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1. WO2020199415 - COMPREHENSIVE EVALUATION METHOD AND SYSTEM FOR POWER BATTERY THERMAL RUNAWAY SAFETY

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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111   0112   0113   0114   0115   0116   0117   0118   0119   0120   0121   0122   0123   0124   0125   0126   0127   0128   0129   0130   0131   0132   0133   0134   0135   0136   0137   0138   0139   0140   0141   0142   0143   0144   0145   0146   0147  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20  

附图

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12  

说明书

发明名称 : 动力电池热失控安全性综合评价方法与系统

[0001]
相关申请
[0002]
本申请要求2019年04月02日申请的,申请号为201910260107.2,名称为“动力电池热失控安全性综合评价方法与系统”的中国专利申请的优先权,在此将其全文引入作为参考。

技术领域

[0003]
本申请涉及电池技术领域,特别是涉及一种动力电池热失控安全性综合评价方法与系统。

背景技术

[0004]
电动汽车是新能源汽车的主体,动力电池是电动汽车的核心能量源。电动汽车的续驶里程取决于动力电池的比能量和电动汽车搭载的电池数量。由于电动汽车的空间和成本的限制,提高动力电池的比能量成为增加电动汽车续驶里程的关键。一般地,相同体积下更高比能量的动力电池存储的能量更多,在热失控时可能释放出更多的能量,带来更加严重的安全隐患。因此,需要在动力电池设计过程中就对所设计体系的动力电池的热失控安全性进行充分评价和考量。
[0005]
传统的,对动力电池安全性进行评价时,有通过“试错”的方法进行逆向评价。传统的,对动力电池安全性进行评价时,有通过硬件对所测得的模型和热失控反应参数进行存储和计算。但传统的方案均未基于电池热失控机理对热失控安全性进行有效评价。
[0006]
发明内容
[0007]
基于此,有必要针对传统的方案均未基于电池热失控机理对热失控安全性进行有效评价的问题,提供基于电池材料、电池极片以及电池单体的多尺度热稳定性相关测试,并通过测试数据进行综合对比分析,得出一种动力电池热失控安全性综合评价方法及系统。
[0008]
一种动力电池热失控安全性综合评价方法,包括:
[0009]
S10,提供电池材料,并对所述电池材料进行成分分析、形貌分析、结构分析以及表面和界面分析中的一种或多种,以得到所述电池材料的性能分析图;
[0010]
S20,提供正极片、负极片、隔膜和电解液,并对分别所述正极片、所述负极片、所述隔膜、所述电解液和上述材料组合形成的样品进行热特性分析和反应动力学分析,以得到热失控特性数据库;
[0011]
S30,提供电池单体,并对所述电池单体进行绝热热失控测试,以得到所述电池单体的绝热热失控测试曲线;
[0012]
S40,根据所述电池材料的性能分析图、所述热失控特性数据库和所述绝热热失控测试曲线绘制所述电池单体热失控副反应温度序列图,以实现对所述电池单体热失控的定性评价;以及
[0013]
S50,从所述绝热热失控测试曲线中,获取所述电池单体的特征值,以实现对所述电池单体热失控的定量评价,其中,所述特征值包括:所述电池单体自身开始产热时的第一温度、所述电池单体内部大规模放热开始时的第二温度和所述电池单体在热失控过程中的最高温度。
[0014]
本申请中提供的所述动力电池热失控安全性综合评价方法与系统。所述综合评价方法对 电池热失控进行了多尺度机理分析与综合评价。所述动力电池热失控安全性综合评价方法在电池材料、电池极片以及电池单体三个尺度进行热稳定性相关测试。并通过测试数据的综合对比分析,并结合原位和非原位的观测及材料表征方法,确认不同组分热特性及组分间的相互耦合作用对于电池单体热失控的影响。所述综合评价方法结合电池单体绝热热失控的测试结果,给出电池热失控的机理分析与热安全定性及定量评价。对于电动车用动力电池的安全设计与热失控防控具有重要的实用价值和指导意义。

附图说明

[0015]
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据公开的附图获得其他的附图。
[0016]
图1为本申请一个实施例中提供的动力电池热失控安全性综合评价方法的流程示意图;图2为本申请一个实施例中提供的对热特性分析测试的步骤流程图;图3为本申请一个实施例中提供的动力学参数拟合步骤的流程图;图4为本申请一个实施例中提供的建立电池材料热失控特性数据库的步骤流程图;图5为本申请一个实施例中提供的原位X射线衍射和质谱分析的测试结果示意图;图6为本申请一个实施例中提供的热失控前后的扫描电镜测试结果图;图7为本申请一个实施例中提供的正极材料差示扫描量热仪测试结果示意图;图8为本申请一个实施例中提供的负极材料差示扫描量热仪测试结果示意图;图9为本申请一个实施例中提供的正极材料+负极材料差示扫描量热仪测试结果示意图;图10为本申请一个实施例中提供的PE隔膜差示扫描量热仪测试结果示意图;图11为本申请一个实施例中提供的电池热失控各环节副反应温度序列分析示意图;图12为本申请一个实施例中提供的电池单体绝热加速量热仪测试结果与链式反应过程,反应特征温度示意图。

