CN117577953A - 一种应用于固态锂电池的热等静压工艺方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用于固态锂电池的热等静压工艺方法及装置，属于锂电池制备技术领域，用于解决制备过程中压力容器既定高温高压条件自动实现的问题。该方法及装置根据用户输入的需求参数，控制子系统基于控制算法计算升压升温时间，并在每次工作之后，将终压终温及相应功率百分比下的实际升温时间数据加入测试数据库，并对升温计算时间进行重新修正和学习，以提高升压升温、保压保温、卸压降温的控制精度，确保热等静压工艺制品的质量，实现固态锂电池的性能提升。
Description
技术领域
本申请涉及锂电池制备技术领域，具体涉及一种应用于固态锂电池的热等静压工艺方法及装置。
背景技术
锂电池的规模应用彻底改变了电子行业的格局，为电动汽车和混合动力汽车的发展带来革命性的变化。与此同时，汽车和航空领域发起的电气化转型也加速了固态电池技术持续发展。固态电池采用以夹层形式嵌在阳极和阴极之间的固态电解质，拥有更加稳定的化学性质和储能能力，同时充电更快、寿命更长，避免了锂离子电池短路热失控造成人员和设备损失的风险。在锂电池的制备中，热等静压是一项久经验证的技术，用于进行粉末固结和固体材料的致密化，金属、陶瓷、复合材料和聚合物都是通过等静压技术来实现致密化。热等静压（Hot IsostaticPressing，简称HIP）工艺是将制品放置到密闭的容器中，向制品施 加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化。如何自动实现压力容器既定高温高压条件是亟需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种应用于固态锂电池的热等静压工艺方法及装置，能够实现压力容器的高压高温条件的热等静压工艺，同时精准调节压力与温度，从而实现固态锂电池的性能提升。本申请所采用的技术方案如下：
一种应用于固态锂电池的热等静压工艺方法，该方法包括：
步骤1、样件放置于压力处于初始常压常温的压力容器中，拧紧端盖；
步骤2、打开流体支路输入截止阀、输出截止阀和自动卸压阀，通入惰性气体，进行压力子系统和压力容器的吹扫置换，置换次数根据置换压力来确定；
步骤3、通过增压泵对工作介质进行增压后输入至压力容器，调节压力容器内的压力至设定压力值；
步骤4、压力容器内的工作介质加热；将加热器包覆在压力容器外壁，配合加热器温度传感器和压力容器温度传感器，将压力容器内工作介质加热到所需温度，自动关闭加热器；
步骤5、样件在密闭的压力容器的既定高压高温环境中进行加工；
在步骤3中，调节压力容器内的压力至设定压力值，包括：通入低压工作介质，打开增压泵，配合压力传感器检测监控增压后的介质压力，配合气控减压阀，将工作介质增压并调节到所需目标压力，并输入压力容器，达到既定压力后，增压泵自动停止增压，自动关闭输出阀；
所述压力容器的压力控制模型函数如下：
其中，W、R1、R2为压力控制近似参数，为当前测得压力值，为调整
后的压力值；
当负荷小于25%时，其压力的近似参数如下：W=-20，R1=120，R2=30；当负荷大于等于25%、小于50%时，其压力的近似参数如下：W=-16，R1=130，R2=40；当负荷大于等于50%、小于60%时，其压力的近似参数如下：W=-20，R1=140，R2=50；当负荷大于等于60%、小于100%时，其压力的近似参数如下：W=-20，R1=180，R2=70；通过压力控制模型函数与近似参数的调整，由控制子系统完成对压力容器内压力的控制。
进一步的，该方法还包括：步骤6、打开自动卸压阀，将容器压力卸至常压；打开冷却器及冷水机，对压力容器进行冷却，使其降到室温；打开压力容器端盖，取出样件并进行性能检测。
