一种锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法

摘要

本发明公开了一种锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法，包括步骤：首先将电池充电至待研究的荷电状态；然后使用压力罐和加速量热仪对锂离子电池开展热失控实验；测量热失控过程中的电池和压力罐温度变化，以及由于锂离子电池热失控反应导致的压力罐内气体压力变化情况；最后基于反应学模型和Arrhenius公式，利用温度和压力数据建立锂离子电池产气动力学模型。本发明中绝热条件的创造，保证了压力罐和电池系统在热失控前期可被看作为集总参数模型，产气动力学模型和动力学参数的求解，弥补了电池在热失控过程中产气量测试技术的空缺。

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池安全研究的技术领域，具体涉及的是一种锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法，提出了一种研究锂离子电池热失控过程中产气特征的实验方法和产气测算技术方法。

背景技术

近年来，锂离子电池成为日常生活中最为常见的二次电池，被广泛应用于手机、便携式电脑、航空航天以及电动汽车领域。然而锂离子电池由于其高能量密度以及易燃易爆的材料成分，依然存在一定的安全问题，主要表现在电池经历过充、过放、机械冲击以及过热时存在热失控或火灾的危险。在锂离子电池热失控过程中常发生正极材料分解释放氧气、电解液及电极材料间的放热反应，这些副反应常常导致热和气体的释放，最终导致热失控，引起极其严重的火灾威胁，如燃烧和爆炸等。在滥用情形下，电池射流火和爆炸是其热失控过程中最具有破坏力的火灾行为之一。而高温条件下电池体内气体的生成是上述火灾行为的内部推动力，目前针对锂离子电池产气动力学模型方面的研究还较少。因此提出一种锂离子电池产气速率的测试方法，推导锂离子电池内部产气动力学模型，并求解相关动力学参数，对电池热失控机理的揭示以及安全防控措施的制定具有重要的指导意义。

目前为了测量电池产气速率和产气量，气密性良好的压力罐常用于锂离子电池热失控特征研究，压力罐内部的压力增加是锂离子电池气体生成的直观表现形式，但目前还没有可定量计算电池产气动力学的方法提出。根据理想气体状态方程，一个密闭腔体内的气体压力和压力罐内部容积、气体的物质的量和气体温度等参数有关。将电池放入气密性良好的压力罐中，并激发至热失控，通过测量温度和压力等数据，即可获得电池在热失控过程中的产气特征，进而建立锂离子电池产气测算技术方法，弥补了电池在热失控过程中产气动力学测量技术的空缺。

发明内容

本发明的目的是为了提出一种锂离子电池热失控过程中的产气动力学实验建模和计算方法。利用加速量热仪和气密性良好的压力罐，通过开展锂离子电池热失控实验，测量热失控过程中的温度和压力数据，推导锂离子电池热失控过程中的产气动力学模型，计算电池产气动力学参数。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法，包括如下步骤：