具体实施方式

[0017]
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,所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
[0018]
请参阅图1,本申请提供一种动力电池热失控安全性综合评价方法,包括:
[0019]
S10,提供电池材料,并对所述电池材料进行成分分析、形貌分析、结构分析以及表面和界面分析,以得到所述电池材料的性能分析图。所述电池材料可以包括电池正极活性材料、电池负极活性材料、电解液及隔膜。电池材料的获取方法可以包括拆解电池单体和拆解纽扣电池。当然还可以使用从厂商购买的未经过涂覆、化成和电池组装等过程的电池正活性材料、电池负极活性材料、电解液及隔膜。
[0020]
S20,提供正极片、负极片、电解液和隔膜,并对分别所述正极片、所述负极片、所述电解液、所述隔膜和上述材料的组合形成的样品进行热特性分析和反应动力学分析,以得到热失控特性数据库。本步骤中主要实现对所述正极片、所述负极片、所述电解液、所述隔膜和上述材料的组合样品进行热特性分析和反应动力学分析。具体的,所述热特性分析的主要 测试内容为所述正极片、所述负极片、所述电解液和所述隔膜的热稳定性及不同组分间的耦合热稳定性。在实施所述热特性分析时,可以使用差示扫描量热仪、绝热加速量热仪或其它量热仪作为测试仪器。
[0021]
S30,提供电池单体,并对所述电池单体进行绝热热失控测试,以得到所述电池单体的绝热热失控测试曲线。本步骤中,所述待测电池单体可以为软包电池、方形电池或者圆柱形电池中的任意一种。
[0022]
本实施例中所能够检测的电池单体还可以是其他形态的电池单体,在此不作限定。在对所述待测电池单体实施绝热热失控测试之前需要确认绝热热失控的实验条件与测试环境是否满足热失控的安全测试要求。所述绝热热失控测试可以在能够提供绝热环境的大型量热仪中进行,在进行绝热热失控测试之前需确保量热仪已经完成校准和标定工作,避免测试过程中发生危险。另外,在所述绝热热失控测试进行前,需要通过充放电设备按测试需求将所述待测电池单体调整至指定的荷电状态。
[0023]
S40,根据所述电池材料的性能分析图、所述热失控特性数据库和所述绝热热失控测试曲线绘制所述电池单体热失控副反应温度序列图,以实现对所述电池单体热失控的定性评价。
[0024]
本步骤中实现对所述电池单体热失控的定性评价,包括结合所述电池单体热失控副反应温度序列图实现对电池单体的热失控副反应机理的分析。所述电池单体热失控各过程副反应温度序列分析是确认电池单体在热失控过程中,各主要副反应发生的温度,以确认热失控的链式反应过程和反应机理。如图12左侧附图所示,电池单体热失控是由一系列链式反应过程最终导致的。其中包括电池内部界面失去热稳定性、负极材料与电解液反应、隔膜中的PE组分熔化、正极相变释氧、隔膜中的陶瓷组分崩溃、电解液分解、内短路/电池内部大规模物质交换、电解液燃烧等副反应过程。对于目前广泛使用的液态有机电解质锂离子动力电池,在受热时首先是负极的固体电解质膜(Solid Electrolyte Interface,SEI)界面失去稳定性。在实际电池热失控的过程中,各副反应的顺序并不是确定的,对于不同的电池材料和耦合过程,各副反应的起始温度、放热量也有很大差别。因此,需要确认电池单体在热失控的过程中,各副反应的发生顺序与温度,以及各副反应放热对电池热失控的贡献。
[0025]
S50,从所述绝热热失控测试曲线中,获取所述电池单体的特征值,以实现对所述电池单体热失控的定量评价,其中,所述特征值包括:所述电池单体自身开始产热时的第一温度、所述电池单体内部大规模放热开始时的第二温度和所述电池单体在热失控过程中的最高温度。
[0026]
本步骤中,对于所述待测电池单体的热失控安全性的评价可以比较所述特征值的大小,所述第一温度和第二温度越大,所述待测电池单体的热失控安全性越高,所述最高温度越大,所述待测电池单体的热失控安全性越低。对于所述待测电池单体的热失控安全性的评价,也可以设定参考电池以及参考特征值,比较所述特征值与所述参考特征值的关系,来判定所述待测电池单体的热失控安全性。本步骤中,所述参考电池的设定可以根据经验值也可以根据实际应用环境的需要进行调整。
[0027]
本实施例中,提供了一种动力电池热失控安全性的多尺度机理分析与综合评价方法。所 述动力电池热失控安全性综合评价方法在电池材料、电池极片以及电池单体三个尺度进行热稳定性相关测试。并通过测试数据的综合对比分析,并结合原位和非原位的观测及材料表征方法,确认不同组分热特性及组分间的相互耦合作用对于电池单体热失控的影响。所述综合评价方法结合电池单体绝热热失控的测试结果,给出电池热失控的机理分析与热安全定量评价。对于电动车用动力电池的安全设计与热失控防控具有重要的实用价值和指导意义。
[0028]
在一个实施例中,所述步骤S10中,通过拆解电池单体获取所述电池材料的具体步骤和通过拆解纽扣电池获取所述电池材料的具体步骤参见以下描述。(一)拆解电池单体获得电池正负极活性材料可以包含以下步骤:
[0029]
S101,使用充放电设备调整电池单体荷电状态至指定数值(0-100%)。
[0030]
S102,在手套箱或者干房中,将电池卷芯与外壳分离,取出卷芯。
[0031]
S103,使用密封容器将所有卷芯转移至手套箱,使用绝缘陶瓷剪刀,取一定量的正极极片、负极极片和隔膜作为样品,使用绝缘容器分别保存避免短路。
[0032]
S104,根据测试需要,可以对取出的样品进行洗涤。洗涤的具体方法可以为在碳酸二甲酯中浸泡30分钟-2小时。浸泡完成之后取出样品,而后在手套箱惰性气氛内进行干燥,干燥后再次使用绝缘容器保存。
[0033]
S105,根据表征方法的需要制备样品,样品可能为固体(比如活性材料粉末或者直接剪取一点点极片)或用酸溶解后的溶液。在样品制备和转移的过程中应尽可能避免与空气的接触。样品初步制备可以用陶瓷剪刀剪去少量极片,或用刮刀刮取一定量的活性材料。
[0034]
(二)拆解纽扣电池获得电池正负极活性材料可以包含以下步骤:
[0035]
S111,使用充放电设备调整纽扣电池荷电状态至指定数值(0-100%)。
[0036]
S112,在手套箱中将纽扣电池拆解。
[0037]
S113,取出纽扣电池中的正极极片、负极极片和隔膜作为样品,使用绝缘容器分别保存避免短路。
[0038]
S114,根据测试需要,可以对取出的样品进行洗涤,具体方法可以为在碳酸二甲酯中浸泡30分钟-2小时后取出,后在手套箱惰性气氛内进行干燥,干燥后使用绝缘容器保存。
[0039]
