一种锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术中绝热条件的创造，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。的空缺。的空缺。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池安全研究的
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：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：
[0006]步骤1、将锂离子电池充电至待研究的荷电状态；
[0007]步骤2、在电池表面布置热电偶，准备测量电池表面温度；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]步骤7、记录并保存温度和压力实验数据；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]进一步的，实验中需记录压力罐压力p
g
，电池表面温度T
b
，压力罐温度T
s
，压力变化率dp
g
/dt以及电池表面温度变化率dT
b
/dt。
[0019]进一步的，罐体内的气体满足理想气体状态方程。
[0020]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。
[0021]进一步的，模型中压力罐内部的气体温度T
g
被假设为电池表面温度T
b
和压力罐温度T
s
的平均值；
[0022]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
a
；
[0023]进一步的，除在电池表面布置热电偶测量电池温度T
b
外，还应在压力罐表面布置热电偶，来测量压力罐温度T
s
；
[0024]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
g
；粘贴在电池表面的热电偶应为加速量热仪用于测量样品温度的热电偶，测量压力罐表面温度的热电偶可采用加速量热仪的辅助热电偶来测量；
[0025]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；
[0026]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
g
，T
g
和p
g
。电池产生的气体为m
g
；
[0027]进一步的，罐体内气体体积V
g
等于罐体内部容积减去电池体积；气体温度T
g
假设为电池温度T
b
和压力罐温度T
s
的平均值；
[0028]进一步的，根据理想气体状态方程，罐体内气体压力p
g
与气体质量m
g
相关：
[0029][0030]其中，R为气体常数(8.314J mol-1
K-1
)，M为气体的摩尔质量，p
amb
为环境压力。
[0031]进一步的，气体质量m
g
可以表示成气体总量m
a
和转化率α的乘积，则气体压力p
g
可以进一步表达为：
[0032][0033]此处参数ξ
a
＝m
a
R/V
g
M在单次重复试验中为一个常数。
[0034]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：
[0035][0036]此处A
α
和E
α
分别为气体生成反应的指前因子和活化能。
[0037]进一步的，对式(2)的两边做微分，可以得到：
[0038][0039]将式(3)代入式(4)中，dp
g
/dt可以改写成：
[0040][0041]进一步的，在反应初始阶段，α趋近于0，因此α
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法，其特征在于，同步测量锂离子电池的温度、压力罐温度和气体压力。5.根据权利要求1所述的锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法，其特征在于，加速量热仪的工作模式为标准的加热-等待-搜索模式，为压力罐和电池创造绝热条件；6.根据权利要求1所述的锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法，其特征在于，实验中需记录压力罐压力p
g
，电池表面温度T
b
，压力罐温度T
s
，压力变化率dp
g
/dt以及电池表面温度变化率dT
b
/dt。7.根据权利要求1所述的锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法，其特征在于，罐体内的气体满足理想气体状态方程。8.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王青松，毛斌斌，秦鹏，段强领，孙金华，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：