽车火灾防控的重要目标。目前关于锂离子电池热失控后逸出的气体的测量，已经有一些文献进行了相关报道，如郭超超在2017年其硕士学位论文(中国民航大学)《空运锂离子电池热解气体释放特性研究》中设计一种装置，在低压条件分析锂离子电池热解气体，并研究了荷电状态、负压、温升速度灯因素对锂电池热解气体释放特性的影响。研究发现18650钴酸锂电池产生CO2、C3H8、C3H6、C4H10等气体；SOC在一定范围内，电池温度随着电池SOC增高；热解气体释放量随着环境压力增大而减少；热解气体释放量随着温升速率增高。然而，能够精准采集并对锂电池热失控逸出气体组分和浓度、产气量进行定量分析计算的方法还很少报道。因此为了全面了解锂离子电池在不同的环境条件(温度、压力)下热失控过程中逸出气体的特性和规律，需要设计一个更加精准有效的气体采集装置并开发一个准确的气体成分、气体浓度和产气量的计算方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种锂离子电池热失控气体收集系统及计算方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种锂离子电池热失控气体收集系统，包括：
防爆容器；
热失控触发装置，设置于所述防爆容器内，用于对防爆容器内的锂离子电池样本提供过热或过充电条件；
电池热失控气体采集装置，用于采集防爆容器内锂电池热失控后产生的气体；
气源，和所述防爆容器相连，以向防爆容器内输入气体；
真空泵，和所述防爆容器相连，用于抽取容器内空气；
数据采集设备，用于采集锂离子电池样本热失控过程中温度、电压数据，记录防爆容器内的温度。
进一步地，所述防爆容器包括法兰盘上盖和测试腔；所述法兰盘上盖和测试腔通过紧固螺栓连接，法兰盘上盖上焊接有气路连接柱。
进一步地，所述热失控触发装置包括过热式和过充式；
所述过热式包括220V交流电源、调压仪、加热板，所述加热板通过导线与调压仪相连，通过调压仪调整输出电压从而改变加热板的发热功率，以对锂离子电池样本进行加热，电池样本受热后达到温度后触发热失控并开始产气；
所述过充式包括充放电柜，所述充放电柜通过导线与锂离子电池样本正负极相连，充放电柜用于对电池充电，并通过充放电柜调整充电电流倍率，在电池充满后持续充电导致电池过充并引发热失控。
进一步地，所述防爆容器设置有三个气路接线柱，分别连接一个气压计、一条气体采集气路及主气路；所述主气路设置有两分支气路，分别用于连接气源和真空泵；所述气体采集气路上依次连接气体收集阀门、过滤器和集气袋。
进一步地，所述气源的气体为任何气体，用于替换防爆容器内的气氛。
进一步地，所述防爆容器测试腔内部的顶端、侧壁中部及底端分别安装一根温控热电偶，温控热电偶延长线通过一个密封接线插头与外部的数据采集设备相连；在所述测试腔的中部偏下位置布置一个电池夹具，通过一个夹具锁紧螺母固定用于测试实验的锂离子电池样本，在该锂离子电池样本的表面布置贴片式热电偶，其延长线也利用一密封接线插头与外部的数据采集设备连接。
进一步地，所述贴片式热电偶设置有四个，四个贴片热电偶布置于电池表面，分别在电池的表面上下左右四个部分的中心位置，用于测量电池表面温度；所述温控热电偶设置有三个，三个温控热电偶布置在测试腔顶端、侧壁中部及底端，用于测量防爆容器内的温度。
进一步地，所述防爆容器设置有防爆玻璃观察窗和LED灯。
进一步地，所述的锂离子电池热失控气体收集系统还包括红外摄像仪，所述红外摄像仪正对防爆玻璃观察窗。
相应地，本发明提供了一种锂离子电池热失控气体计算方法，所述方法基于上述的收集系统，包括：
电池过热：
(1)打开防爆容器的法兰盘顶盖，将锂电池样本放置其中，并与加热板通过夹具固定在一起，布置好贴合式热电偶，打开防爆容器内的LED灯；
(2)通过气源或真空泵来创造防爆容器的测试环境条件；
(3)通过温控热电偶监测防爆容器内温度；
(4)通过调压仪调节加热板的发热功率，对锂电池样本进行加热，打开红外摄像仪记录测试过程，同时开启数据采集设备开始记录温度和电压数据；
(5)在锂电池样本热失控后，观察记录防爆容器内部压力数据，待防爆容器内部压力稳定后，温度降低至设定温度后开启气体收集阀门，电池热失控气体从防爆容器内泄放并进入集气袋中；