一种应用于固态锂电池的热等静压工艺装置，该装置用于实现上述方法，该热等静压工艺装置包括压力子系统、温度子系统、压力容器和控制子系统；
所述压力子系统为流体系统，用于将工作介质输入所述压力容器，使压力容器内的介质达到预设压力；通过所述压力子系统实现工作介质的增压、保压、卸压功能，并对增压的速率进行控制和大小调节；
所述温度子系统包括加热器、冷却器、冷水机以及加热器温度传感器、压力容器温度传感器；
所述控制子系统用于对工作介质的输入压力、压力容器内压力及温度、加热器温度进行数据采集和处理，并基于数据采集的结果进行工作介质的输入控制、保压控制、升压速率控制以及泄压控制。
进一步的，所述压力子系统包括增压泵、气动输入阀、气动输出阀、气控减压阀、安全阀、自动卸放阀、手动泄放阀、仪表及连接管路接头。
进一步的，所述增压泵分别与气动输入阀和气控减压阀相连接，用于将压力容器内的工作介质由输入压力增压至预设压力。
进一步的，在所述增压泵与所述气动输入阀之间设置入口压力表和入口压力传感器进行压力数据采集。
进一步的，所述气动输入阀，与所述增压泵连接，用于控制所述工作介质的输入通断；所述气动输出阀，分别与气控减压阀和自动卸放阀相连接，用于控制所述工作介质的输出通断；
所述气控减压阀，分别与所述增压泵和所述气动输出阀相连接，用于调节升压速率，以将所述工作介质的压力调节至预设压力；
所述安全阀，分别与所述增压泵和系统泄压口相连接，用于进行超压泄放，保护增压泵后的管阀件和压力容器不超压，处于安全工作状态；
所述自动卸放阀，分别与所述气动输出阀和系统泄压口相连接，用于实现压力容器中高压介质的自动卸放；
所述压力容器压力表和所述压力容器压力传感器设置在所述气动输出阀和所述自动卸放阀之间；
所述手动泄放阀，与所述压力容器连接，用于对压力容器中高压介质进行手动卸压。
进一步的，加热器温度传感器设置在加热器上；
加热器包覆在压力容器中部段，用于实现压力容器的升温，将压力容器内工作介质的温度升至预设温度；
冷却器缠绕在压力容器的两端段，并通过管道连接冷水机，控制冷水源不断输入冷却器，对压力容器进行降温。
进一步的，控制子系统通过对压力容器上包覆的加热器进行工作功率以实现对压力容器的温度控制。
通过本申请实施例，可以获得如下技术效果：本申请能自动且精准地实现压力容器既定高温高压条件、为压力容器内试件提供性能提高的热等静压工艺。通过控制子系统，能够记录每次的测试数据并和其内的仿真数据结合，进行一次次自学习和修正，使得下一次操作中，实际保温保压数值和修正后的计算值更加贴近，达到更精准的压力和温度的实际控制效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为热等静压工艺装置的组成结构图；
图2为热等静压工艺方法的流程示意图；
图3为热等静压工艺中温度控制曲线示意图；
图4为显示配置界面示意图；
图5为实时参数界面示意图。
附图标记：
1气动输入阀、2入口压力表、3入口压力传感器、4增压泵、5安全阀、6气控减压阀、7压力容器压力表、8气动输出阀、9手动泄放阀、10压力传感器、11自动卸放阀、12 加热器温度传感器、13 压力容器温度传感器、14加热器、15压力容器、16冷却器、17冷水机、18控制子系统。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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全部其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为热等静压工艺装置的组成结构图。该热等静压工艺装置包括压力子系统、温度子系统、压力容器和控制子系统；
所述压力子系统为流体系统，用于将工作介质输入所述压力容器，使压力容器内的介质达到预设压力；通过所述压力子系统实现工作介质的增压、保压、卸压功能，并对增压的速率进行控制和大小调节；在实际应用场景中，压力子系统中的工作介质通常为氮气。
