CN115598206A - 一种锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于动力电池技术领域，提供了一种锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置，本发明对锂离子电池喷发气体的从产生到分析，设计了一套完整的循环测试系统，全面涵盖了电池喷发前、中及后的各个阶段气体的实时检测和分析，进一步补充和完善了对锂离子电池喷发气体的全面认识，且可以为研究锂离子电池释放气体的机理奠定基础。本发明还设计了一套锂离子电池热失控触发装置，可以模拟锂离子电池滥用引发的热失控过程，也可以为锂离子热失控机理研究提供参考。同时，本发明设计的喷发气体分析系统，可以进一步厘清锂离子电池热失控喷发气体的组成、压力和温度变化，也可为寻找更科学的热失控预警方案提供参考。
Description
技术领域
本发明属于动力电池技术领域，尤其涉及一种锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置。
背景技术
锂离子电池由于能实现化学能与电能的相互转换，具有能量密度高、循环稳定性好、无记忆效应等优点，被广泛应用于便携式电子产品、电动汽车、电网存储等领域。然而，由于操作不当和恶劣条件，如力滥用、电滥用和热滥用等，导致锂离子动力电池发生热失控，进而引发锂离子动力电池起火、爆炸等事故的发生。
为了揭示锂离子动力电池热失控行为的机理和特征，对动力电池及其相关材料进行了大量的试验。研究发现，锂离子动力电池热失控行为主要是由电池内部的一系列放热反应引起的，随着电池温度的升高，固体电解质间相（SEI）层击毁，阳极与电解质发生反应，隔膜坍塌引起内部短路（ISC），阴极分解与电解质发生反应，电解质分解等过程。当电池内部气体足够多、内部压力足够大的时候，硬壳电池安全阀开启或软包电池铝塑膜破裂，电池内部的气体以动态喷发的方式释放至外界。
喷发气体中包含的氢气、烷烃、烯烃和炔烃等可燃气体，以及高温有机电解液是引起电池起火的主要可燃物。此外，还包含氟化氢、氯化氢和一氧化碳等有毒气体。其中，喷射流的喷发温度、喷发压力等与电池系统设计密切相关。研究动力电池热失控产气动力学过程可以深入理解电池热失控过程，并为建立有效的电池系统设计、火灾防控、防毒方案提供指导。
然而，现有的研究方案多以静态分析和开放测试分析为主，均存在较大误差。其中，静态分析主要是指在密闭容器内部惰性氛围开展热失控实验，并在热失控结束后静态收集气体。无法实时体现热失控气体的动态释放过程，与实际相差较大，危险性评估误差较大，难以有效指导电池热失控安全设计。开放测试分析是指在开放环境开展热失控实验，并实时采样和测试喷发气体。但是由于外界空气参与导致无法原位获得热失控气体的动态释放过程，与实际喷发过程不符合。因此，实时体现热失控气体的动态释放过程，原位分析喷发气体的组分、压力和温度才能对锂离子动力电池热失控过程具有更加深入地理解，并为建立有效的电池系统设计、火灾防控、防毒方案提供指导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置，旨在解决动力电池热失控过程中，喷发气体的原位采集，以及对热失控气体的组成、压力和温度的动态分析。同时，将原位采集的喷发气体利用质谱仪、傅里叶红外分析仪、同步热分析仪和色谱仪等进行分析测试，从而研究锂离子动力电池放电过程中的气体释放反应。
本发明是这样实现的，一种锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置，包括质谱仪和傅里叶红外分析仪，所述锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置还包括：
循环系统，用于通过流动的Ar对整个系统进行气氛保护，并对电池失控喷发的气体进行运输，所述循环系统内部设置有气体过滤网，所述气体过滤网用于在运输电池喷发气体过程中拦截气体中较大尺寸的粉尘颗粒；
滥用系统，用于模拟电池在电滥用下发生热失控；
数据采集系统，用于收集气体在电池发生热失控前后温度和压力的变化，同时检测热失控前后特殊气体的存在及变化；
气体采集系统，利用循环系统中的惰性气流将热失控喷发气体运输到采样管中进行采集，并按需分别对采集的气体样品使用测试仪器进行检测；
