CN115155438A - 一种锂离子电池热失控气体处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种锂离子电池热失控气体处理装置，包括集气模块、气体预处理模块、气体处理模块；气体预处理模块包括预处理罐和稀释气体罐；集气模块、稀释气体罐均与预处理罐连通；预处理罐与气体处理模块连通；预处理罐初始状态为负压状态；预处理罐与稀释气体罐、气体处理模块之间的连通管路串接有阀门、流量计；预处理罐上还设置有压力计；热失控气体通过集气模块收集进入预处理罐，预处理罐内还设置有冷却单元。本发明可以将预制舱里的热失控气体进行有序收集，并传输至预制舱外的安全位置进行稀释、惰化、冷却、分解、转化等安全处理，最后排出预制舱。整个处理过程安全、稳定、高效，可以避免热失控气体在预制舱内聚集，降低气体燃爆风险。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池安全技术领域，具体来说是一种锂离子电池热失控气体处理装置。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、体积小质量轻、绿色环保等特点，成为目前应用最为广泛的电化学储能技术。但是，锂离子电池仍未达到本质安全，一旦电池处于短路、过热、挤压等滥用条件下，电池可能产生大量热量，引发内部电解液和电极材料的链式反应，进而发生热失控。并且，锂离子电池在储能预制舱里的工作环境相对密闭，数量巨大。当锂离子电池发生热失控时，会产生大量气体，具有可燃性。气体在密闭空间内积聚，与空气混合形成可燃性气体混合物，当其浓度达到爆炸极限时，极易发生可燃气体爆燃或爆炸。此外，热失控气体还具有危害很高的毒性。在储能预制舱中，可燃、有毒有害气体浓度急剧增加，大大增加了人员操作和救援的危险性。目前，锂离子电池发生火灾时，储能预制舱配备的消防灭火剂，只能扑灭明火，不具备快速、持续降温的功能，无法有效阻断电池热失控反应，易出现复燃现象，并且缺少针对热失控气体的缺乏有效防范措施和处理措施，当明火被扑灭后，仍然具有复燃和爆炸的风险，危及运维人员及救援人员的生命安全。
因此，需要开发锂离子电池热失控气体处理装置，将电池发生热失控时产生的可燃、有毒有害气体进行安全有效的处理，降低气体燃爆风险和毒性、污染，保障相关人员的安全。
如公布号为CN11285849A公开的一种检测锂离子电池热失控产气的装置和方法，包括：气体收集罐，用于收集锂离子电池热失控产生的气体；量热仪，所述量热仪与所述气体收集罐的第一入口连接；惰性气体罐，所述惰性气体罐与所述气体收集罐的第二入口连接；气相色谱仪，所述气体收集罐的第一出口与所述气相色谱仪连接；其中，在所述量热仪与所述气体收集罐之间设有第一密闭阀门；在所述惰性气体罐与所述气体收集罐之间设有第二密闭阀门；在所述气体收集罐与所述气相色谱仪之间设有第三密闭阀门。本发明通过将电池量热仪和气相色谱仪的联合使用，能够实时、快速、准确的测试出锂离子电池热失控后产生气体的成分以及比例。该装置不涉及到热失控气体爆炸的问题，只是检测气体。该方案中的惰性气体并不是为了稀释热失控气体，而是1)作为气相色谱仪的吹扫气，避免空气对热失控气体成分分析的影响；2)作为热失控气体的载气，在热失控气体很少的时候也能帮助热失控气体进入气相色谱仪。此外，可能因为考虑到气体成分分析的关系，惰性气体只能选择氩气这种稀有气体。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何够安全、稳定、高效地处理锂离子电池热失控气体，避免热失控气体在储能系统或预制舱内聚集，降低气体燃爆风险和毒性、污染。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一种锂离子电池热失控气体处理装置，包括集气模块、气体预处理模块、气体处理模块；所述气体预处理模块包括预处理罐和稀释气体罐；所述集气模块、稀释气体罐均与预处理罐连通；所述预处理罐与气体处理模块连通；所述预处理罐初始状态为负压状态；所述预处理罐与稀释气体罐、气体处理模块之间的连通管路上串接有阀门、流量计；所述预处理罐上还设置有压力计；