所述压力子系统包括增压泵、气动输入阀、气动输出阀、气控减压阀、安全阀、自动卸放阀、手动泄放阀以及参数仪表；
所述参数仪表，用于进行压力及温度的数据采集和显示，包括包括入口压力表、入口压力传感器、压力容器压力表、压力容器压力传感器、压力容器温度传感器；
增压泵，分别与气动输入阀和气控减压阀相连接，用于将压力容器内的工作介质由输入压力增压至预设压力；在所述增压泵与所述气动输入阀之间设置入口压力表和入口压力传感器进行压力数据采集；
所述气动输入阀，与所述增压泵连接，用于控制所述工作介质的输入通断；
所述气动输出阀，分别与气控减压阀和自动卸放阀相连接，用于控制所述工作介质的输出通断；
所述气控减压阀，分别与所述增压泵和所述气动输出阀相连接，用于调节升压速率，以将所述工作介质的压力调节至预设压力；
所述安全阀，分别与所述增压泵和系统泄压口相连接，用于进行超压泄放，保护增压泵后的管阀件和压力容器不超压，处于安全工作状态；
所述自动卸放阀，分别与所述气动输出阀和系统泄压口相连接，用于实现压力容器中高压介质的自动卸放；所述压力容器压力表和所述压力容器压力传感器设置在所述气动输出阀和所述自动卸放阀之间；
所述手动泄放阀，与所述压力容器连接，用于对压力容器中的高压介质进行手动卸压；
所述温度子系统包括加热器、冷却器、冷水机以及加热器温度传感器；
加热器温度传感器设置在加热器上；
加热器包覆在压力容器中部段，用于实现压力容器的升温，将压力容器内工作介质的温度升至预设温度；
冷却器缠绕在压力容器的两端段，并通过管道连接冷水机，控制冷水源源不断输入冷却器，对压力容器进行降温；
压力容器为工件创造密闭的高压高温环境，使工件在这种环境下进行性能提升。压力容器有两个端口，分别为a口和b口（未示出）；a口为工作介质输入和输出端口，使压力容器与增压子系统的气动输出阀、手动卸放阀、自动卸放阀、压力表PG2、压力传感器PT2相连，b口为压力容器温度传感器TT1的接口。
所述控制子系统用于对工作介质的输入压力、压力容器内压力及温度、加热器温度进行数据采集和处理，并基于数据采集的结果进行工作介质的输入控制、保压控制、升压速率控制以及泄压控制；所述控制子系统数据进行采集、记录、自学习等处理，使得实际压力和温度控制更精准。所述压力容器的压力控制模型函数如下：
其中，W、R1、R2为压力控制近似参数，为当前测得压力值，为调整
后的压力值。
当负荷小于25%时，其压力的近似参数如下：W=-20，R1=120，R2=30；当负荷大于等于25%、小于50%时，其压力的近似参数如下：W=-16，R1=130，R2=40；当负荷大于等于50%、小于60%时，其压力的近似参数如下：W=-20，R1=140，R2=50；当负荷大于等于60%、小于100%时，其压力的近似参数如下：W=-20，R1=180，R2=70；通过压力控制模型函数与近似参数的调整，由所述控制子系统完成对压力容器内压力的控制。
在实际应用中，上述压力容器是一个较为复杂的控制对象，控制子系统需要根据加工材料的制备要求对压力容器的温度进行调节，通过对压力容器上包覆的加热器进行工作功率调节以实现对压力容器的温度控制。从压力容器的温度控制函数可以看出，温度控制具有滞后惯性，为了克服这种滞后带来的延迟，实现对压力容器温度的精确控制和快速调节，热等静压工艺中温度控制曲线如图3所示，其温度控制函数如下：
其中，、、通过如下公式计算：
其中，、为时间常数，为滞后时间，为放大倍数，为i时刻的功率输出量，为i时刻的温度偏移量。
根据采集的数据计算参数曲线，为用户掌握和控制系统工作时间、压力、温度参数提供条件；并通过显示终端与用户进行数据交互。
