一種鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法及其裝置製造方法

2023-05-12 18:20:21

一種鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法及其裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法，包括：建立鋰離子電池的電荷守恆模型、質量守恆模型和電化學反應動力學模型；仿真鋰離子電池的電性能與電化學性能；仿真鋰離子電池的產熱過程獲取溫度變化仿真曲線；對鋰離子電池進行充電與過充電，測量鋰離子電池實際的溫度變化曲線與電壓變化曲線；設定溫度與電壓閾值，將溫度變化曲線與溫度閾值及溫度變化仿真曲線比較，並將電壓變化曲線與電壓閾值進行比較，檢測鋰離子電池的過充安全性能。本發明將鋰離子電池的熱效應、電化學性能聯繫起來，配合理論熱模型提供了一種快速的鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法。本發明還公開了一種鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測裝置。
【專利說明】一種鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法及其裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及鋰離子電池性能檢測，尤其涉及一種鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法及其裝置。
【背景技術】
[0002]鋰離子電池的廣泛應用大大造福了人們的日常生活，其安全性能越來越受到廣泛關注。目前商品化的鋰離子電池大多使用易燃的有機電解液，具有潛在的危險性，如:可燃性、易著火性和可爆炸性。在設計或者製造中，如果存在一些潛在的結構缺陷，就可能造成嚴重的安全事故，即使是小的手機電池也可能引發火災甚至爆炸，對於以鋰離子電池作為動力源的電動汽車，安全問題更加需要重視。然而近年來，鋰離子電池安全性能的相關檢驗方法幾乎一成不變，「檢不出、檢不準、檢不快」的問題在鋰離子電池安全性能檢驗領域尤其突出。
[0003]目前，應用最廣泛的國際標準是IEC(國際電工委員會)的鋰離子電池標準。根據各自需求，國際航空運輸協會(IATA)、聯合國危險貨物運輸專家委員會以及國際民用航空組織(ICAO)等也制定了相關的鋰離子電池運輸安全標準，並得到廣泛應用。除此之外，世界上多個國家國內組織制定的關於鋰電池的安全標準也有廣泛影響，如UL1642 (美國UL檢測室)、IEEE(美國電氣及電子工程師學會)、JIS(日本國家標準)的相關標準。我國的國家標準針對鋰離子電池的安全性也有較多的規定，如:GB/T18287-2000《蜂窩電話用鋰離子電池總規範》、SN/T1414.3-2004《進出口蓄電池安全檢驗方法第3部分:鋰離子蓄電池》等。
[0004]通過梳理以上國內外標準，可以發現，現行標準從機械、環境、電性能等各方面考察鋰離子電池的安全性，其共性之一是都注意到了用電池溫度表徵電池能量狀態所代表的危險程度，卻很少將其轉化為實用的量化標準來分辨電池的安全等級，仍然只能用電池的爆炸、起火、冒煙、洩漏、破裂、變形等來區分。就算少數標準以電池表面最高溫度是否符合限值來進行合格判定。由於檢測中電池不同位置的溫差可達20K以上，採用熱電偶的單點測溫可能由於布點位置的不同，而造成結果的偏差，不利於檢出存在潛在危險性的鋰離子電池。