所述热失控气体通过集气模块收集进入预处理罐，稀释气体从稀释气体罐进入预处理罐与热失控气体混合使其惰化；所述预处理罐内的惰化的气体抽至所述气体模块后恢复初始负压状态；所述预处理罐内还设置有冷却单元。
本发明提供的锂离子电池热失控气体处理装置的有益效果在于：可以将预制舱里多个不同位置的锂离子储能电池产生的热失控气体进行有序收集，并传输至预制舱外的安全位置进行稀释、惰化、冷却、分解、转化等安全处理，最后排出预制舱。整个处理过程安全、稳定、高效，可以避免热失控气体在预制舱内聚集，降低气体燃爆风险，减少气体毒性和污染，保障运维及救援人员的人身安全。尤其是将预处理罐的初始状态设计为负压状态，可以保证热失控气体进入预处理罐的安全性。
进一步的，在所述集气模块与气体预处理模块之间串接有第一抽气风机，在预处理模块与气体处理模块之间串接有第二抽气风机。
进一步的，所述阀门为电磁阀。
进一步的，还包括控制模块，所述电磁阀、流量计、压力计、第一抽气风机、第二抽气风机均与控制模块通讯连接。
进一步的，所述的预处理罐的罐壁为波纹状。
进一步的，所述冷却单元为在预处理罐内设置有冷却层，所述冷却层内放置有冷却材料。
进一步的，所述冷却层为在预处理罐内设置有网状隔板，所述网状隔板与预处理罐罐壁之间形成容纳所述冷却材料，从而形成所述冷却层；热失控气体进入预处理罐后穿过冷却层进入隔板另一侧。
进一步的，所述气体处理模块包括气体处理罐，在所述气体处理罐内布设有过滤网架，在过滤网架内填充有吸附材料。
进一步的，所述集气模块包括集气罩、导气管、所述集气罩通过导气管与所述预处理模块连通；在所述导气管上串接有单向阀。
进一步的，所述集气罩有多个，分布在电池预制舱内的不同位置。
本发明的优点在于：
本发明提供的锂离子电池热失控气体处理装置的有益效果在于：可以将预制舱里多个不同位置的锂离子储能电池产生的热失控气体进行有序收集，并传输至预制舱外的安全位置进行稀释、惰化、冷却、分解、转化等安全处理，最后排出预制舱。整个处理过程安全、稳定、高效，可以避免热失控气体在预制舱内聚集，降低气体燃爆风险，减少气体毒性和污染，保障运维及救援人员的人身安全。尤其是将预处理罐的初始状态设计为负压状态，可以保证热失控气体进入预处理罐的安全性。
采用流量计、压力计等获取流量和压力，联合控制模块可实现自动控制进气量和进气压力，保证整个设备的安全性。
在预处理罐内设计冷却层，可降低热失控气体的温度，进一步保证惰化混合气体的安全性已经排放要求。
附图说明
图1为本发明的实施例提供的锂离子电池热失控气体处理装置的整体结构示意图；
图2为本发明的实施例提供的锂离子电池热失控气体处理装置的预处理罐的内部示意图；
图3为本发明的实施例提供的锂离子电池热失控气体处理装置的预处理罐的俯视图；
图4为本发明的实施例提供的锂离子电池热失控气体处理装置的气体处理模块的内部示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
如图1所示，本实施例提供了一种锂离子电池热失控气体处理装置，包括探测模块1、控制模块2、集气模块、第一抽气风机6、气体预处理模块、第二抽气风机10、气体处理模块11。
探测模块1为多个气体探测器，位于电池预制舱内锂离子储能电池附近，可以采集一氧化碳、氢气、烷烃类等热失控气体及其浓度变化信号，并反馈给控制模块2。