上述热等静压工艺装置的工作原理如下：工作介质通过气动输入阀输入增压泵，增压泵对工作介质进行增压，增压后的工作介质经过气控减压阀和气动输出阀后输入压力容器；当压力容器的压力达到增压阶段的预设压力值时，停止增压，并启动压力子系统的保压功能，进入升温阶段；在升温阶段，加热器先迅速升温至升温阶段的预设温度值，然后进行保温和调温，使压力容器内温度最终稳定在需求终温，压力容器的压力由增压阶段的预设压力值升至升温阶段的需求终压；然后进行压力容器的保压和保温，使其保持终压和终温一定时间，使压力容器内放置的工件完成性能提升，然后再进行卸压和冷却降温。
图2为热等静压工艺方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：
步骤1、样件放置于压力处于初始常压的压力容器中，拧紧端盖；
步骤2、打开压力子系统的输入截止阀、输出截止阀和自动卸压阀，通入惰性气体，进行压力子系统和压力容器的吹扫置换，置换次数根据置换压力来确定；
步骤3、通过增压泵对工作介质进行增压后输入至压力容器，调节压力容器内的压力至设定压力值；
在步骤3中，调节压力容器内的压力至设定压力值，包括：通入低压工作介质，打开增压泵，配合压力传感器PT2检测监控增压后的介质压力，配合气控减压阀将工作介质增压并调节到所需目标压力，并输入压力容器，达到既定压力后，增压泵自动停止增压，自动关闭输出阀；
步骤4、压力容器内的工作介质加热；将加热器包覆在压力容器外壁，配合加热器温度传感器TT1、压力容器温度传感器TT2，将压力容器内工作介质加热到所需温度，自动关闭加热器；
步骤5、样件在密闭的压力容器的既定高压高温环境中进行加工；
步骤6、打开自动卸压阀，将容器压力卸至常压；打开冷却器及冷水机，对压力容器进行冷却，使其降到室温；打开压力容器端盖，取出样件。
图4为显示配置界面示意图，在控制子系统可触摸显示及控制终端屏幕上，包括以下参数：固有参数、已知参数、需输入参数，以及计算输出参数。
（1）固有参数为系统固定参数，数值为固定值不变，只能显示，不能进行修改。所显示的固有参数包括设备承受最高温度T设max（单位：℃）和加热功率最大百分比A%（单位：%）。固有参数提示用户设备所能承受的最高温度T设max，该最高温度，在设计之初就已经决定。当加热器温度或压力容器内温度超过此温度时，控制子系统就会停止工作并报警，以保护设备。固有参数用于提示用户，加热器工作的最大功率百分比值A%。由于加热器功率和加热最高温成正比，当加热器最高温度，也即T设max已定，也意味着A%已定。在整个工作过程中，用户不能将加热器功率调节超过A%，否则会报警并停止工作。
（2）已知参数包括压力容器内初始压力P0（MPa）和压力容器内初始温度T内0（℃），这两个参数均为设备初始参数，由传感器测得并显示在屏幕上。
（3）需输入参数为用户为实现功能手动输入的参数，包括压力容器内最终压力P2（MPa）、压力容器内最终温度T内2（℃）、升压速率△Pt（MPa/s）、加热功率百分比a%。
（4）计算输出参数为系统的控制子系统根据仿真、测试和计算公式等得到的结果数据，可供用户参考，计算输出参数包括计算升压时间tP1（s）、计算升温时间tT2（s）、计算总时间t（=tP1+tT2）（s）、计算压力容器内第一阶段终压P1（MPa）。
其中，计算升压时间通过理论公式来计算获得；计算升温时间，它取决于加热器温度、压力容器的截面几何形状、压力容器本身热传导系数、压力容器内工作介质的热力学参数。
为了获得更准确的计算升温时间，有两种数据需要输入控制子系统，一种是通过热力学有限元仿真得到的终压终温、功率百分比下的仿真升温时间；另一种是通过设备在最初实际工作时，获得的终压终温、功率百分比下的测试升温时间。用测试数据对仿真数据进行修正，获得一组初始修正计算数据。当用户输入自己所需的终压终温参数，控制子系统会通过这组初始修正计算数据的差值，得到用户输入条件下的计算升温时间和计算总时间。基于此，用户在操作时，首先根据工件需求，输入各“需输入参数”；控制子系统基于内部数据、公式和算法，得到各“计算输出数据”。计算输出数据为用户在操作之前预知操作时间，以及第一阶段升压结束时的压力应设定的参考压力。在得到各计算输出数据以后，用户就可开启工作，即按照预设的升压速率进行升压，升压至升压阶段结束压力此压力不用输入和预设，而是由控制子系统自动算出并自动升压至此值后停止。然后再开始升温阶段的升温工作，使压力容器达到预设的终压和终温。之后，进入保压保温阶段，将终压和终温保持所需要的时间，然后进行卸压和降温冷却，将压力容器压力降至常压，温度降至室温，再取出工件，完成整个操作。
