一种基于电池材料燃烧度的事故电池分析方法及装置与流程

1.本发明属于电池热安全领域，具体涉及一种基于电池材料燃烧度的事故电池分析方法及装置。


背景技术：

2.目前，常用的电化学储能体系，如锂离子电池储能体系存在安全隐患，无法从本质上保证使用安全性。大电池具有更大的体积、更高的储存电量、更多的活性材料，因而更容易触发其起火燃烧。锂离子电池作为一个封闭体系在安全阀破裂后变为一个半封闭体系，内部大量可燃物质喷出后在电池外发生燃烧，由于电池内部氧含量较低，随着内部压力逐渐减小，电池火就会逐渐熄灭。研究表明，电池热失控燃烧后不但有很高的热危险性，还会产生有毒气体，并且燃烧后的电池若不妥善处理还会造成二次危害。
3.鉴于此，为了及时避免事故电池的二次危害，需要针对不同规格电池进行定量的危险性评价，以对事故电池进行有效的分析防止二次危害；然现有技术还无法进行定量的危险性评价，无法有效的进行事故电池的分析处理，二次危害发生概率较大。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于电池材料燃烧度的事故电池分析方法及装置，能够定量评估不同体系电池热失控后电池内部材料可燃性的大小，提高对事故电池内部材料成分以及危险性的认知，以便更合理的处理或储存事故电池，解决了现有技术无法对事故电池进行有效的分析的技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.第一方面，本发明提供一种基于电池材料燃烧度的事故电池分析方法，包括：
7.通过实验计算电池中各物质的燃烧热；
8.结合实际监测的总热释放量q2对各物质的燃烧热进行修正，获得负极修正系数k2；
9.根据负极修正系数k2对事故电池进行分类。
10.本发明进一步的改进在于：所述通过实验计算电池中各物质的燃烧热的步骤具体包括：
11.通过拆解电池，计算电池内各物质的质量，所述物质包括：正极、负极、隔膜、电解液、集流体和外壳；
12.利用氧弹量热仪依照公式(1)-(2)计算电池内各物质的燃烧热，根据各物质的燃烧热计算电池的理论总燃烧热q1；
13.q
*
＝m
*
×q*
ꢀꢀꢀ
(1)
14.其中，*代表正极、负极、隔膜；m
*
表示正极、负极或隔膜的质量，单位g；q
*
表示氧弹量热仪测量的正极、负极或隔膜的热值，单位kj/g；
15.q
电解液
＝δh
电解液
×m电解液
ꢀꢀꢀ
(2)
16.δh
电解液
(kj/g)＝33.800c 144.153h-18.019o
ꢀꢀꢀ
(3)
17.m
电解液
为电解液的质量，单位g；c、h、o表示每克电解质中碳、氢、氧的质量，单位g；
18.q1＝q
正极
q
负极
q
隔膜
q
电解液
ꢀꢀꢀ
(4)。
19.本发明进一步的改进在于：所述结合实际监测的总热释放量q2对各物质的燃烧热进行修正，获得负极修正系数k2的步骤具体包括：
20.添加修正系数k1、k2、k3对公式(4)进行修正：
21.q2＝k1q
正极
k2q
负极
q
隔膜
q
电解液
q
氧气
ꢀꢀꢀ
(5)
22.q
氧气
＝13.1(kj/g)
×
k3m
正极
ꢀꢀꢀ
(6)
23.其中：q2为利用基于氧消耗原理的锥形量热仪计算电池热失控过程的热释放速率并积分得到总热释放量；k1、k2、k3分别为正极修正系数、负极修正系数和氧气修正系数。
24.本发明进一步的改进在于：对于铁锂电池，k1＝k3＝0。
25.本发明进一步的改进在于：对于三元电池，k1＝0，氧气修正系数k3根据热重实验结果确定，k3＝-a；a为热重实验中正极的质量损失百分比。
26.本发明进一步的改进在于：所述结合实际监测的总热释放量q2对各物质的燃烧热进行修正，获得负极修正系数k2的步骤还包括：
27.采用海拔修正系数k4对公式(5)进行修正：
28.k4q2＝k1q
正极
k2q
负极
q
隔膜
q
电解液
q
氧气
ꢀꢀꢀ
(7)
[0029][0030]
k1、k3、k4代入公式(7)计算得到k2为负极的燃烧程度：
[0031]
得到
[0032]