(6)气体收集结束后，将气体收集阀门关闭；
电池过充：
(1)打开防爆容器的法兰盘顶盖，将锂电池样本放置其中，通过导线与充放电柜连接，布置好贴片式热电偶，打开防爆容器内的LED灯，关闭法兰盘，并用紧固螺栓封闭好；
(2)通过气源或真空泵来创造防爆容器的测试环境条件；
(3)通过温控热电偶监测防爆容器内温度；
(4)通过充放电柜调节电池充电倍率和截止条件，对锂电池样本进行过充，打开红外摄像仪记录测试过程，同时开启数据采集设备记录温度、压力数据；
(5)在锂电池样本热失控后，待防爆容器内部压力稳定后开启气体收集阀门，电池热失控气体防爆容器内泄放并进入集气袋中；
(6)气体收集结束后，将气体收集阀门关闭。
气体组分分析方法：
将集气袋收集的气体用于开展气体分析，针对锂电池热失控产生的混合气体，针对不同的气体组分使用不同的分析方法进行测试，使用气相色谱导热检测器法分析氮气N2，氢气H2,一氧化碳CO,和二氧化碳CO2；使用顶空气相色谱-火焰离子化检测器法分析有机物。
热失控产气体积和质量的计算方法：
通过测量电池热失控后防爆腔内的压力计算出热失控产气的体积和质量，基于理想气体状态方程用下式计算：
Figure BDA0003548255690000041
其中Vgas为热失控产生的气体的体积，Vvoid是防爆容器的容积，P1和P2分别为热失控反应发生前后容器内气体的压力，T为环境温度，R为理想气体常数；
热失控产生的气体的质量用下式计算：
Figure BDA0003548255690000042
其中，Mgas为具体某一种气体的分子质量，Vm0为标准工况下理想气体的摩尔体积。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
(1)本系统可以提供变化的环境压力和气氛，特别是可以进行惰性气体气氛和低压、真空等非常规复杂环境条件下的锂电子热失控测试。
(2)本系统可以实现不同的热失控触发方法，可以使用过热或者过充的方式触发锂电池热失控，从而进行对锂离子电池失控产生气体状况的深入研究。
(3)本系统提出了一种锂电池热失控气体分析方法和产气量的计算方法，可以定量分析锂离子电池热失控逸出混合气体的组分及其比例，可进一步准确计算电池热失控逸出气体体积和质量等关键参数。
附图说明
图1为本发明实施例提供的锂离子电池热失控气体收集系统的组成示意图；
图2为锂离子电池固定方法和热电偶的布置图；
图中：100、防爆容器；101、法兰盘顶盖；102、测试腔；103、紧固螺栓；104、气体连接柱；105、主气路；106、主气路阀门；107、高压气源；108、高压气源阀门；109、真空泵；110、真空泵阀门；111、排气阀；112、排气口；113、气压计；114、气体采集气路；115、气体收集阀门；116、过滤器；117、集气袋；118、LED灯；119、玻璃观察窗；
200、电池样本；201、加热板；202、调压仪；203、220V交流电源；204、密封接线插头；205、贴片式热电偶；206、温控热电偶；207、数据采集仪；208、充放电柜；209、夹具；
300、红外摄像机。
具体实施方式
实施例：
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接、信号连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
参阅图1所示，本实施例提供的锂离子电池热失控气体收集系统主要包括防爆容器100、热失控触发装置、电池热失控气体采集装置、高压气源107、真空泵109以及数据采集设备207。
其中，该热失控触发装置设置于该防爆容器100内，用于对防爆容器100内的锂离子电池样本提供过热和过充环境，从而可以进行对锂离子电池失控产生气体状况的深入研究。该电池热失控气体采集装置用于采集防爆容器内锂电池热失控后产生的气体；该高压气源107和该防爆容器100相连，以往防爆容器100内输入气体；具体地，高压气源107内气体为任何气体，比如惰性气体，替换防爆容器内的气氛；该真空泵109和该防爆容器100相连，用于抽取防爆容器内100空气以形成低压或真空环境，如此，可以提供稳定的气压和温度环境，进行惰性气体气氛和低压非常规复杂环境条件下的锂离子电池热失控测试；该数据采集设备207用于采集锂离子电池样本热失控过程中温度、电压数据，记录防爆容器内的温度。