S115,根据表征方法的需要制备样品,样品可能为固体(比如活性材料粉末或者直接剪取一点点极片)或用酸溶解后的溶液,在样品制备和转移的过程中应尽可能避免与空气的接触。样品初步制备可以用陶瓷剪刀剪去少量极片,或用刮刀刮取一定量的活性材料。本实施例中,提供了两种获取所述电池材料的方法。本实施例中提供的这两种方法可以简单、方便的获取各种电池材料。当然可以理解,所述电池材料的获取方法不作具体的限定,比如还可以通过化学合成直接获取所述电池材料。
[0040]
在一个实施例中获取所述电池材料的性能分析图可以包括高温原位或者高温非原位的数据表征。具体的高温原位或者高温非原位的数据表征主要是对电池正极活性材料、电池负极活性材料以及隔膜组分在受热升温过程中的表现进行原位观测或对受热升温前后的材料属性进行表征和对比。
[0041]
第一,对所述电池材料进行元素成分分析可以包括但不限于以下的分析方法,比如:气象色谱-质谱、离子色谱、等离子发射光谱、傅里叶红外光谱、X射线荧光光谱或者能谱分析。 再比如,还可以对所述电池材料在受热前后的元素成分改变进行对比分析,或原位观测所述电池材料在受热过程中的产气情况。
[0042]
第二,对所述电池材料的形貌分析可以包括但不限于扫描电镜分析与透射电镜分析。这两种电镜分析主要用于观测电池材料在受热过程中或受热前后的形貌变化。
[0043]
第三,对所述电池材料的结构分析可以包括但不限于,比如,X射线衍射谱分析和核磁共振谱分析。这两种分析可以用于原位分析电池材料晶体结构变化、成分变化。
[0044]
第四,对所述电池材料的表面分析可以包括但不限于,比如,X射线光电子能谱分析和飞行时间二次离子质谱分析。这两种分析主要用于分析电池材料表面成分的改变。其中,X射线衍射谱分析、透射电镜分析、质谱分析等方法均可以实现在多电池材料的升温过程中的原位观测。可以理解,以上四类测试方法在电池安全性评价中视需求采用,并不需要全部进行。
[0045]
请参见图5和图6,提供了部分高温原位/非原位表征方法的测试结果。图5为原位X射线衍射和质谱分析的测试结果,由图5中左侧可以看出三元材料会在受热中发生由层状到尖晶石再到岩盐结构的转变过程。随相转变过渡金属离子价态改变释放出氧,释氧温度的判断是三元材料热失控机理分析中的重要环节。原位X射线衍射结果证实尖晶石相变释氧起始于约100℃。图5中右侧为原位质谱分析的测试结果。如图5右侧测试结果所示,质谱检测到氧气峰起始于250℃,氧气释放相比于尖晶石相变延后。对比热分解前后的活性材料颗粒扫描电镜结果,正极颗粒形貌发生明显改变,颗粒开裂。在一个实施例中,可以获得不同材料的原位X射线衍射和质谱分析的测试结果,进行对比分析,最终定性评价材料作为电池组分时能够展现的性能高低。图6为热失控前后的扫描电镜测试结果图。
[0046]
请参阅图2,在一个实施例中,所述步骤S20中,对电池材料进行所述热特性分析测试可以包含以下步骤:
[0047]
S201,从密封设置的手套箱中取用保存的所述电池材料。所述电池材料可以是通过拆解电池单体和拆解纽扣电池获取的。本实施例中提供的这两种方法可以简单、方便的获取各种电池材料。当然可以理解,所述电池材料的获取方法不作具体的限定,比如还可以通过化学合成直接获取所述电池材料。
[0048]
S202,按照测试需要制备进行热稳定性测试的样品,并放入测试容器;所述样品包括单独的正极、负极、隔膜或电解液;所述样品还包括正极+电解液的耦合样品、负极+电解液的耦合样品、正极+负极的耦合样品、隔膜+电解液的耦合样品或正极+负极+电解液的耦合样品。另外,在制备耦合热特性测试的样品时,不同电池组分需要按照单体电池/纽扣电池中的实际质量比例或经验比例制备。
[0049]
S203,使用绝热加速量热仪、差示扫描量热仪或其它量热仪对所述样品的热特性进行测试,并记录所述样品在热失控过程中的温度变化数据。如图7-图10所示为电池材料差示扫描量热仪测试的结果示意图。图7-图10提供了四种不同的电池材料制备的所述样品的恒升温速率热特性曲线。
[0050]
在一个实施例中,所述步骤S20中,所述反应动力学分析的主要测试内容为所述正极片、所述负极片、所述隔膜和上述材料的组合形成的样品在不同温升速率下的温度变化情况。在 实施所述反应动力学分析时,可以使用差示扫描量热仪作为测试仪器。所述反应动力学分析主要包含(第一)主反应确认、(第二)动力学参数拟合和(第三)动力学参数数据库建立三个部分。
[0051]
(第一)主反应确认需要依据材料热稳定性测试结果。如图7所示三元正极材料分解有三个主要的放热峰,可以判定为三个主反应。如图8所示,石墨负极材料有三个主要的放热峰,也为三个主反应。如图9所示,正极材料+负极材料有三个主要的放热峰,可以判定为三个主反应。图10所示,PE隔膜材料只有在约140℃处的一个明显的吸热峰,判定为一个主反应。
[0052]
(第二)请参阅图3,动力学参数拟合包含以下步骤:S211,将所述样品放入差示扫描量热测试坩埚。按照测试需要制备样品并放入差示扫描量热测试坩埚,所述样品可以是单独的正极、负极、隔膜或电解液。在耦合热特性测试时的所述样品是正极+电解液、负极+电解液、正极+负极、隔膜+电解液或正极+负极+电解液,且不同电池组分需要按照单体电池/纽扣电池中的实际质量比例或经验比例制备。
[0053]
S212,使用差示扫描量热仪对样品进行恒升温扫描速率的测试。
[0054]
S213,改变扫描速率,重复多次所述使用差示扫描量热仪对样品进行恒升温扫描速率的测试的步骤,以得到多组不同扫描速率的恒升温速率热特性曲线。
[0055]
本步骤中,改变扫描速率重复S212以得到至少5组不同扫描速率的样品恒升温速率热特性曲线。具体的,差示扫描量热仪的扫描速率可以为1℃/min,2℃/min,5℃/min,10℃/min,15℃/min,20℃/min中的任意5个。S214,基于化学反应动力学方程,结合所述恒升温速率热特性曲线中的数据,拟合各主反应的反应动力学基本参数,其中各主反应的反应动力学基本参数至少包括活化能、前向因子与反应焓。
[0056]
具体的,本步骤中需利用S213的测试结果获得(1)中确认的主反应的反应动力学参数。在此给出一种基于Arrhenius方程的n级反应动力学参数拟合方法,先确认不同主反应在不同升温速率下的峰值温度,如表1所示。表1是某种三元材料的峰值温度。
[0057]
表1某三元正极材料不同升温速率峰值温度
[0058]
[表0001]
峰/升温速率 2℃/分钟 5℃/分钟 10℃/分钟 15℃/分钟 20℃/分钟
峰1峰值温度 237.4 250 260.3 267.8 269
峰2峰值温度 391.8 409.2 423.8 434 435.7
峰3峰值温度 439.7 453.9 466.2 479.1 484.3