步骤1、将锂离子电池充电至待研究的荷电状态；

步骤2、在电池表面布置热电偶，准备测量电池表面温度；

步骤3、将电池放入气密的压力罐中，并测量压力罐和电池的初始质量；

步骤4、在压力罐表面布置热电偶，并将压力罐连接至加速量热仪的压力传感器；

步骤5、将压力罐和布置有热电偶的电池放入加速量热仪炉体内，检查连接；

步骤6、设置加速量热仪的工作模式为标准的加热-等待-搜索模式，在电池自加热反应发生后创造绝热条件，开展锂离子电池自加热至热失控实验；

步骤7、记录并保存温度和压力实验数据；

步骤8、电池热失控后，等待压力罐和电池系统冷却后，打开压力罐并释放气体，然后测量压力罐和电池的质量损失，该质量损失作为电池总的产气量；

步骤9、分析数据，推导产气动力学模型，计算产气动力学参数。

进一步的，用于盛放锂离子电池的压力罐设置有压力传感器接口，并有气密性接口用于引入热电偶来测量罐体内部的电池温度。

进一步的，用于盛放锂离子电池的气密性压力罐能够承受的压力应不低于2Mpa。

进一步的，同步测量锂离子电池的温度、压力罐温度和气体压力。

进一步的，实验中需记录压力罐压力p

进一步的，罐体内的气体满足理想气体状态方程。

进一步的，由于绝热条件，在电池发生热失控前，罐体内的气体看作是集总参数模型，即温度是均匀分布的。

进一步的，模型中压力罐内部的气体温度T

进一步的，测量压力罐和电池系统在热失控后的质量损失，旨在使用该质量损失参数来表征电池在热失控时总的产气量m

进一步的，除在电池表面布置热电偶测量电池温度T

进一步的，压力罐的压力测量接口应连接加速量热仪的温度传感器，测量罐体内气体压力p

进一步的，加速量热仪的工作模式应为标准的加热-等待-搜索模式，以创造绝热条件，使锂离子电池自加热至热失控；

进一步的，压力罐内气体容积、气体温度和气体压力分别为V

进一步的，罐体内气体体积V

进一步的，根据理想气体状态方程，罐体内气体压力p

其中，R为气体常数(8.314J mol

进一步的，气体质量m

此处参数ξ

进一步的，假设反应模型为(1-α)，基于Arrhenius公式，转化率α的变化率dα/dt为：

此处A

进一步的，对式(2)的两边做微分，可以得到：

将式(3)代入式(4)中，dp

进一步的，在反应初始阶段，α趋近于0，因此α→0和(1-α)→1，式(5)简化为：

进一步的，对式(6)两端取对数，可以得到：

进一步的，通过绘制ln(dp

有益效果：

本发明提出了一种锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法，利用加速量热仪和压力罐开展锂离子电池热失控实验，通过测量温度、气体压力等参数，推导了锂离子电池热失控情形下的产气动力学模型，并使用实验数据计算了产气动力学参数。综合上述实验建模和计算方法，可以揭示锂离子电池的产气机理，并为电池的安全防控提供指导。

附图说明

图1为本发明试验方法的实验设计图；

图2(a)为100％SOC电池的温度和压力实验结果；

图2(b)为50％SOC电池的温度和压力实验结果；

图3为ln(dp

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的一个实施例，提出一种锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法，包括如下步骤：

步骤1、将锂离子电池充电至待研究的荷电状态；

步骤2、在电池表面布置热电偶，准备测量电池温度；

步骤3、将电池放入气密性良好的压力罐中，并测量压力罐和电池的初始质量；

步骤4、在压力罐表面布置热电偶，并将压力罐连接至加速量热仪的压力传感器；

步骤5、将压力罐和电池系统放入加速量热仪炉体内，检查连接；

步骤6、设置加速量热仪的工作模式为标准的加热-等待-搜索模式，在电池自加热反应发生后创造绝热条件，开展锂离子电池自加热至热失控实验；

步骤7、记录并保存温度和压力等实验数据；

步骤8、电池热失控后，等待压力罐和电池系统冷却后，打开压力罐并释放气体，然后测量压力罐和电池的质量损失，该质量损失作为电池总的产气量；

步骤9、分析数据，推导产气动力学模型，并计算产气动力学参数。

如图1所示，根据本发明的一个实施例，锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法需采用压力罐和加速量热仪。气密性压力罐能够承受的压力应不小于2MPa；加速量热仪的炉体应足够容纳压力罐，加速量热仪用于创造绝热条件，提高罐体内气体温度的均一性，并测量罐体内气体的压力变化。

实验前应在电池表面中心布置热电偶，可采用高温胶将热电偶粘贴在电池表面中心，该热电偶应为加速量热仪测量样品温度的热电偶。热电偶布置完成后，将电池放入压力罐内，并封闭压力罐。测量电池温度的热电偶可通过压力罐的气密性接头穿入压力罐内。

实验前，应测量电池及压力罐系统的初始质量；热失控实验后，释放罐内气体后，同样测量电池及压力罐系统的质量；质量损失看做为电池的产气总量m

使用的压力罐应能够放入到加速量热仪的炉体内，压力罐的密封元件可采用耐高温的氟橡胶密封圈。

实验前应在压力罐表面布置热电偶，可采用高温胶将热电偶布置在压力罐表面，该热电偶可以采用加速量热仪的辅助热电偶。

将压力罐上的压力测试接口连接至加速量热仪的压力传感器，用于测量罐体内的压力变化。

将压力罐及电池系统放入加速量热仪炉体内，检查热电偶和压力测量连接是否妥当。

设置加速量热仪的工作模式为标准的加热-等待-搜索模式，在电池自加热反应发生后创造绝热条件，开展锂离子电池自加热至热失控实验。搜索的起始温度可以设定为60℃，加热台阶为5℃，等待时间为15min，电池温升速率阈值为0.02℃/min。

等待电池热失控并且加速量热仪启动降温程序后，待实验室的烟气排出后，保存温度和压力等实验数据。

等待压力罐和电池系统冷却后，打开压力罐并释放气体，测量压力罐和电池在实验后的质量，并与实验前的质量对比，得出热失控后的压力罐和电池的质量损失，该质量损失作为电池总的产气量m

分析数据，绘制电池温度T

基于

为了验证该锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法的可行性，下面通过一个实验实例进行分析。

实施例：

依据上述实施方式，利用加速量热仪和400mL的标准电池测试压力罐，对某款Li(Ni

表1.不同荷电状态电池的气体生成反应的动力学参数

可以看出，基于本发明提出的方法，推导得到了锂离子电池产气动力学模型；提出的电池产气动力学研究实验方法，能够很好地表征电池产气过程；动力学求解图谱的线性程度高，验证了模型的合理性和实验测量的准确性。

综上所述，本发明阐述了一种锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法，利用加速量热仪和压力罐，开展了锂离子电池热失控实验，并推导了锂离子电池产气动力学模型；基于实验结果，计算了产气动力学参数。上述通用试验方法和产气动力学模型的提出，为锂离子电池产气机理的揭示，以及锂离子电池安全防控策略的研究提供了建议和指导。

本实施方式只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域的技术人员在不脱离本发明原理的前提下所做出的一些改进和润饰应视为本发明的保护范围。