由此可见，与现有技术相比，本系统技术优势如下：
(1)本系统可以提供稳定的气压和温度环境，可以进行惰性气体气氛和低压非常规复杂环境条件下的锂电子热安全测试。
(2)本系统可以提供过热和过充环境，可以进行对锂离子电池失控产生气体状况的深入研究
具体地，该热失控触发装置包括过热式和过充式；所述过热式包括220V交流电源203、调压仪202、加热板201，所述加热板201通过导线与调压仪202相连，通过调压仪202调整输出电压从而改变加热板201的发热功率，以对锂离子电池样本进行加热，电池样本受热后达到一定温度后触发热失控并开始产气；该过充式包括充放电柜208，该充放电柜208通过导线与锂离子电池样本正负极相连，充放电柜208可对电池充电，并可通过充放电柜208调整充电电流倍率，在电池充满后持续充电导致电池过充并引发热失控。
具体地，该防爆容器100包括法兰盘上盖101和测试腔102，该法兰盘上盖101和测试腔102通过紧固螺栓103连接，法兰盘上盖101上焊接有三个气路接线柱104，分别连接一个气压计113、一条气体采集气路114及主气路105；该主气路的末端为排气口112并设置有排气阀111；在该主气路105中设置有主气路阀门106，并在主气路阀门106之后设置有两分支气路，分别用于连接高压气源107和真空泵109，在两分支气路中对应地设置有高压气源阀门108和真空泵阀门110；该高压气源107内气体为任何气体，替换防爆容器100内的气氛；该真空泵109可以将防爆容器100内气体抽出至真空状态。该气体采集气路114上依次连接气体收集阀门115、过滤器116和集气袋117。
具体地，该防爆容器100的测试腔102内部的顶端、侧壁中部及底端分别安装一根温控热电偶，热电偶延长线通过一个密封接线插头204与外部的数据采集设备207相连，该密封接线插头204通过镶嵌于该防爆容器100壳体的外壁上，在该测试腔102的中部偏下位置布置一个电池夹具209，通过一个夹具锁紧螺母固定用于测试实验的锂离子电池样本，在该锂离子电池样本的表面布置热电偶，其延长线也利用一密封接线插头204与外部数据采集设备207连接。
具体地，该贴片式热电偶206设置有四个。四个贴片式热电偶205布置于电池表面，分别在电池大的表面上下左右四个部分的中心位置，用于测量电池表面温度；该温控热电偶206设置有三个，三个温控热电偶206布置在测试腔102顶端、侧壁中部及底端，用于测量防爆容器100内的温度，热电偶通过延长导线连接至防爆容器100以外的数据采集设备207。
具体地，所述锂离子电池样本的正负极分别连接一根电池正极导线和一根电池负极导线，利用,一密封接线插头204与外部的充放电柜208相连接，充放电柜208可自动记录电压、电流、电量等信息。
优选地，所述防爆容器100设置有防爆玻璃观察窗119和LED灯118，LED灯118独立设置，采用纽扣电池供电。
优选地，上述的锂离子电池热失控气体收集系统还包括红外摄像仪300，该红外摄像仪30正对防爆玻璃观察窗119。
具体地，该密封接线插头204在安装时同样需要保证气密性，该密封接线插头204的底座需采用硬质绝缘材料，底座上嵌入数个金属柱作为导线的连接头，以此将导线引出至所述测试腔102的外部。
相应地，基于上述的锂离子电池热失控气体收集系统，本实施例还提供了一种电池热失控气体采集方法：
电池过热：
(1)打开防爆容器100的法兰盘顶盖103，将锂电池样本放置其中，并与加热板201通过夹具209固定在一起，布置好热电偶，打开防爆容器内的LED灯118；
(2)测试环境条件可以为空气，也可以为惰性气氛，可以为正常气压，也可以为低压环境，在惰性气氛下开展时将压缩气体通过气路缓慢输送至防爆容器内并逐渐排尽空气，在低压下开展时使用真空泵不断抽出防爆容器中的气体使容器内压力降低，为测试创造低压环境；
(3)通过温控热电偶206监测防爆容器内温度；