探测模块1也可以添加多个温度探测器、烟雾探测器、火焰探测器等，只要满足能探测到锂离子电池发生热失控即可。
集气模块包括集气罩3、导气管道4、导气管道上设置的单向阀5，用于收集热失控气体，并通过第一抽气风机6汇流至气体预处理模块。集气模块可以将多个不同位置的锂离子储能电池产生的热失控气体进行有序收集，传输至气体预处理模块进行稀释、冷却。
探测模块1、控制模块2、集气模块，均位于电池预制舱内。
气体预处理模块包括稀释气体罐7、预处理罐8，位于电池预制舱外部，稀释气体罐7通过管道及管道上的电磁阀91与预处理罐8相连。稀释气体罐7中填充性能稳定的稀释气体，如氮气、氩气、二氧化碳等，释放稀释气体后对预处理罐8内的热失控气体进行稀释、惰化。稀释、惰化可以降低热失控气体排放的浓度，进一步降低气体毒性和污染，提高热失控气体处理的安全性。
预处理罐8位于第一抽气风机6和第二抽气风机10之间。预处理罐8内部设置有冷却层，可以冷却热失控气体。如图2所示，具体结构为在预处理罐8内设置有隔网81，在隔网81与预处理罐8侧壁之间填充冷却材料，热失控气体经过冷却材料穿过隔网81 进入到另一边与惰性气体混合。冷却材料为碳酸盐化合物、碳酸氢盐化合物、结晶水化合物的一种或多种。参照图3，预处理罐8表面为凹凸交错的结构或翅片结构、蛇形结构，从而增大与空气、热失控气体的接触面积，有利于对热失控气体进行快速降温。预处理罐8作为气体预处理模块的重要部分，一方面可以用作热失控气体稀释、惰化的场所，另一方面可以冷却热失控气体。若未设置预处理罐，产生的大量热失控气体通过管道直接冲向气体处理模块或直接排出预制舱，热失控气体未经过稀释其浓度较大，未经过冷却其温度较高，危险程度高，且处理的不够充分，排出的混合气体可能具有燃爆风险。
预处理罐8配有压力计，用以监测预处理罐内的压力。预处理罐未处于工作状态时，应处于真空负压状态。
预处理罐8出气管道上设置有电磁阀。
稀释气体罐7和预处理罐8的容量、机械强度应根据锂离子电池的类型、数量、容量来选择。
第二抽气风机10将经稀释、惰化、冷却后的热失控气体传输至气体处理模块11进行处理并排出。
气体处理模块11和稀释气体罐7采用类似的腔体，并且在腔体内部有一层活性炭过滤网架111，参照图4，在活性炭过滤网架111里面填充有气体吸附材料，在活性炭过滤网架111外面包裹一层透气膜，用于将热失控气体进行吸收、吸附、分解、转化并排出。
气体吸附材料为活性炭、硅胶、沸石、分子筛、活性氧化铝、多孔氧化硅、多孔高分子等气体吸收剂一种或多种。
透气膜为PP膜、PVDF膜、陶瓷基碳纳米管膜的一种或多种，具有良好的空隙率，其厚度为1～10mm，应保证一定的机械强度和热失控气体能够穿过透气膜进入吸附材料。
气体处理模块11配有压力计，用以监测气体处理模块内的压力。
气体处理模块11的出气管道设置有电磁阀。
第一抽气风机6、气体预处理模块、第二抽气风机8、气体处理模块11，作为一个整体，位于电池预制舱外部。
本实施例中，为了保障热失控气体与稀释气体的混合比例，可在进气导管和稀释气体与预处理罐之间的连接管道上串接流量计，通过流量控制来保证混合比例，确保混合后气体的安全性。
本发明一种锂离子电池热失控气体处理装置的工作过程如下：
控制模块2接收探测模块1的信号，做出判断后反馈给第一抽气风机6、稀释气体罐7、各电磁阀91/92/93。当控制模块2接收到热失控气体信号或者气体浓度变化速率超过设置阈值，即判断出电池产生热失控气体。第一抽气风机6开始工作，将电池周围的热失控气体通过集气罩3、导气管道4、单向阀5汇流至气体预处理模块的预处理罐8，并且稀释气体罐管道7的电磁阀91打开，稀释气体进入预处理罐8。控制模块2根据两个流量计计算热失控气体与稀释气体的混合比例。在预处理罐8中，热失控气体经过稀释、冷却、惰化后，处于一种较为安全的状态。当预处理罐8的压力计示数达到设置阈值时，第一抽气风机6停止工作，稀释气体罐7管道的电磁阀关闭，预处理罐出气管道的电磁阀92打开，第二抽气风机10开始工作，将电池热失控气体传输至气体处理模块11进行处理，直至预处理罐的压力达到初始状态的负压值，即可控制第二抽气风机10 停止工作。整个过程中，热失控气体不会与空气接触，安全性高。