[0059]
对于峰1,峰值温度与升温速率满足的公式:
[0060]
[0061]
得到反应活化能和反应前向因子,其中,β为升温速率,α为反应的转化率,A为反应前向因子,E为反应活化能,Tp为反应峰值温度,R为理想气体常数8.314J·mol-1·K-1。
[0062]
根据反应放热公式,结合遗传算法和非线性拟合方法得到反应焓变和反应级数。所述反应放热公式包括:
[0063]
[0064]
[0065]
f(α(t))=(α(t)) n (4)
[0066]
[0067]
其中,α为反应的转化率,反应起始可设为1,n为反应级数,ΔH为反应焓变,Q为反应放热功率,A为反应前向因子,E为反应活化能,T为反应温度,R为理想气体常数8.314J·mol-1·K-1。根据式(1)线性拟合可以得到峰1反应的活化能及前向因子,再根据反应放热公式(2)-(5),采用遗传算法等非线性拟合方法可以得到峰1反应的焓变及反应级数。对于峰2和峰3的反应动力学参数可以用同样的方法获得。如表2所示,是某种三元材料拟合得到的反应动力学参数示意:
[0068]
表2某三元正极材料各主反应反应动力学参数拟合结果
[0069]
[表0002]
反应动力学参数/反应峰 峰1 峰2 峰3
A/s -1 7.1×10 12 8.71×10 12 8.71×10 12
E/J·mol -1 1.51×10 5 2.00×10 5 2.13×10 5
n 1.14 1.61 1.65
ΔH/J 50 78.5 15.6