(4)通过调压仪202调节加热板201的发热功率，对电池进行加热，打开红外摄像仪300记录测试过程，同时开启数据采集设备207开始记录温度和电压数据；
(5)在电池热失控后，观察记录防爆容器100内部压力数据，待防爆容器100内部压力稳定后，温度降低至25℃后开启气体收集阀门115，电池热失控气体自然从高压防爆容器100内泄放并进入集气袋117中；
(6)气体收集结束后，将气体收集阀门115关闭；
电池过充：
(1)打开防爆容器的法兰盘顶盖101，将锂电池样本放置其中，通过导线与充放电柜208连接，布置好贴片式热电偶205，打开防爆容器100内的LED灯118，关闭法兰盘101，并用紧固螺栓103封闭好；
(2)测试环境条件可以为空气，也可以为惰性气氛，可以为正常气压，也可以为低压环境，在惰性气氛下开展时将高压气源107通过气路缓慢输送至防爆容器内并逐渐排尽空气，在低压下开展时使用真空泵109不断抽出防爆容器100中的气体使容器内压力降低，为测试创造低压环境；
(3)通过温控热电偶206监测防爆容器100内温度；
(4)通过充放电柜208调节电池充电倍率和截止条件，对电池或电池组进行过充，打开红外摄像仪300记录测试过程，同时开启数据采集设备207记录温度、压力数据；
(5)在电池热失控后，待防爆容器100内部压力稳定后开启气体收集阀门115，电池热失控气体自然从高压防爆容器100内泄放并进入集气袋117中；
(6)气体收集结束后，将气体收集阀门115关闭。
气体组分分析方法：
将集气袋收集的气体用于开展气体分析，针对锂电池热失控产生的混合气体，针对不同的气体组分使用不同的分析方法进行测试，使用气相色谱导热检测器法(GC-WLD)分析氮气N2，氢气H2,一氧化碳CO,和二氧化碳CO2。使用顶空气相色谱-火焰离子化检测器法(GC-CID)分析甲烷(CH4),乙烷(C2H6),丙烷(C3H8),乙烯(C2H4)和丙烯(C3H6)等有机物；
热失控产气体积和质量的计算方法：
计算热失控产气体积和质量时，需在密度小于空气的惰性气氛中进行，如氩气Ar。这样可以通过测量电池热失控后防爆腔内的压力即可计算出热失控产气的体积和质量(在标准状况下)。假设氩气不参与锂电池的热失控反应，则热失控所产生的气体的体积(标准工况下)可以基于理想气体状态方程用下式计算：
Figure BDA0003548255690000081
其中Vgas为热失控产生的气体的体积，Vvoid是防爆容器的容积，P1和P2分别为热失控反应发生前后容器内气体的压力，T为环境温度，R为理想气体常数。该方程需假设所有的气体具有相同的或者类似的压缩能力，因此管内压力的变化不会导致气体浓度的变化。同时热失控产生的气体的质量可以用下式计算：
Figure BDA0003548255690000082
其中，Mgas为具体某一种气体的分子质量，一般通过周期表计算得到，这里通过对热失控气体进行分析后对各个组分摩尔质量进行加权平均得到，Vm0为标准工况下理想气体的摩尔体积，22.4L/mol。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池热失控气体收集系统，其特征在于，包括：
防爆容器；
热失控触发装置，设置于所述防爆容器内，用于对防爆容器内的锂离子电池样本提供过热或过充电条件；
电池热失控气体采集装置，用于采集防爆容器内锂电池热失控后产生的气体；
气源，和所述防爆容器相连，以向防爆容器内输入气体；
真空泵，和所述防爆容器相连，用于抽取容器内空气；
数据采集设备，用于采集锂离子电池样本热失控过程中温度、电压数据，记录防爆容器内的温度。
2.如权利要求1所述的锂离子电池热失控气体收集系统，其特征在于，所述热失控触发装置包括过热式和过充式；
所述过热式包括220V交流电源、调压仪、加热板，所述加热板通过导线与调压仪相连，通过调压仪调整输出电压从而改变加热板的发热功率，以对锂离子电池样本进行加热，电池样本受热后达到温度后触发热失控并开始产气；
所述过充式包括充放电柜，所述充放电柜通过导线与锂离子电池样本正负极相连，充放电柜用于对电池充电，并通过充放电柜调整充电电流倍率，在电池充满后持续充电导致电池过充并引发热失控。
