CN114895200A - 一种基于多参数的锂离子电池热失控过程分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多参数的锂离子电池热失控过程分析方法，涉及锂离子电池技术领域，该方法包括以下步骤：将50Ah商用棱柱形电池在50％的充电状态下使用Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2作为阴极置于在一个高压密封室内；在氮气氛的密封室中使用外部加热触发热失控喷发，对大容量高镍锂离子电池喷发过程的观察；将加热到锂离子电池的热失控喷发过程以时间间隔为特征划分为四个阶段；根据测试的结果，根据测试数据在不同阶段的变化情况定量分析。本发明针对锂离子电池喷发过程电池内部压力的建立过程，对锂离子电池喷发过程的各个不同阶段进行了划分，分析了锂离子电池喷发过程中的多个特征时刻及多个参数在这些特征时刻的显著特点。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体是一种基于多参数的锂离子电池热失控过程分析方法。
背景技术
近年来，随着国家出台的各种限制有害气体排放的法规，以及人们对环保意识的提高，这些都促进了电动汽车和插电式混合动力汽车的推广，导致传统内燃机汽车的使用量减少。经过近十年的快速增长，到2020年底，全球道路上共有1000万辆电动汽车。尽管与疫情相关的全球汽车销量下滑导致全球汽车销量下降16％，但2020年电动汽车注册量增加了41％。
另外，锂离子电池(LIB)因其更高的能量密度和更长的生命周期而越来越成为电动汽车的主要电源。然而，电动汽车的安全方面受到越来越多的关注，因为可能发生火灾的危险主要是由车载大容量动力电池的故障引起的。通常，在锂离子电池使用过程中，经常会发生各种力滥用、电滥用和热滥用。而当锂离子电池被滥用时，其内部会产生越来越多的气体。随后，当内部压力达到一定值时，电池的安全阀打开或铝塑膜中软包电池允许压力较低的区域出现裂缝。然后，电池会剧烈喷发出大量可燃气体和液体，最后，导致火灾或者***等危险事故的发生。
锂离子喷发意味着其产品在滥用后的释放，除了气体排放的喷射流，液体和固体也被排出，形成液体和固体排放。这些喷发的成分是导致火灾的主要燃烧物质之一。特别是，高温颗粒物的喷发作为点火源发挥了重要作用。另外，研究锂离子电池的喷发过程可以为热失控预警***和灭火策略提供重要发现，例如启动时间和释放持续时间。因此，一些专家学者对锂离子电池喷发过程的划分进行了研究。
目前，采用摄影是划分喷发过程常用的方法之一。然而，该方法较为复杂，且很难定量判断微弱的喷发过程。另外，采用喷射流温度是划分喷发过程的另外一种常用的方法。然而，由于气流流动、电池产热等因素导致复杂的传热过程，导致温度在喷发结束后依然波动很大，故很难通过电池温度准确判断喷发过程是否结束。电池包内压力在敞口环境下虽然敏感性降低，但依然是有可能在未来作为判断电池是否喷发的主要依据之一。然而，却少有研究通过电池周围的压力判断喷发过程。这是由于喷发过程会产生压力升高，进而对电池箱体造成危害，导致大部分研究人员主要关注是锂离子电池的热危害，少有人从压力的角度去评估锂离子电池喷射流对箱体的危害。因此，有必要发明一种新型的电池喷发过程定量分析方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多参数的锂离子电池热失控过程分析方法，以解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于多参数的锂离子电池热失控过程分析方法，包括以下步骤：步骤一：将50Ah商用棱柱形电池在50％的充电状态下使用Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2作为阴极置于在一个高压密封室内；步骤二：在氮气氛的密封室中使用外部加热触发锂离子电池的热失控喷发，对大容量高镍锂离子电池喷发过程的观察，并对释放的气体和颗粒进行识别；步骤三：将加热到锂离子电池的热失控喷发过程以时间间隔为特征划分为四个阶段，并在其中的四个阶段下分别测试电池内部压力、电池表面温度、电池喷射流温度和电池释放气体量；步骤四：根据测试的结果，根据测试数据在不同阶段的变化情况定量分析，并作出曲线图。
在上述技术方案的基础上，本发明还提供以下可选技术方案：
在一种可选方案中：四个阶段分别为电池内压力建立阶段、喷发阶段、压力升高阶段和压力下降阶段。