本发明进一步的改进在于：所述根据负极修正系数k2对事故电池进行分类的步骤具体包括：
[0033]
按照负极修正系数k2将事故电池分为三类：
[0034]
第一类：负极修正系数k2≤20％；
[0035]
第二类：20％＜负极修正系数k2≤50％；
[0036]
第三类：负极修正系数k2＞50％。
[0037]
第二方面，本发明提供一种基于电池材料燃烧度的事故电池分析装置，包括：
[0038]
实验模块，用于通过实验计算电池中各物质的燃烧热；
[0039]
修正模块，用于结合实际监测的总热释放量q2对各物质的燃烧热进行修正，获得负极修正系数k2；
[0040]
分类模块，用于根据负极修正系数k2对事故电池进行分类。
[0041]
本发明进一步的改进在于：实验模块通过实验计算电池中各物质的燃烧热的步骤具体包括：
[0042]
通过拆解电池，计算电池内各物质的质量，所述物质包括：正极、负极、隔膜、电解液、集流体和外壳；
[0043]
利用氧弹量热仪依照公式(1)-(2)计算电池内各物质的燃烧热，根据各物质的燃烧热计算电池的理论总燃烧热q1；
[0044]q*
＝m
*
×q*
ꢀꢀꢀ
(1)
[0045]
其中，*代表正极、负极、隔膜；m
*
表示正极、负极或隔膜的质量，单位g；q
*
表示氧弹量热仪测量的正极、负极或隔膜的热值，单位kj/g；
[0046]q电解液
＝δh
电解液
×m电解液
ꢀꢀꢀ
(2)
[0047]
δh
电解液
(kj/g)＝33.800c 144.153h-18.019o
ꢀꢀꢀ
(3)
[0048]m电解液
为电解液的质量，单位g；c、h、o表示每克电解质中碳、氢、氧的质量，单位g；
[0049]
q1＝q
正极
q
负极
q
隔膜
q
电解液
ꢀꢀꢀ
(4)
[0050]
修正模块结合实际监测的总热释放量q2对各物质的燃烧热进行修正，获得负极修正系数k2的步骤具体包括：
[0051]
添加修正系数k1、k2、k3对公式(4)进行修正：
[0052]
q2＝k1q
正极
k2q
负极
q
隔膜
q
电解液
q
氧气
ꢀꢀꢀ
(5)
[0053]q氧气
＝13.1(kj/g)
×
k3m
正极
ꢀꢀꢀ
(6)
[0054]
其中：q2为利用基于氧消耗原理的锥形量热仪计算电池热失控过程的热释放速率并积分得到总热释放量；k1、k2、k3分别为正极修正系数、负极修正系数和氧气修正系数；
[0055]
采用海拔修正系数k4对公式(5)进行修正：
[0056]
k4q2＝k1q
正极
k2q
负极
q
隔膜
q
电解液
q
氧气
ꢀꢀꢀ
(7)
[0057][0058]
k1、k3、k4代入公式(7)计算得到k2为负极的燃烧程度：
[0059]
得到
[0060]
本发明进一步的改进在于：分类模块根据负极修正系数k2对事故电池进行分类的步骤具体包括：
[0061]
按照负极修正系数k2将事故电池分为三类：
[0062]
第一类：负极修正系数k2≤20％；
[0063]
第二类：20％＜负极修正系数k2≤50％；
[0064]
第三类：负极修正系数k2＞50％。
[0065]
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0066]
本发明一种基于电池材料燃烧度的事故电池分析方法及装置，通过实验计算不同体系电池中各物质的燃烧热；结合实际监测的总热释放量q2对各物质的燃烧热进行修正，获得负极修正系数k2；通过负极修正系数k2评估事故电池的可燃性与危险性以进行分类，在储存或处理中采取合适的储存与处理方案，防止二次危害。
[0067]
本发明能够定量评估不同体系电池热失控后电池内部材料可燃性的大小，提高对事故电池内部材料成分以及危险性的认知，以便更合理的处理或储存事故电池，解决了现有技术无法对事故电池进行有效的分析的技术问题。
附图说明
[0068]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0069]
图1为本发明一种基于电池材料燃烧度的事故电池分析方法的流程示意图；
[0070]