3.如权利要求2所述的锂离子电池热失控气体收集系统，特征在于，所述防爆容器包括法兰盘上盖和测试腔；所述法兰盘上盖和测试腔通过紧固螺栓连接，法兰盘上盖上焊接有气路连接柱。
4.如权利要求3所述的锂离子电池热失控气体收集系统，其特征在于，所述防爆容器设置有三个气路接线柱，分别连接一个气压计、一条气体采集气路及主气路；所述主气路设置有两分支气路，分别用于连接气源和真空泵；所述气体采集气路上依次连接气体收集阀门、过滤器和集气袋。
5.如权利要求4所述的锂离子电池热失控气体收集系统，其特征在于，所述气源的气体为任何气体，用于替换防爆容器内的气氛。
6.如权利要求5所述的锂离子电池热失控气体收集系统，其特征在于，所述防爆容器测试腔内部的顶端、侧壁中部及底端分别安装一根温控热电偶，温控热电偶延长线通过一个密封接线插头与外部的数据采集设备相连；在所述测试腔的中部偏下位置布置一个电池夹具，通过一个夹具锁紧螺母固定用于测试实验的锂离子电池样本，在该锂离子电池样本的表面布置贴片式热电偶，其延长线也利用一密封接线插头与外部的数据采集设备连接。
7.如权利要求6所述的锂离子电池热失控气体收集系统，其特征在于，所述贴片式热电偶设置有四个，四个贴片热电偶布置于电池表面，分别在电池的表面上下左右四个部分的中心位置，用于测量电池表面温度；所述温控热电偶设置有三个，三个温控热电偶布置在测试腔顶端、侧壁中部及底端，用于测量防爆容器内的温度。
8.如权利要求7所述的锂离子电池热失控气体收集系统，其特征在于，所述防爆容器设置有防爆玻璃观察窗和LED灯。
9.如权利要求8所述的锂离子电池热失控气体收集系统，其特征在于，还包括红外摄像仪，所述红外摄像仪正对防爆玻璃观察窗。
10.一种锂离子电池热失控气体计算方法，所述方法基于权利要求9所述的收集系统，其特征在于，包括：
电池过热：
(1)打开防爆容器的法兰盘顶盖，将锂电池样本放置其中，并与加热板通过夹具固定在一起，布置好贴片式热电偶，打开防爆容器内的LED灯；
(2)通过气源或真空泵来创造防爆容器的测试环境条件；
(3)通过温控热电偶监测防爆容器内温度；
(4)通过调压仪调节加热板的发热功率，对锂电池样本进行加热，打开红外摄像仪记录测试过程，同时开启数据采集设备开始记录温度和电压数据；
(5)在锂电池样本热失控后，观察记录防爆容器内部压力数据，待防爆容器内部压力稳定后，温度降低至设定温度后开启气体收集阀门，电池热失控气体从防爆容器内泄放并进入集气袋中；
(6)气体收集结束后，将气体收集阀门关闭；
电池过充：
(1)打开防爆容器的法兰盘顶盖，将锂电池样本放置其中，通过导线与充放电柜连接，布置好贴片式热电偶，打开防爆容器内的LED灯，关闭法兰盘，并用紧固螺栓封闭好；
(2)通过气源或真空泵来创造防爆容器的测试环境条件；
(3)通过温控热电偶监测防爆容器内温度；
(4)通过充放电柜调节电池充电倍率和截止条件，对锂电池样本进行过充，打开红外摄像仪记录测试过程，同时开启数据采集设备记录温度、压力数据；
(5)在锂电池样本热失控后，待防爆容器内部压力稳定后开启气体收集阀门，电池热失控气体防爆容器内泄放并进入集气袋中；
(6)气体收集结束后，将气体收集阀门关闭；
气体组分分析方法：
将集气袋收集的气体用于开展气体分析，针对锂电池热样本失控产生的混合气体的不同组分使用不同的分析方法进行测试，使用气相色谱导热检测器法分析氮气N2，氢气H2,一氧化碳CO,和二氧化碳CO2，使用顶空气相色谱-火焰离子化检测器法分析有机物；
热失控产气体积和质量的计算方法：
通过测量电池热失控后防爆腔内的压力计算出热失控产气的体积和质量，基于理想气体状态方程用下式计算：
Figure FDA0003548255680000031
其中Vgas为热失控产生的气体的体积，Vvoid是防爆容器的容积，P1和P2分别为热失控反应发生前后容器内气体的压力，T为环境温度，R为理想气体常数；
热失控产生的气体的质量用下式计算：
Figure FDA0003548255680000032
其中，Mgas为具体某一种气体的分子质量，Vm0为标准工况下理想气体的摩尔体积。
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