进一步地，热失控气体在气体处理模块11中进行处理时，预处理罐8的压力计示数不断降低，气体处理模块11的压力计示数不断升高。当预处理罐8的压力计示数降低到设置阈值或者，气体处理模块11的压力计示数升高到设置阈值时，预处理罐8出气管道的电磁阀关闭，第一抽气风机6继续工作，收集热失控气体；稀释气体罐7管道的电磁阀打开，稀释气体继续进入预处理罐8；第二抽气风机10停止工作。当热失控气体在气体处理模块11中处理一段时间后，出气管道的电磁阀93打开，热失控气体排出电池预制舱。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种锂离子电池热失控气体处理装置，其特征在于，包括集气模块、气体预处理模块、气体处理模块；所述气体预处理模块包括预处理罐和稀释气体罐；所述集气模块、稀释气体罐均与预处理罐连通；所述预处理罐与气体处理模块连通；所述预处理罐初始状态为负压状态；所述预处理罐与稀释气体罐、气体处理模块之间的连通管路上串接有阀门、流量计；所述预处理罐上还设置有压力计；
所述热失控气体通过集气模块收集进入预处理罐，稀释气体从稀释气体罐进入预处理罐与热失控气体混合使其惰化；所述预处理罐内的惰化的气体抽至所述气体模块后恢复初始负压状态；所述预处理罐内还设置有冷却单元。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池热失控气体处理装置，其特征在于，在所述集气模块与气体预处理模块之间串接有第一抽气风机，在预处理模块与气体处理模块之间串接有第二抽气风机。
3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池热失控气体处理装置，其特征在于，所述阀门为电磁阀。
4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池热失控气体处理装置，其特征在于，还包括控制模块，所述电磁阀、流量计、压力计、第一抽气风机、第二抽气风机均与控制模块通讯连接。
5.根据权利要求1至4任一所述的一种锂离子电池热失控气体处理装置，其特征在于，所述的预处理罐的罐壁为波纹状。
6.根据权利要求1至4任一所述的一种锂离子电池热失控气体处理装置，其特征在于，所述冷却单元为在预处理罐内设置有冷却层，所述冷却层内放置有冷却材料。
7.根据权利要求6所述的一种锂离子电池热失控气体处理装置，其特征在于，所述冷却层为在预处理罐内设置有网状隔板，所述网状隔板与预处理罐罐壁之间形成容纳所述冷却材料，从而形成所述冷却层；热失控气体进入预处理罐后穿过冷却层进入隔板另一侧。
8.根据权利要求1至4任一所述的一种锂离子电池热失控气体处理装置，其特征在于，所述气体处理模块包括气体处理罐，在所述气体处理罐内布设有过滤网架，在过滤网架内填充有吸附材料。
9.根据权利要求1至4任一所述的一种锂离子电池热失控气体处理装置，其特征在于，所述集气模块包括集气罩、导气管、所述集气罩通过导气管与所述预处理模块连通；在所述导气管上串接有单向阀。
10.根据权利要求9所述的一种锂离子电池热失控气体处理装置，其特征在于，所述集气罩有多个，分布在电池预制舱内的不同位置。
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