在开始升压升温之前，用户通过输入各“需输入参数”，获得预估操作时间。如果对该时间不满意，可以通过调节升压速率和加热功率百分比，来计算得到新的预估操作时间。为了保证系统安全，各输入参数，都必须落在安全范围之内，如果超出范围，系统会出现警告，使此输入值无效，并提示用户重新输入。
在整个操作结束后，控制子系统会记录和储存该操作的各实际输出参数，并给出实际输入参数和计算输入参数的比较和差值，便于操作者进行分析比较，图5为实时参数界面示意图。控制子系统还会在每次工作之后，将某终压终温及某功率百分比下的实际升温时间这套数据添加到其测试数据库中，对计算升温时间进行重新修正和学习，这样就会得到更准确的计算升温时间和总时间。
综上所述，本申请技术方案的目的是为了实现压力容器中的指定高温高压环境，以便于放置到里面的固态锂电池样件能够在此环境中实现性能提升。本申请提供了一套可以实现升压升温、保压保温、卸压降温的热等静压系统。为了实现上述目的，首先有一套高压流体子系统可以为压力容器进行增压、保压和泄压功能。该子系统是由增压泵和管路阀门仪表等构成。工作介质通过打开后的输入阀，进入增压泵增压后，经过减压阀和输出阀，进入压力容器，使得压力容器的压力逐渐增大；在增压过程中，气控减压阀不断对升压速率进行调控，保证升压过程可控，直至指定压力。升压结束后，开启加热器对压力容器进行升温；升温过程提前由调节好的升温功率决定。在升温过程结束后，压力容器就得到希望的温度和压力，并在此时进行一段时间的保压和保温，使其内的样件性能得到提升。在结束后，进行压力释放和降温，将压力容器恢复至室压室温后，取出样件，完成一个工作流程。本申请的静压系统所采用的控制方法可以在控制子系统中输入有限元仿真数据、设备测试数据，将两者通过一定算法获得初始计算数据。用户可输入各需求参数，控制子系统将基于数据、公式和算法，得到计算升压时间、计算升温时间、计算总时间和计算升压阶段终压，为操作者提供参考；控制子系统还可通过记录使用每次操作数据，对计算数据进行反复修正和学习，获得更精准的计算数据。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。
Claims (9)
1.一种应用于固态锂电池的热等静压工艺方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1、样件放置于压力处于初始常压常温的压力容器中，拧紧端盖；
步骤2、打开流体支路输入截止阀、输出截止阀和自动卸压阀，通入惰性气体，进行压力子系统和压力容器的吹扫置换，置换次数根据置换压力来确定；
步骤3、通过增压泵对工作介质进行增压后输入至压力容器，调节压力容器内的压力至设定压力值；
步骤4、压力容器内的工作介质加热；将加热器包覆在压力容器外壁，配合加热器温度传感器和压力容器温度传感器，将压力容器内工作介质加热到所需温度，自动关闭加热器；
步骤5、样件在密闭的压力容器的既定高压高温环境中进行加工；
在步骤3中，调节压力容器内的压力至设定压力值，包括：通入低压工作介质，打开增压泵，配合压力传感器检测监控增压后的介质压力，配合气控减压阀，将工作介质增压并调节到所需目标压力，并输入压力容器，达到既定压力后，增压泵自动停止增压，自动关闭输出阀；
所述压力容器的压力控制模型函数如下：
，
其中，W、R1、R2为压力控制近似参数，为当前测得压力值，/>为调整后的压力值；