在一种可选方案中：所述电池内压力建立阶段为以滥用开始到电池安全阀打开的时间间隔，喷发阶段为从电池安全阀打开到温度增加速率由正变为负的时间间隔，压力升高阶段为从温度增加速率由正变负到停止电池滥用的时间间隔，所述压力下降阶段从停止滥用到测试结束的时间间隔。
在一种可选方案中：电池内压力建立阶段分为慢速阶段、快速阶段和超快阶段。
在一种可选方案中：根据物质量的变化，喷发阶段分为第一次喷发阶段和第二次喷发阶段。
在一种可选方案中：所述压力下降阶段分为气体量减少子阶段和气体量维持子阶段。
在一种可选方案中：所述高压密封室包括内室、隔热层和安全阀，所述隔热层包裹在内室的外侧；内室上具有两个分别用于通入氮气及采集气体的管体；所述内室内部具有隔热板且隔热板上具有棱柱形电池和热电偶；安全阀设在内室外侧。
相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明针对锂离子电池喷发过程电池内部压力的建立过程，对锂离子电池喷发过程的各个不同阶段进行了划分，分析了锂离子电池喷发过程中的多个特征时刻及多个参数在这些特征时刻的显著特点，给出了多个参数在不同阶段的变化情况，进一步厘清这些参数内在的关系，全面涵盖了电池喷发前、中及后的各个阶段，补充和完善了对锂离子电池喷发过程的全面认识。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。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中的密封室结构示意图。
图2为单元内压力及其增加率、气体量和单元表面温度增加率的变化。
图3为锂离子电池热失控过程的不同阶段。
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。本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更都不脱离本发明的精神与范围。
实施例
一种基于多参数的锂离子电池热失控过程分析方法，包括：
如图1所示，设计了一个高压密封室来研究锂离子电池的热失控喷发。使用该装置，记录了一个50Ah商用棱柱形电池在50％的充电状态下使用 Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2作为阴极，在氮气氛的密封室中使用外部加热触发热失控。实现对大容量高镍锂离子电池喷发过程的观察，并对释放的气体和颗粒进行了识别。
请参阅图1，其中，所述高压密封室包括内室、隔热层和安全阀，所述隔热层包裹在内室的外侧；内室上具有两个分别用于通入氮气及采集气体的管体；所述内室内部具有隔热板且隔热板上具有棱柱形电池和热电偶；安全阀设在内室外侧；
检测安全阀附近的电池内压力(P)、电池侧面中心温度(T1)以及安全阀附近(T2)和远离电池的喷射区温度(T3)。结果表明，电池喷发过程可分为内压建立阶段，包括慢、快、超快子阶段；喷发阶段，包括第一和第二子阶段；增压阶段和减压阶段。在从快到超快亚阶段的过渡过程中，P和T1有明显的变化。所有检测到的参数在第一次喷发开始时几乎呈线性下降，但在第二次喷发开始时呈线性增加。因此，该装置可为电池气体产生机理和研究、火灾预警设计、灭火策略制定、电池选择、存储设计和LIB气体识别提供更多指导。
一种基于多参数的锂离子电池喷发过程分析方法，其中，多参数指的是在密闭惰性氛围测试到的电池内部压力，电池表面温度、电池喷射流温度、电池释放气体量。基于上述4个参数曲线提取的8个特征时间，根据这8个特征时间划分的喷发过程的4个阶段。包括：内部压力建立阶段、喷发阶段、压力升高阶段、压力下降阶段。内部压力阶段包括：慢速阶段、快速阶段、超快阶段。喷发阶段包括第一次、第二次，甚至更多喷发阶段。压力下降阶段包括：气体减少-气体维持-气体下降-气体维持等多个循环阶段；
电池热失控过程分阶段分析：
根据特征时间，LIB喷发过程可分为以下四个阶段，以时间间隔为特征(如图2、图3、表1和表2)：
a)电池内压力建立阶段：从滥用开始的t0到电池安全阀打开的t3的时间间隔。根据dP/dt的变化，该阶段分为慢速阶段(从t0到t1)、快速阶段(从 t1到t2)和超快阶段(从t2到t3)。这个阶段的持续时间是3628秒，这三个子阶段分别占81.5％、15.6％和2.9％。
b)喷发阶段：从电池安全阀打开的t3到dT1/dt由正变为负的t5的时间间隔。根据dP/dt的变化，该阶段分为第一次喷发(从t3到t4)和第二次喷发(从t4到t5)子阶段。该阶段持续时间为370s，这两个子阶段分别占55.7％和44.3％。
c)压力升高阶段：从dT1/dt由正变负的t5到停止电池滥用的t6的时间间隔。这个阶段根据物质流的变化也称为LIB气体量维持阶段，这个阶段的持续时间是195秒。