固定系统，用于稳定管状产气动力学设备。
优选地，所述循环系统包括：
导管，所述导管内部设置有内室，所述内室一端连接有进气管，所述内室与导管之间设置有密封层；
出气管，安装在所述内室一侧，所述出气管一端连接有多个气体采样管，同时气体采样管管口设置过滤网，用于过滤固体颗粒；
不同所述气体采样管分别连接不同的分析仪器，用于对喷发出的气体进行原位实时分析。
优选地，所述进气管为前窄后宽的结构，出气管为前宽后窄的结构，且二者与内室连接处均设置有密封圈。
优选地，所述进气管上设置有气体流量控制器。
优选地，所述滥用系统包括：
绝热密封腔，安装在所述导管一侧，并在靠近导管一侧开设有单扇门，用于通过固定夹具将导管固定；
安全阀，安装在绝热密封腔下侧，用于防止腔内气压过高；
出气口，安装在绝热密封腔一侧，用于导出电池热失控喷发的气体；
加热板，置于绝热密封腔底端，所述加热板上放置有动力电池，并通过固定螺母进行固定，同时左右两端通过设置固定板进行夹持固定。
优选地，所述数据采集系统包括：
多组温度传感器和多组压力传感器，均设置于所述导管上，用于检测电池发生热失控前后温度和压力的变化，所述导管一端设置有多组气体传感器，用于检测喷发气体中各种元素气体含量的变化。
本发明实施例提供的一种锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置，具有以下有益效果：
本发明对锂离子电池喷发气体的从产生到分析，设计了一套完整的循环测试系统，全面涵盖了电池喷发前、中及后的各个阶段气体的实时检测和分析，进一步补充和完善了对锂离子电池喷发气体的全面认识，且可以为研究锂离子电池释放气体的机理奠定基础。本发明还设计了一套锂离子电池热失控触发装置，可以模拟锂离子电池滥用引发的热失控过程，也可以为锂离子热失控机理研究提供参考。同时，本发明设计的喷发气体分析系统，可以为进一步厘清锂离子电池热失控喷发气体的组成成分，也可为寻找更科学的热失控预警方案提供参考。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置针对软包类电池的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置中滥用系统与软包类电池组合的结构图；
图3为本发明实施例提供的一种锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置针对圆柱形电池的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置中滥用系统系统与圆柱形电池组合的结构图；
图5为本发明实施例提供的一种锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置中固定板的结构图。
附图中：1-进气管；2-内室；3-密封层；4-密封圈；5-固定系统；6-电池热失控触发系统；61-绝热密封腔；62-加热板；63-固定板；64-动力电池；65-电源连接柱；66-出气口；67-固定螺母；68-安全阀；7-过滤网；8-温度传感器；9-压力传感器；10-气体流量控制器；11-气体采样管；12-气体传感器；13-出气管；14-导管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1所示，在本发明实施例中，所述锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置包括：
循环系统，用于通过流动的Ar对整个系统进行气氛保护，并对电池失控喷发的气体进行运输，所述循环系统内部设置有气体过滤网，所述气体过滤网用于在运输电池喷发气体过程中拦截气体中较大尺寸的粉尘颗粒；
所述循环系统包括：
导管14，所述导管14内部设置有内室2，所述内室2一端连接有进气管1，所述内室2与导管14之间设置有密封层3；
出气管13，安装在所述内室2一侧，所述出气管13一端连接有多个气体采样管11，同时气体采样管11管口设置过滤网7，用于过滤固体颗粒；
不同所述气体采样管11分别连接不同的分析仪器，用于对喷发出的气体进行原位实时分析。
优选地，所述进气管1为前窄后宽的结构，出气管13为前宽后窄的结构，且二者与内室2连接处均设置有密封圈4。