图2为三元材料ncm111的tg/dta图谱；
[0071]
图3为本发明一种基于电池材料燃烧度的事故电池分析装置的框图。
具体实施方式
[0072]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0073]
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
[0074]
实施例1
[0075]
请参阅图1所示，本发明提供一种基于电池材料燃烧度的事故电池分析方法，包括以下步骤：
[0076]
s1、通过实验计算电池中各物质的燃烧热；
[0077]
s11、首先通过拆解电池，计算电池内各物质的质量，所述物质包括：正极、负极、隔膜、电解液、集流体和外壳；
[0078]
s12、利用氧弹量热仪依照公式(1)-(2)计算电池内各物质的燃烧热，根据各物质的燃烧热计算电池的理论总燃烧热q1。
[0079]q*
＝m
*
×q*
ꢀꢀꢀ
(1)
[0080]
其中，*代表正极、负极、隔膜，m
*
表示正极、负极或隔膜的质量(单位g)，q
*
表示氧弹量热仪测量的正极、负极或隔膜的热值(单位kj/g)；
[0081]q电解液
＝δh
电解液
×m电解液
ꢀꢀꢀ
(2)
[0082]
δh
电解液
(kj/g)＝33.800c 144.153h-18.019o
ꢀꢀꢀ
(3)
[0083]m电解液
为电解液的质量(单位g)；c、h、o表示每克电解质中碳、氢、氧的质量(单位g)；
[0084]
q1＝q
正极
q
负极
q
隔膜
q
电解液
ꢀꢀꢀ
(4)
[0085]
s2、结合实际监测的总热释放量q2对各物质的燃烧热进行修正：
[0086]
实际发生热失控过程中由于电池本身是个半封闭装置，内部电极材料燃烧不完全，并且三元材料高温下会产生氧气。因此对公式4进行修正。添加修正系数k1、k2、k3。
[0087]
q2＝k1q
正极
k2q
负极
q
隔膜
q
电解液
q
氧气
ꢀꢀꢀ
(5)
[0088]q氧气
＝13.1(kj/g)
×
k3m
正极
ꢀꢀꢀ
(6)
[0089]
其中：q2为利用基于氧消耗原理的锥形量热仪计算电池热失控过程的热释放速率并积分得到总热释放量。对铁锂电池，既不析氧，也不燃烧，k1＝k3＝0；对三元电池来说，不燃烧但高温下会析氧，k1＝0，具体数值k3可根据热重实验结果确定；例如350℃时正极材料失重3.93％，即k3＝-3.93％。
[0090]
同时空气温度、湿度、气压条件也会影响热失控后电池材料燃烧的程度。温度与湿度相互影响，电池燃尽时间(τ)与环境氧浓度(cf)成反比关系。高海拔、低气压将使环境氧浓度降低，并使燃尽时间延长。海拔每增加100米，氧含量减少0.16％。湿度对于燃速(mm/s)的影响系数为0.006904，可忽略不计，因此对上述公式(5)进行修正。k4为海拔h(单位，米)下，电池燃烧产热修正系数。
[0091]
k4q2＝k1q
正极
k2q
负极
q
隔膜
q
电解液
q
氧气
ꢀꢀꢀ
(7)
[0092][0093]
k1、k3、k4代入公式(7)计算得到k2为负极的燃烧程度：
[0094]
因此得到
[0095]
请参阅图2所示，通过对电池的温度监测以及tg/dta测试定量计算正极产氧量；本方法剖析了氧含量对于电池燃烧过程产热和燃烧产物的影响，更接近实际实验结果；
[0096]
以磷酸铁锂电池及ncm111电池为例计算结果如下表所示：
[0097]
电池型号k1k2k3k4lfp磷酸铁锂028.259％01ncm111三元电池040.177％-8.693％1
[0098]
s3、根据实际计算获得的负极修正系数k2对事故电池进行分类：
[0099]
负极修正系数k2表示事故电池中负极的损失质量，损失质量越小，证明未燃烧的负极材料越多，二次危害越大；本发明按照负极修正系数k2将事故电池分为三类：
[0100]
第一类：负极修正系数k2≤20％；
[0101]
第二类：20％＜负极修正系数k2≤50％；
[0102]
第三类：负极修正系数k2＞50％。
[0103]