d)压力下降阶段：从停止滥用的t6到测试结束的t8的时间间隔。根据物质量的变化，该阶段分为气体量减少子阶段(从t6到t7)和气体量维持子阶段(从t7到t8)。这个阶段的持续时间是410秒。这两个子阶段分别占64.6％和35.4％；
表1特征时间及其特征参数
| 特征时间 | t<sub>0</sub> | t<sub>1</sub> | t<sub>2</sub> | t<sub>3</sub> | t<sub>4</sub> | t<sub>5</sub> | t<sub>6</sub> | t<sub>7</sub> | t<sub>8</sub> |
| 参数(s) | -3628 | -670 | -105 | 0 | 206 | 370 | 565 | 830 | 975 |
表2喷发期间不同阶段多参数的主要变化
本发明对锂离子电池喷发过程的各个不同阶段进行了划分，全面涵盖了电池喷发前、中及后的各个阶段，进一步补充和完善了对锂离子电池喷发过程的全面认识，且可以为研究锂离子电池释放气体的机理奠定基础。本发明还发现了锂离子电池喷发过程中的8个特征时刻及多个参数在这些特征时刻的显著特点，可以为锂离子电池安全性评价奠定基础，也可以为建立锂离子灭火策略提供参考。同时，本发明给出了多个参数在不同阶段的变化情况，可以为进一步厘清这些参数内在的关系奠定基础，也可为寻找更科学的热失控预警方案提供参考。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于多参数的锂离子电池热失控过程分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将50Ah商用棱柱形电池在50％的充电状态下使用Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2作为阴极置于在一个高压密封室内；步骤二：在氮气氛的密封室中使用外部加热触发锂离子电池的热失控喷发，对大容量高镍锂离子电池喷发过程的观察，并对释放的气体和颗粒进行识别；步骤三：将加热到锂离子电池的热失控喷发过程以时间间隔为特征划分为四个阶段，并在其中的四个阶段下分别测试电池内部压力、电池表面温度、电池喷射流温度和电池释放气体量；步骤四：根据测试的结果，根据测试数据在不同阶段的变化情况定量分析，并作出曲线图。
2.根据权利要求1所述的基于多参数的锂离子电池热失控过程分析方法，其特征在于，四个阶段分别为电池内压力建立阶段、喷发阶段、压力升高阶段和压力下降阶段。
3.根据权利要求2所述的基于多参数的锂离子电池热失控过程分析方法，其特征在于，所述电池内压力建立阶段为以滥用开始到电池安全阀打开的时间间隔，喷发阶段为从电池安全阀打开到温度增加速率由正变为负的时间间隔，压力升高阶段为从温度增加速率由正变负到停止电池滥用的时间间隔，所述压力下降阶段从停止滥用到测试结束的时间间隔。
4.根据权利要求3所述的基于多参数的锂离子电池热失控过程分析方法，其特征在于，电池内压力建立阶段分为慢速阶段、快速阶段和超快阶段。
5.根据权利要求3所述的基于多参数的锂离子电池热失控过程分析方法，其特征在于，根据物质量的变化，喷发阶段分为第一次喷发阶段和第二次喷发阶段。
6.根据权利要求3所述的基于多参数的锂离子电池热失控过程分析方法，其特征在于，所述压力下降阶段分为气体量减少子阶段和气体量维持子阶段。
7.根据权利要求1所述的基于多参数的锂离子电池热失控过程分析方法，其特征在于，所述高压密封室包括内室、隔热层和安全阀，所述隔热层包裹在内室的外侧；内室上具有两个分别用于通入氮气及采集气体的管体；所述内室内部具有隔热板且隔热板上具有棱柱形电池和热电偶；安全阀设在内室外侧。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| WEIFENG LI ET AL.: "Experimental and theoretical analysis of the eruption processes of abused prismatic Ni-rich automotive batteries based on multi-parameters", 《JOURNAL OF ENERGY STORAGE》, 15 August 2022 (2022-08-15), pages 1 - 8 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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