在本实施例中，所述进气管1上设置有气体流量控制器10。
滥用系统6，用于模拟电池在电滥用下发生热失控；
所述滥用系统6包括：绝热密封腔61，安装在所述导管14一侧，并在靠近导管14一侧开设有单扇门，用于通过固定夹具将导管14固定；
安全阀68，安装在绝热密封腔61下侧，用于防止腔内气压过高；
出气口66，安装在绝热密封腔61一侧，用于导出电池热失控喷发的气体；
加热板62，置于绝热密封腔61底端，所述加热板62上放置有动力电池64，并通过固定螺母67进行固定，同时左右两端通过设置固定板63进行夹持固定。
数据采集系统，用于收集气体在电池发生热失控前后温度和压力的变化，同时检测热失控前后特殊气体的存在及变化；
所述数据采集系统包括：多组温度传感器8和多组压力传感器9，均设置于所述导管14上，用于检测电池发生热失控前后温度和压力的变化，所述导管14一端设置有多组气体传感器12，用于检测喷发气体中各种元素气体含量的变化。
气体采集系统，利用循环系统中的惰性气流将热失控喷发气体运输到采样管中进行采集，并按需分别对采集的气体样品使用测试仪器进行检测；
固定系统5，用于稳定管状产气动力学设备。
如图1所示，通过导管14所形成的密封循环系统来研究LIBs的热失控喷发气体分析。
使用该装置，记录了一个软包类锂离子电池在特制的板型夹具上，通过四个螺丝旋钮拧紧，并利用夹具上的加热板对锂离子电池加热触发热失控（类似夹具也可以设计力触发和电触发热失控），在氮气、二氧化碳和氩气等气体的气流下将电池失控喷发的气体经过过滤器带入到温度压力监测系统中，对待喷发气体进行温度和压力的检测，随后再将气体分流收集导入质谱仪（MS）和傅里叶红外分析仪中，利用这两种分析仪器对导入的气体进行实时分析和检测，实现对大容量软包类锂离子电池喷发气体的观察和监测，并对释放的气体种类和数量进行精准分析。
该测试装置主要由以下四部分组成：循环系统、电池热失控触发系统6、温度压力监测系统和气体采集分析系统。
循环系统主要通过流动的Ar（氩气），实现对整个系统的进行气氛保护，并对电池失控喷发的气体进行运输；
该装置还由惰性气体供给系统、导流系统、滥用系统、数据采集系统、颗粒物收集系统、气体采集系统和固定系统组成。
惰性气体供给系统是由氩气瓶通过减压阀给系统提供惰性气体-氩气；
导流系统是利用气体流量控制器控制惰性气流大小从最左端进气口进入系统中，最后从最右端出气口区域出来，构成一个气体流动循环；
滥用系统分别设计软包电池滥用腔和圆柱电池滥用腔，其主要由绝热密封腔，安全阀、出气口、固定板、加热板、固定螺母和导电线路六部分组成，用于模拟软包/圆柱电池在电滥用下发生热失控；
数据采集系统利用多组温度传感器8、压力传感器9收集气体在电池发生热失控前后温度和压力的变化，另外利用各种特殊气体传感器12检测热失控前后特殊气体的存在及变化；
颗粒物收集系统利用气体采样管11管口过滤网7过滤残余颗粒进行收集检测；
气体收集系统是利用循环系统中的惰性气流将热失控喷发气体运输到采样管中进行采集，并按需分别对采集的气体样品联用质谱仪、傅里叶红外分析仪、同步热分析仪和色谱仪等进行分析测试；
固定系统5组成采用平面凹槽结构，在固定板平面前中后处装着三个以上弧形凹槽，用于稳定管状产气动力学设备。
滥用系统6主要是触发锂离子动力电池发生热失控，从而喷发出待测气体；
温度压力监测系统主要是用于对电池喷发前后系统不同部位中压力和温度的变化进行检测；
气体分析系统主要是借助质谱仪（MS）和傅里叶红外分析仪（FTIR）实现对电池喷发气体的分析检测。
该装置全程通Ar（氩气）进行气氛保护，以及随时将电池喷发的气体利用循环系统进行收集。另外，电池夹具板设计了热失控热触发装置，可以按照需求模拟一种或多种滥用触发条件，从而引发锂离子电池热失控的发生。最后，系统尾端链接的质谱仪（MS）和傅里叶红外分析仪（FTIR）实时分析锂离子电池喷发过程中的气体组成，全面实现电池喷发前、中及后的各个阶段气体组成含量，补充和完善了对锂离子电池喷发气体的全面认识。可以为研究锂离子电池安全性能评价和释放气体的机理奠定基础，也为寻找更科学的热失控预警方案和灭火策略提供参考。