三类电池的二次危害程度不同，第一类二次危害最大，第二类二次危害次之，第三类二次危害较小；三类电池根据二次危害程度进行分析后，进行不同的保存或者处理，降低各类电池的二次危害。第一类电池应迅速进行浸没式降温处理防止发生复燃，第二类电池在常温冷却至室温后可对部分负极进行回收处理，第三类电池原则上已经不具备复燃危险性，可延时处理。
[0104]
实施例2
[0105]
请参阅图3所示，本发明提供一种基于电池材料燃烧度的事故电池分析装置，包括：
[0106]
实验模块，用于通过实验计算电池中各物质的燃烧热；
[0107]
修正模块，用于结合实际监测的总热释放量q2对各物质的燃烧热进行修正，获得负极修正系数k2；
[0108]
分类模块，用于根据负极修正系数k2对事故电池进行分类。
[0109]
具体实施中，实验模块通过实验计算电池中各物质的燃烧热的步骤具体包括：
[0110]
通过拆解电池，计算电池内各物质的质量，所述物质包括：正极、负极、隔膜、电解液、集流体和外壳；
[0111]
利用氧弹量热仪依照公式(1)-(2)计算电池内各物质的燃烧热，根据各物质的燃烧热计算电池的理论总燃烧热q1；
[0112]q*
＝m
*
×q*
ꢀꢀꢀ
(1)
[0113]
其中，*代表正极、负极、隔膜；m
*
表示正极、负极或隔膜的质量，单位g；q
*
表示氧弹量热仪测量的正极、负极或隔膜的热值，单位kj/g；
[0114]q电解液
＝δh
电解液
×m电解液
ꢀꢀꢀ
(2)
[0115]
δh
电解液
(kj/g)＝33.800c 144.153h-18.019o
ꢀꢀꢀ
(3)
[0116]m电解液
为电解液的质量，单位g；c、h、o表示每克电解质中碳、氢、氧的质量，单位g；
[0117]
q1＝q
正极
q
负极
q
隔膜
q
电解液
ꢀꢀꢀ
(4)
[0118]
修正模块结合实际监测的总热释放量q2对各物质的燃烧热进行修正，获得负极修正系数k2的步骤具体包括：
[0119]
添加修正系数k1、k2、k3对公式(4)进行修正：
[0120]
q2＝k1q
正极
k2q
负极
q
隔膜
q
电解液
q
氧气
ꢀꢀꢀ
(5)
[0121]q氧气
＝13.1(kj/g)
×
k3m
正极
ꢀꢀꢀ
(6)
[0122]
其中：q2为利用基于氧消耗原理的锥形量热仪计算电池热失控过程的热释放速率并积分得到总热释放量；k1、k2、k3分别为正极修正系数、负极修正系数和氧气修正系数；
[0123]
采用海拔修正系数k4对公式(5)进行修正：
[0124]
k4q2＝k1q
正极
k2q
负极
q
隔膜
q
电解液
q
氧气
ꢀꢀꢀ
(7)
[0125][0126]
k1、k3、k4代入公式(7)计算得到k2为负极的燃烧程度：
[0127]
得到
[0128]
具体实施中，分类模块根据负极修正系数k2对事故电池进行分类的步骤具体包括：
[0129]
按照负极修正系数k2将事故电池分为三类：
[0130]
第一类：负极修正系数k2≤20％；
[0131]
第二类：20％＜负极修正系数k2≤50％；
[0132]
第三类：负极修正系数k2＞50％。
[0133]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
[0134]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0135]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0136]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指
令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0137]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0138]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。