[0070]
不同材料热反应特性数据库建立需要将(1)主反应确认和(2)动力学参数拟合中测试的原始数据,不同速率下各主反应峰的起始温度、最高温度和结束温度,计算得到的反应活化能、前向因子与反应焓进行记录,此外还要记录使用的样品种类及配比,使用的仪器、坩埚型号等。
[0071]
(第三)请参阅图4,建立电池材料热失控特性数据库可以包括以下步骤:
[0072]
S221,建立所述样品的热特性数据条目。具体的,在数据库中新建待测试样品、待测试耦合样品的热特性数据条目。
[0073]
本步骤中,数据条目按照样品的分类和名称进行存储。其中在存储时,电解液可以按照主要的盐成分进行命名。
[0074]
S222,确认存储所述样品的基本信息。所述基本信息可以包括样品名称、测试样品量、样品不同组分的组成/化学式、厂商、批次以及其它已知信息,并填入数据库条目中。
[0075]
本步骤中与样品相关的信息均需要记录,包括但不限于正负极活性物质材料的粒度、比表面积、比容量、添加导电石墨和粘结剂量,以及电解液的添加剂及含量。
[0076]
S223,确认对所述样品进行测试的测试时间、使用的仪器型号、使用坩埚型号以及温升速率。确认测试数据的基本情况,包括测试时间、使用的仪器型号、使用坩埚型号、温升速率选取以及其它测试相关信息,并填入数据库条目中。
[0077]
S224,确认对所述样品实时测试前的原始数据。其中,所述原始数据包括不同温升速率的原始时间、温度、热流量。并将所述原始数据填入数据条目中。此处如果设备有连接其他的同步测试仪器,如质谱仪等,原始数据需要一并记录和存储。
[0078]
本步骤中,至少存储5组不同温升速率的样品测试原始数据,如有连接其他的同步测试仪器,包括但不限于气相色谱仪、质谱仪等,原始数据需要一并记录和存储。
[0079]
S225,确认原始数据的处理结果、不同温升速率曲线的温度峰位置、以及不同峰值的反应动力学参数。并将确认好的数据填入数据库条目中。本步骤中,样品不同峰值的反应动力学参数包括但不限于反应活化能E,反应前向因子A,反应级数n,反应焓变ΔH。如果某个反应峰不属于标准n级反应类型,需要记录该反应峰对应的反应类型(如连续反应、自催化反应等)及相应的反应动力学参数。
[0080]
S226,确认无误后,保存该数据库条目。具体的,在一个实施例中,所述电池材料热失控特性数据库包括:电池材料种类、每一种电池材料的测试数据、每一种电池材料的测试结果以及每一种电池材料的动力学基本参数。
[0081]
在另一个实施例中,所述电池材料热失控特性数据库,包括:数据库层、单一材料层、组合材料层和反应记录层。在数据进行查找时,首先按照样品名称进行查找,如有多条记录,可以辅助样品量、厂商、型号等信息查找。
[0082]
本实施例中,在所述电池材料热失控特性数据库的建立时,系统地存储不同种类电池材料热特性测试的原始数据及参数拟合结果。在进行不同材料体系电池单体的热失控特性预测时,可以直接从材料热特性数据库中提取已有的数据进行分析。也可以更改某一材料组分,对改变后的电池热失控特性进行对比预测。进一步可根据预测结果,选取较为安全的材料体系,或对已确定的材料体系热失控特性进行改进。
[0083]
在一个实施例中,所述步骤S30中,对所述电池单体进行绝热热失控测试具体包括:
[0084]
S301,选取电池单体。
[0085]
S302,确认温度条件和电压条件,确认环境条件处于绝热状态。所述试验可以在专门的防爆实验箱或大容量绝热加速量热仪中进行。
[0086]
S303,在所述待测电池单体的外表面和内部分别设置一个或多个温度检测装置,在所述待测电池单体的极耳处连接电压采集装置。所述温度检测装置可以是热电偶。设置热电偶时可以在干房或手套箱内将热电偶置于电池卷芯内部,或将热电偶布置于电池大面中心位置。另外,根据测试需要可以在电池的极耳处布置多个电压采集装置。电池单体连接电压采集装置后,根据测试需要连接充放电设备。
[0087]
S304,对所述待测电池单体实施绝热热失控测试,并记录热失控过程中的电池单体电压和热失控过程中的电池单体温度,以生成绝热热失控测试曲线。
[0088]
本步骤中,可以对电池单体进行不同触发条件的单体热失控测试,比如绝热阶梯式升温、加热片加热、过充或针刺等其它机-电-热滥用测试等,记录电池在热失控过程中的电压变化和温度变化。本步骤中,根据测试数据生成所述绝热热失控测试曲线,可以参阅图12。图12左图中的横坐标为时间,坐标时间范围即测试时间范围,即从数据采集装置开始记录数据到电池温度恢复至100℃以下的时间。图12中右图为得到的三个特征温度,即特征值(所述第一温度T1,所述第二温度T2和所述最高温度Tmax)。
[0089]
本实施例中,给出了对所述待测电池单体实施绝热热失控测试的具体步骤。可以理解所述具体步骤并不限定,还可以通过其他的方式来实现。
[0090]
在一个实施例中,可以对n类不同种类的电池单体实施绝热热失控测试,记录n类电池单体热失控过程中的电压和温度,以指导n类不同种类动力电池热失控安全性的定量评价方法。
[0091]
本实施例中,在对n类不同种类的电池单体实施绝热热失控测试时可以重复上一个实施例中给出的步骤进行绝热热失控测试。以获得n类不同种类的电池单体在热失控中的温度特性及所述特征值,以指导n类不同种类动力电池热失控安全性的定量评价方法。
[0092]
在一个实施例中,在对所述待测电池单体实施绝热热失控测试过程中:电压测试频率和温度测试频率相同,且电压测试频率和温度测试频率大于等于1Hz。
[0093]
本实施例中,在进行电池单体的绝热热失控测试时,需要实时记录热失控过程中电池单体的电压、电池单体的温度。在对电池单体电压和电池单体温度进行测量时,采集数据的频率应大于1Hz(即每秒最少采集一次数据)。并且电压和温度测量频率需保持一致,以保证能够准确的获取所述特征值。
[0094]
在一个实施例中,所述S303,在所述待测电池单体的外表面和内部分别设置一个或多个温度检测装置,在所述待测电池单体的极耳处连接电压采集装置,包括:
[0095]
S311,在干房或者手套箱中对所述待测电池单体部分拆解,以便于布置温度检测装置。本步骤中,所述温度检测装置可以是热电偶。对所述待测电池单体部分拆解可以理解为,当所述待测电池单体是软包电池,可以在软包电池外包的铝塑膜上开一个小口(小口的大小足够将热电偶塞进去即可),然后从小口把热电偶插入电池内部,之后进行相应的固定操作,以完成所述温度检测装置的布设。对所述待测电池单体部分拆解还可以理解为,当所述待测电池单体是方壳电池,沿所述方可电池的顶盖锯开,把热电偶插入电池内部之后进行相应的固定操作(比如用胶封上),以完成所述温度检测装置的布设。
[0096]
S312,提供保护层,所述保护层可以用隔膜或其他材料对所述温度检测装置进行保护。并将保护后的所述温度检测装置布置在所述待测电池的内部(比如可以是正极与隔膜间,或负极与隔膜间)。可以在所述待测电池的内部布置一个或多个保护后的所述温度检测装置。
[0097]
S313,对所述待测电池进行二次密封设置,并在密封后的所述待测电池的极耳处设置一组或多组电压采集装置。
[0098]