该装置所有的导气管均可采用金属管或橡胶导管，其中循环系统分为前后两个部分，前端的进气部分采用双壁中空结构，管材均采用耐高温金属材料（如钢管），并且内室2前段链接一直径较小的钢管，用密封圈4密封该钢管与内室2钢管的之间的间隙，同时内室2主要用来运输气体，外层选择密封性较好的钢管作为外壁。在内室钢管前段设置了一层气体过滤网7，在运输电池喷发气体过程中可以提前拦截气体中较大尺寸的粉尘颗粒。外层选择密封性较好的金属材料作为外壁。
另外，在导管14上和隔热层5设置有若干温度传感器8和压力传感器9，用于对电池喷发前后系统不同部位中压力和温度的变化进行检测，待气体检测完成后从尾端出气管13导出，出气管13处同样采用密封圈4密封，出气管13导出气体后进入T型通道11，当触发电池发生热失控之后，T型通道11可将电池喷发气体收集，依次导入傅里叶红外分析仪（FTIR）和谱仪（MS）中进行气体成分与含量分析。
另外，如图2所示，电池热失控触发系统6是由一个绝热密封室和电池热滥用触发夹具组成。其中绝热密封室是由一个开口金属立方体组成，立方体其中五面都是由耐高温钢材制作，并且内层均涂覆一层隔热层材质，立方体上面与循环系统管道无缝链接，当电池发生热失控喷发的气体可由此进入到循环系统中，并被循环系统中通入的保护Ar（氩气）被源源不断地带入到后续的结构中。
同时，本发明实施例中针对软包和圆柱形动力电池的产气动力学测试进行了说明，但本装置的功能并不局限于此，对于目前所使用的全部种类的锂离子电池均可采用本装置进行测试，且测试效果不会发生任何偏差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置，其特征在于，所述锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置包括：
循环系统，用于通过流动的Ar对整个系统进行气氛保护，并对电池失控喷发的气体进行运输，所述循环系统内部设置有气体过滤网，所述气体过滤网用于在运输电池喷发气体过程中拦截气体中较大尺寸的粉尘颗粒；
滥用系统，用于模拟电池在电滥用下发生热失控；
数据采集系统，用于收集气体在电池发生热失控前后温度和压力的变化，同时检测热失控前后特殊气体的存在及变化；
气体采集系统，利用循环系统中的惰性气流将热失控喷发气体运输到采样管中进行采集，并按需分别对采集的气体样品使用测试仪器进行检测；
固定系统，用于稳定管状产气动力学设备。
2.根据权利要求1所述的锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置，其特征在于，所述循环系统包括：
导管，所述导管内部设置有内室，所述内室一端连接有进气管，所述内室与导管之间设置有密封层；
出气管，安装在所述内室一侧，所述出气管一端连接有多个气体采样管，同时气体采样管管口设置过滤网，用于过滤固体颗粒；
不同所述气体采样管分别连接不同的分析仪器，用于对喷发出的气体进行原位实时分析。
3.根据权利要求2所述的锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置，其特征在于，所述进气管为前窄后宽的结构，出气管为前宽后窄的结构，且二者与内室连接处均设置有密封圈。
4.根据权利要求2所述的锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置，其特征在于，所述进气管上设置有气体流量控制器。
5.根据权利要求2所述的锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置，其特征在于，所述滥用系统包括：
绝热密封腔，安装在所述导管一侧，并在靠近导管一侧开设有单扇门，用于通过固定夹具将导管固定；
安全阀，安装在绝热密封腔下侧，用于防止腔内气压过高；
出气口，安装在绝热密封腔一侧，用于导出电池热失控喷发的气体；
加热板，置于绝热密封腔底端，所述加热板上放置有动力电池，并通过固定螺母进行固定，同时左右两端通过设置固定板进行夹持固定。
6.根据权利要求2所述的锂离子动力电池热失控产气动力学测试装置，其特征在于，所述数据采集系统包括：
多组温度传感器和多组压力传感器，均设置于所述导管上，用于检测电池发生热失控前后温度和压力的变化，所述导管一端设置有多组气体传感器，用于检测喷发气体中各种元素气体含量的变化。
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