【發明內容】

[0005]本發明克服了現有技術中上述缺陷，提出了涉及一種鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法及其裝置。
[0006]本發明提出了一種鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法，包括如下步驟:
[0007]步驟一:獲取一個待檢測的鋰離子電池，採用多孔介質均勻化理論簡化所述鋰離子電池中電極的複雜孔隙結構，建立鋰離子電池在工作過程中遵循的電荷守恆模型、質量守恆模型和電化學反應動力學模型；
[0008]步驟二:根據所述模型仿真所述鋰離子電池在充電與過充電過程中的電性能與電化學性能；所述電性能包括電流密度分布(A/mm2)和電壓分布(V);所述電化學性能包括電化學反應速率分布(mol.s.mm3)、鋰離子濃度分布(mol/mm3)和熵分布(V/K))；
[0009]步驟三:基於所述鋰離子電池工作過程中電子導電、離子導電、接觸電阻、電化學反應以及熵變化所產生的電池內能變化，建立鋰離子電池工作過程中的的熱學模型，對所述鋰離子電池的產熱過程進行三維仿真，獲取溫度變化仿真曲線；
[0010]步驟四:對所述鋰離子電池進行充電與過充電，測量在充電與過充電過程中所述鋰離子電池實際的溫度變化曲線以及電壓變化曲線；
[0011]步驟五:設定熱電檢測中的溫度閾值與電壓閾值，將所述溫度變化曲線與所述溫度閾值及所述溫度變化仿真曲線比較，並將所述電壓變化曲線與所述電壓閾值比較，檢測所述鋰離子電池的過充安全性能。
[0012]若所述溫度變化曲線與所述溫度變化仿真曲線吻合，且所述溫度變化曲線未超過所述溫度閾值，所述電壓變化曲線未超過所述電壓閾值，則判斷所述鋰離子電池符合安全性能要求；
[0013]若所述溫度變化曲線與所述溫度變化仿真曲線不吻合，但所述溫度變化曲線未超過所述溫度閾值，所述電壓變化曲線未超過所述電壓閾值，則判斷所述鋰離子電池符合存在內部不均勻的缺陷；
[0014]若所述溫度變化曲線與所述溫度變化仿真曲線不吻合且所述溫度變化曲線超過所述溫度閾值，或者所述電壓變化曲線超過所述電壓閾值，則判斷所述鋰離子電池不符合安全性能要求。
[0015]本發明提出的所述鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法中，在電解質中，正、負離子為導電電荷，且電解質溶液為濃溶液，所述電荷守恆模型以如下公式表示:
【權利要求】
1.一種鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟一:獲取一個待檢測的鋰離子電池，採用多孔介質均勻化理論簡化所述鋰離子電池中電極的複雜孔隙結構，建立鋰離子電池在工作過程中遵循的電荷守恆模型、質量守恆模型和電化學反應動力學模型； 步驟二:根據所述模型仿真所述鋰離子電池在充電與過充電過程中的電性能與電化學?生倉泛; 步驟三:基於所述鋰離子電池工作過程中電子導電、離子導電、接觸電阻、電化學反應以及熵變化所產生的電池內能變化，建立鋰離子電池工作過程中的的熱學模型，對所述鋰離子電池的產熱過程進行三維仿真，獲取溫度變化仿真曲線； 步驟四:對所述鋰離子電池進行充電與過充電，測量在充電與過充電過程中所述鋰離子電池實際的溫度變化曲線以及電壓變化曲線； 步驟五:設定熱電檢測中的溫度閾值與電壓閾值，將所述溫度變化曲線與所述溫度閾值及所述溫度變化仿真曲線比較，並將所述電壓變化曲線與所述電壓閾值比較，檢測所述鋰離子電池的過充安全性能。
2.如權利要求1所述的鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法，其特徵在於， 在電解質中，正、負離子為導電電荷，且電解質溶液為濃溶液，所述電荷守恆模型以如下公式表示:
3.如權利要求1所述的鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法，其特徵在於， 在電解質中，鋰離子在濃度梯度作用下擴散，所述質量守恆模型以如下公式表示:
4.如權利要求1所述的鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法，其特徵在於，在電極活性材料顆粒與電解質界面的電化學反應動力模型以如下公式表示:.Ll K i0 f faF λ 「{\-a)F Il
5.如權利要求1所述的鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法，其特徵在於，所述熱學模用於描述在鋰離子電池工作過程中的溫度發生變化，所述熱學模型以如下公式表示:
6.如權利要求1所述的鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法，其特徵在於，步驟三中，獲取溫度變化仿真曲線包括如下步驟: 步驟bl:分析所述鋰離子電池中產生熱量的多個熱源； 步驟b2:分別計算每個熱源在充電與過充電過程中的產熱量； 步驟b3:將所述產熱量疊加，得到所述鋰離子電池在充電與過充電過程中熱源的總產熱量(q); 步驟b4:根據所述熱學模型與所述總產熱量仿真所述鋰離子電池的溫度變化，得到所述溫度變化仿真曲線。
7.如權利要求5或6所述的鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法，其特徵在於，所述熱源包括由電子導電、電解質中離子導電和接觸電阻產生的電阻產熱、由電極活性材料表面電化學反應產生的反應產熱、以及電極活性材料表面由於電化學反應導致的熵變產熱，所述熱源的總產熱量以如下公式表示；
8.如權利要求1所述的鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測方法，其特徵在於，所述鋰離子電池的過充安全性能的判斷包括: 若所述溫度變化曲線與所述溫度變化仿真曲線吻合，且所述溫度變化曲線未超過所述溫度閾值，所述電壓變化曲線未超過所述電壓閾值，則判斷所述鋰離子電池符合安全性能要求； 若所述溫度變化曲線與所述溫度變化仿真曲線不吻合，但所述溫度變化曲線未超過所述溫度閾值，所述電壓變化曲線未超過所述電壓閾值，則判斷所述鋰離子電池符合存在內部不均勻的缺陷； 若所述溫度變化曲線與所述溫度變化仿真曲線不吻合且所述溫度變化曲線超過所述溫度閾值，或者所述電壓變化曲線超過所述電壓閾值，則判斷所述鋰離子電池不符合安全性能要求。
9.一種鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測裝置，其特徵在於，包括: 充放電單元，其與鋰離子電池電氣連接，用於對所述鋰離子電池進行放電、充電或過充電: 溫度測量單元，其用於測量所述鋰離子電池在充電與過充電過程中的溫度，得到溫度變化曲線； 電性能測量單元，其用於測量所述鋰離子電池在充電與過程點過程中的電壓變化曲線.數據對比與處理單元，其用於根據電荷守恆模型、質量守恆模型、電化學反應動力學模型與熱學模型對所述鋰離子電池的充電與過充電過程進行仿真得到溫度變化仿真曲線，將所述溫度變化曲線與設定的溫度閾值及所述溫度變化仿真曲線比較，並將所述電壓變化曲線與設定的電壓閾值比較，檢測所述鋰離子電池的過充安全性能。
10.如權利要求9所述的鋰離子電池過充安全性能的熱電檢測裝置，其特徵在於，所述溫度測量單元為紅外熱像儀，其採集所述鋰離子電池的溫度分布圖像來測量所述鋰離子電池的溫度，並按照時間繪製所述鋰離子電池的溫度變化曲線。
【文檔編號】G01R31/36GK104035048SQ201410280758
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月20日 優先權日:2014年6月20日
【發明者】段冀淵, 嚴波, 楊榮靜, 李計融, 張琳, 王濤, 沈波, 壽曉立, 陳維嘉 申請人:上海出入境檢驗檢疫局工業品與原材料檢測技術中心