本实施例中,至少在电池单体的内部布置一个温度检测装置(所述温度检测装置可以是(温度传感器)。在设置所述温度传感器时需要在干房或手套箱中将电池部分拆解。将温度传感器布置在拆解后的电池单体的内部,并对电池单体进行二次密封。具体的可以根据需要在电池单体内部的不同位置及电池单体表面不同位置布置多个温度传感器。设置多个温度传感器是为了能够准确的获取所述电池单体在热失控过程中的不同位置的温度值。另外,可以使用多组电压传感器进行测量,以防止电池单体在热失控过程中由于传感器脱落造成的数据缺失或不稳定。
[0099]
在一个实施例中,所述步骤S40中,电池单体热失控副反应温度序列分析主要包含以下步骤:
[0100]
S401,从所述性能分析图中,确认所述电池单体正极相变开始的温度。本步骤中,可以由高温原位表征的测试结果,确认电池单体正极相变开始的温度。
[0101]
S402,从所述热失控特性数据库中,确认首个界面开始失去热稳定性的温度、最高温度与终止温度。本步骤中,可以由负极+电解液或者正极+电解液材料热稳定性测试的结果,确认首个界面开始失去热稳定性(对于常规液态有机电解质体系为负极SEI分解峰)的温度、失稳反应峰的最高温度与终止温度。本步骤中,对于通常的液态有机电解液体系,界面开始失稳的峰(负极SEI分解峰)位置为100℃左右,即附图8中负极的峰1。
[0102]
S403,从所述热失控特性数据库中,确认负极与电解液反应峰的起始温度、最高温度与终止温度。本步骤中,可以由负极材料热稳定性测试的结果,确认负极与电解液反应峰的起始温度、最高温度与终止温度。本步骤中,负极与电解液反应峰紧随界面失稳峰之后,即附图8中负极的峰2。
[0103]
S404,从所述热失控特性数据库中,确认正极第一个分解反应峰的起始温度、最高温度与终止温度。
[0104]
本步骤中,可以由正极材料热稳定性测试的结果,确认正极第一个分解反应峰的起始温度、最高温度与终止温度。本步骤中,正极第一个热分解峰即附图7中正极的峰1。
[0105]
S405,从所述热失控特性数据库中,确认正负极混合后主产热峰的起始温度。
[0106]
本步骤中,可以由正极+负极材料耦合热稳定性测试的结果,确认正负极混合后主产热峰的起始温度。本步骤中,正极+负极主产热峰即附图9中正极+负极的峰4。
[0107]
S406,从所述热失控特性数据库中,确认隔膜开始分解与完全崩溃的温度。
[0108]
本步骤中,可以由隔膜材料热稳定性测试的结果,确认隔膜开始分解与完全崩溃的温度。本步骤中,隔膜开始分解与完全崩溃的温度即附图10中PE隔膜吸热峰的起始温度与终止温度。此步骤中也可使用隔膜+电解液耦合样品进行测试。
[0109]
S407,从所述绝热热失控测试曲线中,确认电池大规模内短路开始的温度。本步骤中,可以由单体热失控测试的结果,确认电池大规模内短路开始的温度。
[0110]
本步骤中,大规模内短路开始温度为附图12中电压陡降的温度。S408,从所述绝热热失控测试曲线中,确认电池大规模放热开始的温度。本步骤中,可以由单体热失控测试的结果,确认电池大规模放热开始的温度。本步骤中,大规模放热开始温度为附图12中的温度T2。如在测试温度范围内反应峰没有终止,以测试最终温度为反应终止温度。
[0111]
S409,根据所述温度参数和达到所述温度参数的时间,绘制所述电池单体的热失控副反应温度序列图,对所述电池单体的热失控特性进行定性评价。本步骤中,可以根据以上温度范围,画出热失控副反应温度序列图如图11所示,对电池单体的热失控过程进行分析。
[0112]
本实施例中,如附图11所示为电池单体的热失控副反应温度序列示意图。图11中实线为绝热热失控过程中的温度曲线,虚线为电压曲线,框图为对应热失控副反应的温度范围。此示意图中电池在电压陡降时未发生大规模放热,电池单体热失控中的大规模放热发生在正负极耦合主产热峰处。因此可以认为对于图11中示意的电池单体,隔膜崩溃导致内短路不是电池热失控发生的原因,电池正负极间的剧烈放热反应是热失控的主要原因。
[0113]
在一个实施例中,所述步骤S50中,对所述电池单体实施热失控的定量评价需要使用电池单体绝热热失控的测试数据。如附图12所示,可以用电池在绝热热失控中的3个特征温度对电池的热失控安全性进行评价,即电池的自产热起始温度T1,电池的热失控起始温度 T2,以及电池的热失控最高温度T3。在进行电池单体的绝热热失控测试时,仪器会进行台阶式升温,当检测到电池开始自发产生热量时进入绝热模式,单体自身产热不断积累,最终引发热失控。所述自产热起始温度T1,即为开始检测到电池自生热的温度;所述热失控起始温度T2为电池升温速率达到一定阈值的温度,通常可以将阈值温度设定为10℃/分钟;所述热失控最高温度T3即为电池在绝热热失控过程中的最高温度,通常由电池的总焓变与电池比热容决定。
[0114]
对电池热失控安全性的定量评价标准如下:T1越低,电池越容易发生自生热,电池安全性越差;T2越低,电池在自生热后越容易引发热失控,电池安全性越差;T3越低,电池在热失控后造成的危害越小,电池的安全性越好。
[0115]
本申请中根据所述特征值定量的评价所述待测电池单体的热失控安全性。对于不同类型与材料体系的电池,可以用统一的一组或多组定量指标来评价其热失控特性。且定量评价指标(即本申请中提到的所述待测试电池的特征值)与单体电池热失控内部过程直接相关,可以给电池热安全性的改进指出明确的方向。
[0116]
在一个实施例中,所述特征值还包括:所述待测试动力电池发生热失控过程中的最大温升速率、第一时间段以及第二时间段。从所述绝热热失控测试曲线中获取,从所述待测电池单体自产热开始到所述待测电池单体热失控开始的时间记为所述第一时间段。从所述绝热热失控测试曲线中获取,从所述待测电池单体热失控开始到所述待测电池单体达到热失控过程最高温度的时间记为所述第二时间段。
[0117]
本实施例中还包括,获取所述标准电池发生热失控过程中的最大温升速率参考值。所述标准电池发生热失控过程中的第一时间段参考值和第二时间段参考值。
[0118]
本实施例中还包括,根据所述绝热热失控测试曲线,生成所述待测电池单体的温度-温度变化率的变化曲线。从所述温度-温度变化率的变化曲线中获取所述待测电池单体的所述最大温升速率、所述第一时间段和所述第二时间段。
[0119]
根据所述特征值定量的评价所述待测电池单体的热失控安全性,包括:
[0120]
所述最大温升速率小于所述最大温升速率的参考值,则所述待测电池热失控安全性高于所述标准电池的热失控安全性。所述第一时间段大于所述第一时间段参考值,则所述待测电池热失控安全性高于所述标准电池的热失控安全性。所述第二时间段大于所述第二时间段参考值,则所述待测电池热失控安全性高于所述标准电池的热失控安全性。
[0121]
本实施例中,提供所述最大温升速率、所述第一时间段和所述第二时间段作为另外三种所述特征值。通过所述最大温升速率、所述第一时间段和所述第二时间段来评价电池单体的热失控安全性的。电池单体在热失控过程中所述最大温升速率越小,电池单体的安全性越高。电池单体在热失控过程中所述第一时间段和所述第二时间段越长,电池单体越不容易发生热失控,或者说在发生热失控之前越容易预防,电池单体的热失控安全性越高。
[0122]