当负荷小于25%时，其压力的近似参数如下：W=-20，R1=120，R2=30；当负荷大于等于25%、小于50%时，其压力的近似参数如下：W=-16，R1=130，R2=40；当负荷大于等于50%、小于60%时，其压力的近似参数如下：W=-20，R1=140，R2=50；当负荷大于等于60%、小于100%时，其压力的近似参数如下：W=-20，R1=180，R2=70；通过压力控制模型函数与近似参数的调整，由控制子系统完成对压力容器内压力的控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
步骤6、打开自动卸压阀，将容器压力卸至常压；打开冷却器及冷水机，对压力容器进行冷却，使其降到室温；打开压力容器端盖，取出样件并进行性能检测。
3.一种应用于固态锂电池的热等静压工艺装置，该装置用于实现如权利要求1至2之一所述的方法，其特征在于，该热等静压工艺装置包括压力子系统、温度子系统、压力容器和控制子系统；
所述压力子系统为流体系统，用于将工作介质输入所述压力容器，使压力容器内的介质达到预设压力；通过所述压力子系统实现工作介质的增压、保压、卸压功能，并对增压的速率进行控制和大小调节；
所述温度子系统包括加热器、冷却器、冷水机以及加热器温度传感器、压力容器温度传感器；
所述控制子系统用于对工作介质的输入压力、压力容器内压力及温度、加热器温度进行数据采集和处理，并基于数据采集的结果进行工作介质的输入控制、保压控制、升压速率控制以及泄压控制。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述压力子系统包括增压泵、气动输入阀、气动输出阀、气控减压阀、安全阀、自动卸放阀、手动泄放阀、仪表及连接管路接头。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述增压泵分别与气动输入阀和气控减压阀相连接，用于将压力容器内的工作介质由输入压力增压至预设压力。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述增压泵与所述气动输入阀之间设置入口压力表和入口压力传感器进行压力数据采集。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述气动输入阀，与所述增压泵连接，用于控制所述工作介质的输入通断；所述气动输出阀，分别与气控减压阀和自动卸放阀相连接，用于控制所述工作介质的输出通断；
所述气控减压阀，分别与所述增压泵和所述气动输出阀相连接，用于调节升压速率，以将所述工作介质的压力调节至预设压力；
所述安全阀，分别与所述增压泵和系统泄压口相连接，用于进行超压泄放，保护增压泵后的管阀件和压力容器不超压，处于安全工作状态；
所述自动卸放阀，分别与所述气动输出阀和系统泄压口相连接，用于实现压力容器中高压介质的自动卸放；
所述压力容器压力表和所述压力容器压力传感器设置在所述气动输出阀和所述自动卸放阀之间；
所述手动泄放阀，与所述压力容器连接，用于对压力容器中高压介质进行手动卸压。
8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，加热器温度传感器设置在加热器上；
加热器包覆在压力容器中部段，用于实现压力容器的升温，将压力容器内工作介质的温度升至预设温度；
冷却器缠绕在压力容器的两端段，并通过管道连接冷水机，控制冷水源不断输入冷却器，对压力容器进行降温。
9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，控制子系统通过对压力容器上包覆的加热器进行工作功率以实现对压力容器的温度控制。
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