在一个具体的实施例中以上述六种特征值为例,综合分析所述待测电池单体的热失控安全性。由于电池单体内置传感器(可以是热电偶)最接近电池材料在热失控过程中的真实温度,因此使用电池内置传感器测量温度数据的所述特征值(所述第一温度T1、所述第二温度T2、所述最高温度T3、所述最大温升速率dT/dt、所述第一时间段t1和所述第二时间段t2) 作为电池热安全性定量评价的指标,是较为合理并且准确的。具体的,电池单体热失控的评价方法可以参照以下:
[0123]
T1越低,电池单体越容易发生自生热,电池单体安全性越差。T1数值即为电池自生热安全性的定量评价指标。T2越低,电池单体在自生热后越容易引发热失控,电池单体安全性越差。T2数值即为电池热失控安全性的定量评价指标。T3越低,电池单体在热失控后造成的危害越小,电池单体的安全性越好。T3数值即为电池热失控危害性的定量评价指标。
[0124]
dT/dt越小,电池单体在热失控后造成的危害越小,热量越不易传导至周边电池或其它可燃物,电池单体的安全性越好。dT/dt数值即为电池热失控危害性的定量评价指标。t1越长,电池单体在自生热后发展成热失控所需的时间越长,热量累积速度慢,电池单体的安全性越好。t2越长,电池单体在热失控后达到热失控最高温度所需的时间越长,热失控能量释放速度慢,电池单体的安全性越好。t1、t2数值即为电池热失控热量积累速度与能量释放速度的定量评价指标。
[0125]
本实施例中,上述定量评价指标即本申请中提到的所述待测试电池的特征值。本实施例中,使用电池单体内置传感器(比如热电偶)测量所述特征值,根据所述特征值实现对不同电池单体的热安全性的评价。
[0126]
在一个实施例中,可以综合上述六种特征值对电池热安全性定量评价的过程中,根据所述特征值定量的评价所述待测电池单体的热失控安全性,还包括,通过以下步骤中的一种或多种评价所述待测电池单体的热失控安全性的高低:
[0127]
通过所述第一温度减去所述第一参考温度的差值的绝对值的大小用于定量评价所述待测电池单体的热失控安全性的高低;或者
[0128]
通过所述第二温度减去所述第二参考温度的差值的绝对值的大小用于定量评价所述待测电池单体的热失控安全性的高低;或者
[0129]
通过所述第三参考温度减去所述最高温度的差值的绝对值的大小用于定量评价所述待测电池单体的热失控安全性的高低;或者
[0130]
通过所述最大温升速率的参考值减去所述最大温升速率的差值的绝对值的大小用于定量评价所述待测电池单体的热失控安全性的高低;或者
[0131]
通过所述第一时间段的长度减去所述第一时间段参考值的长度的差值的绝对值的大小用于定量评价所述待测电池单体的热失控安全性的高低;或者
[0132]
通过所述第二时间段的长度减去所述第二时间段参考值的长度的差值的绝对值的大小用于定量评价所述待测电池单体的热失控安全性的高低。
[0133]
本实施例中,通过将六种特征值进行定量的评价所述待测电池单体的热失控安全性的高低。比如,参照其他的电池评价方法可能够得出所述待测试电池会比另外一块电池(或者是参考电池)的安全性好,但无法得知热失控特性在哪些方面表现的更好,也无法知道热失控特性的某一个性能具体好了多少。
[0134]
本实施例中,可以具体得知,如:从自生热温度的角度,所述待测电池相比于另外一块电池(或者是参考电池)有20℃的提升。
[0135]
本实施例中,提供的定量评价方法,还可以给电池的安全性改进提供指导方向。比如通 过本申请的方法得知,所述待测电池的自生热温度差,就可以专注于提高所述待测试电池的自生热温度。具体提高所述待测试电池的自生热温度的方法可以包括找新材料替代、通过一些包覆方法或者调整电解液的方法来实现,但也并不仅仅限于以上的调节方法。
[0136]
本申请还提供一种动力电池热失控安全性综合评价系统。所述系统包括:定性评价子系统、定量评价子系统和综合评价结果输出子系统。所述定性评价子系统包括:热特性参数获取模块、电池材料热失控特性数据库建立模块、电池单体模型建立模块以及热失控评价模块。
[0137]
所述热特性参数获取模块用于对多种电池材料分别进行热特性测试以获得所述多种电池材料的热特性参数。所述电池材料热失控特性数据库建立模块用于基于所述热特性参数对多种电池材料分别进行反应动力学分析建立电池材料热失控特性数据库。所述电池单体模型建立模块用于从所述电池材料热失控特性数据库中选取正极材料、负极材料、隔膜材料和电解液材料组成电池单体模型。所述热失控评价模块用于对所述电池单体模型的热失控特性进行定性评价。
[0138]
所述定量评价子系统包括:绝热装置、电压采集装置、温度检测装置以及控制装置。
[0139]
所述绝热装置用于为电池单体提供绝热条件。一组或多组所述电压采集装置设置于所述待测电池极耳处用于测试所述电池单体的电压。一个或多个所述温度检测装置设置于所述电池单体的内部或外表面用于测试所述电池单体的温度。所述控制装置与所述多组电压采集装置和所述多个温度检测装置分别电连接用于根据所述电池单体的温度和电压生成绝热热失控测试曲线以及用于评价所述电池单体的热失控安全性。
[0140]
所述综合评价结果输出子系统包括:数据获取装置、数据分析装置以及结果输出装置。
[0141]
所述数据获取装置,用于获取所述电池材料的性能分析图、所述热失控特性数据库和所述绝热热失控测试曲线;还用于获取标准电池的特征值,并绘制所述电池单体热失控副反应温度序列图。所述数据分析装置,用于实现所述电池单体之间的数据对比,或者是所述电池单体与所述标准电池之间的数据对比。所述结果输出装置,用于将所述数据分析装置的数据对比结果输出。
[0142]
本实施例中,所述动力电池热失控安全性综合评价系统中各个子系统,以及各个子系统中各个装置的结构并不限定,可以是任意能够实现上述功能的结构。
[0143]
本申请还可以提供一种计算机设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
[0144]
本申请还可以提供一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法的步骤。
[0145]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程,是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中,该计算机程序在执行时,可包括如上述各方法的实施例的流程。其中,本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用,均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限,RAM以多种形 式可得,诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
[0146]
最后,还需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0147]
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

权利要求书

[权利要求 1]
一种动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于,包括: S10,提供电池材料,并对所述电池材料进行成分分析、形貌分析、结构分析以及表面和界面分析中的一种或多种,以得到所述电池材料的性能分析图; S20,提供正极片、负极片、隔膜和电解液,并对分别所述正极片、所述负极片、所述隔膜、所述电解液和上述材料组合形成的样品进行热特性分析和反应动力学分析,以得到热失控特性数据库; S30,提供电池单体,并对所述电池单体进行绝热热失控测试,以得到所述电池单体的绝热热失控测试曲线; S40,根据所述电池材料的性能分析图、所述热失控特性数据库和所述绝热热失控测试曲线绘制所述电池单体热失控副反应温度序列图,以实现对所述电池单体热失控的定性评价;以及 S50,从所述绝热热失控测试曲线中,获取所述电池单体的特征值,以实现对所述电池单体热失控的定量评价,其中,所述特征值包括:所述电池单体自身开始产热时的第一温度、所述电池单体内部大规模放热开始时的第二温度和所述电池单体在热失控过程中的最高温度。
[权利要求 2]
如权利要求1所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于,提供电池材料的具体步骤包括: 通过拆解电池单体获得所述电池材料,或者通过拆解纽扣电池获得所述电池材料; 通过拆解电池单体获得所述电池材料的具体步骤包括: 使用充放电设备调整所述电池单体的荷电状态至指定数值,所述指定数值包括0%-100%; 在手套箱或者干房中,将电池卷芯与外壳分离,并取出所述电池卷芯; 使用密封容器将所有所述电池卷芯转移至手套箱,使用绝缘陶瓷剪刀,取一定量的正极极片、负极极片和隔膜作为电池材料半成品,并使用绝缘容器分别保存; 根据测试需要,对所述电池材料半成品进行洗涤和浸泡,浸泡完成之后取出所述电池材料半成品,而后在手套箱惰性气氛内进行干燥,干燥后再次使用绝缘容器分别保存; 根据表征方法的需要制备所述电池材料,所述电池材料可以为固体或溶液; 通过拆解纽扣电池获得所述电池材料的具体步骤包括: 使用充放电设备调整所述纽扣电池的荷电状态至指定数值,所述指定数值包括0%-100%; 在手套箱中对所述纽扣电池进行拆解; 取出所述纽扣电池中的正极极片、负极极片和隔膜作为电池材料半成品,使用绝缘容器分别保存所述电池材料半成品; 根据测试需要,对所述电池材料半成品进行洗涤和浸泡,浸泡完成之后取出所述电池材料半成品,而后在手套箱惰性气氛内进行干燥,干燥后再次使用绝缘容器分别保存; 根据表征方法的需要制备所述电池材料,所述电池材料可以为固体或溶液。
[权利要求 3]
如权利要求1所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于, 在实施所述热特性分析时,采用差示扫描量热仪或者绝热加速量热仪。
[权利要求 4]
如权利要求1所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于,所述待测电池单体包括软包电池、方形电池或者圆柱形电池中的任意一种。
[权利要求 5]
如权利要求1所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于,在所述绝热热失控测试进行前,对所述待测电池单体进行充电或放电操作,以使得所述待测电池单体调整至指定的荷电状态。
[权利要求 6]
如权利要求1所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于, 通过气象色谱-质谱、离子色谱、等离子发射光谱、傅里叶红外光谱、X射线荧光光谱或者能谱分析中的任意一种或多种方法,对所述电池材料进行元素成分分析; 通过扫描电镜分析或者透射电镜分析的方法,对所述电池材料的形貌分析; 通过X射线衍射谱分析或者核磁共振谱分析的方法对所述电池材料的结构分析; 通过X射线光电子能谱分析或者飞行时间二次离子质谱分析的方法对所述电池材料的表面分析。
[权利要求 7]
如权利要求1所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于,所述步骤S20中,所述热特性分析包括:从密封设置的手套箱中取用保存的所述电池材料; 在惰性气体环境中按照测试需要制备进行热稳定性测试的样品,并放入测试容器;所述样品包括单独的正极、负极、隔膜或电解液;所述样品还包括正极+电解液的耦合样品、负极+电解液的耦合样品、正极+负极的耦合样品、隔膜+电解液的耦合样品或正极+负极+电解液的耦合样品; 使用绝热加速量热仪、差示扫描量热仪或其它量热仪对所述样品的热特性进行测试,并记录所述样品在热失控过程中的温度变化数据。
[权利要求 8]
如权利要求7所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于,所述步骤S20中,所述反应动力学分析包括:主反应确认、动力学参数拟合和动力学参数数据库建立三个部分;其中,所述动力学参数拟合包括以下步骤: 将所述样品放入差示扫描量热测试坩埚; 使用差示扫描量热仪对样品进行恒升温扫描速率的测试; 改变扫描速率,重复多次所述使用差示扫描量热仪对样品进行恒升温扫描速率的测试的步骤,以得到多组不同扫描速率的恒升温速率热特性曲线; 基于化学反应动力学方程,结合所述恒升温速率热特性曲线中的数据,拟合各主反应的反应动力学基本参数,其中各主反应的反应动力学基本参数至少包括活化能、前向因子与反应焓。
[权利要求 9]
如权利要求8所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于,所述反应动力学分析中,所述动力学参数数据库建立的步骤包括: 建立所述样品的热特性数据条目; 确认存储所述样品的基本信息; 确认对所述样品进行测试的测试时间、使用的仪器型号、使用坩埚型号以及温升速率; 确认对所述样品实时测试前的原始数据; 确认原始数据的处理结果、不同温升速率曲线的温度峰位置、以及不同峰值的反应动力学参数;以及 将以上全部数据条目保存至所述动力学参数数据库。
[权利要求 10]
如权利要求1所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于,所述步骤S30中,对所述电池单体进行绝热热失控测试具体包括: 选取电池单体; 确认温度条件和电压条件,确认环境条件可满足绝热状态; 在所述待测电池单体的外表面和内部分别设置一个或多个温度检测装置,在所述待测电池单体的极耳处连接电压采集装置;以及 对所述待测电池单体实施绝热热失控测试,并记录热失控过程中的电池单体电压和热失控过程中的电池单体温度,以生成所述绝热热失控测试曲线。
[权利要求 11]
如权利要求10所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于,在所述待测电池单体的外表面和内部分别设置一个或多个温度检测装置,在所述待测电池单体的极耳处连接电压采集装置的步骤包括: 在干房或者手套箱中对所述待测电池单体部分拆解,以便于布置温度检测装置; 提供保护层,所述保护层对所述温度检测装置进行保护; 对所述待测电池进行二次密封设置,并在密封后的所述待测电池的极耳处设置一组或多组电压采集装置。
[权利要求 12]
如权利要求1所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于,所述步骤S40中,绘制所述电池单体热失控副反应温度序列图,以实现对所述电池单体热失控的定性评价的步骤具体包括: 从所述性能分析图中,确认所述电池单体正极相变产氧开始的温度; 从所述热失控特性数据库中,确认电池内首个界面开始失去热稳定性反应的起始温度、最高温度与终止温度; 从所述热失控特性数据库中,确认负极与电解液反应峰的起始温度、最高温度与终止温度; 从所述热失控特性数据库中,确认正极第一个分解反应峰的起始温度、最高温度与终止温度; 从所述热失控特性数据库中,确认正负极混合后主产热峰的起始温度; 从所述热失控特性数据库中,确认隔膜开始分解与完全崩溃的温度; 从所述绝热热失控测试曲线中,确认电池大规模内短路开始的温度; 从所述绝热热失控测试曲线中,确认电池大规模放热开始的温度;以及 根据所述温度参数和达到所述温度参数的时间,绘制所述电池单体的热失控副反应温度序列图,对所述电池单体的热失控特性进行定性评价。
[权利要求 13]
如权利要求1所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于,还包括: 提供标准电池,以及与所述标准电池对应的第一参考值、第二参考值和第三参考值,其 中,所述标准电池开始产热时的温度为所述第一参考温度、所述标准电池内部大规模放热开始时的温度为所述第二参考温度、所述标准电池在热失控过程中的最高温度为所述第三参考温度; 将所述电池单体的所述第一温度、所述第二温度和所述最高温度,分别与所述标准电池的所述第一参考温度、所述第二参考温度和所述第三参考温度进行对比; 若某一个所述电池单体的所述第一温度小于所述第一参考温度,则所述电池单体的热失控安全性低于所述标准电池的热失控安全性; 若某一个所述电池单体的所述第二温度小于所述第二参考温度,则所述电池单体的热失控安全性低于所述标准电池的热失控安全性; 若某一个所述电池单体的所述最高温度小于所述第三参考温度,则所述电池单体的热失控安全性高于所述标准电池的热失控安全性。
[权利要求 14]
如权利要求13所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于,通过所述第一温度减去所述第一参考温度的差值的绝对值的大小来定量评价不同的所述电池单体的热失控安全性的高低; 通过所述第二温度减去所述第二参考温度的差值的绝对值的大小来定量评价不同的所述电池单体的热失控安全性的高低;或者 通过所述最高温度减去所述第三参考温度的差值的绝对值的大小来定量评价不同的所述电池单体的热失控安全性的高低。
[权利要求 15]
如权利要求13所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于,所述步骤S30之后还包括: 根据所述绝热热失控测试曲线,生成所述电池单体的温度-温度变化率的变化曲线; 从所述温度-温度变化率的变化曲线中获取所述电池单体的所述最大温升速率; 所述特征值包括:所述待测试动力电池发生热失控过程中的最大温升速率;所述标准电池发生热失控过程中的最大温升速率参考值; 所述S50中,实现对所述电池单体热失控的定量评价,还包括: 若某一个所述电池单体的所述最大温升速率小于所述最大温升速率的参考值,则所述待测电池热失控安全性高于所述标准电池的热失控安全性。
[权利要求 16]
如权利要求15所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于,通过所述最大温升速率的参考值减去所述最大温升速率的差值的绝对值的大小来定量评价不同的所述电池单体的热失控安全性的高低。
[权利要求 17]
如权利要求15所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于,所述步骤S30之后还包括: 从所述绝热热失控测试曲线中获取,从所述电池单体自产热开始到所述电池单体热失控开始的时间记为所述第一时间段;以及 从所述绝热热失控测试曲线中获取,从所述电池单体热失控开始到所述电池单体达到热失控过程最高温度的时间记为所述第二时间段; 所述特征值包括:所述待测试电池单体的所述第一时间段和所述第二时间段;所述标准 电池发生热失控过程中的第一时间段参考值和第二时间段参考值; 所述S50中,实现对所述电池单体热失控的定量评价,还包括: 若某一个所述电池单体的所述第一时间段大于所述第一时间段参考值,则所述待测电池热失控安全性高于所述标准电池的热失控安全性; 若某一个所述电池单体的所述第二时间段大于所述第二时间段参考值,则所述待测电池热失控安全性高于所述标准电池的热失控安全性;
[权利要求 18]
如权利要求17所述的动力电池热失控安全性综合评价方法,其特征在于,通过所述第一时间段的长度减去所述第一时间段参考值的长度的差值的绝对值的大小来定量评价不同的所述电池单体的热失控安全性的高低;或者 通过所述第二时间段的长度减去所述第二时间段参考值的长度的差值的绝对值的大小来定量评价不同的所述电池单体的热失控安全性的高低。
[权利要求 19]
一种动力电池热失控安全性综合评价系统,其特征在于,所述系统包括:定性评价子系统、定量评价子系统和综合评价结果输出子系统; 所述定性评价子系统包括: 热特性参数获取模块,用于对多种电池材料分别进行热特性测试,以获得所述多种电池材料的热特性参数; 电池材料热失控特性数据库建立模块,用于基于所述热特性参数对多种电池材料分别进行反应动力学分析,建立电池材料热失控特性数据库; 电池单体模型建立模块,用于从所述电池材料热失控特性数据库中选取正极材料、负极材料、隔膜材料和电解液材料,组成电池单体模型;以及 热失控评价模块,用于对所述电池单体模型的热失控特性进行定性评价; 所述定量评价子系统包括: 绝热装置,用于为电池单体提供绝热条件; 一组或多组电压采集装置,设置于所述待测电池极耳处,用于测试所述电池单体的电压; 一个或多个温度检测装置,设置于所述电池单体的内部或外表面,用于测试所述电池单体的温度; 控制装置,与所述多个电压采集装置和所述多个温度检测装置分别电连接,用于根据所述电池单体的温度和电压,生成绝热热失控测试曲线,以及用于评价所述电池单体的热失控安全性; 所述综合评价结果输出子系统包括: 数据获取装置,用于获取所述电池材料的性能分析图、所述热失控特性数据库和所述绝热热失控测试曲线;还用于获取标准电池的特征值; 数据分析装置,用于实现所述电池单体之间的数据对比,或者是所述电池单体与所述标准电池之间的数据对比;以及 结果输出装置,用于将所述数据分析装置的数据对比结果输出。
[权利要求 20]
一种计算机设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-18中任一项所述方法的步骤。

附图

[ 图 1]  
[ 图 2]  
[ 图 3]  
[ 图 4]  
[ 图 5]  
[ 图 6]  
[ 图 7]  
[ 图 8]  
[ 图 9]  
[ 图 10]  
[ 图 11]  
[ 图 12]