一种锂离子电池过充安全性能的热电检测方法及其装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种锂离子电池过充安全性能的热电检测方法，包括：建立锂离子电池的电荷守恒模型、质量守恒模型和电化学反应动力学模型；仿真锂离子电池的电性能与电化学性能；仿真锂离子电池的产热过程获取温度变化仿真曲线；对锂离子电池进行充电与过充电，测量锂离子电池实际的温度变化曲线与电压变化曲线；设定温度与电压阈值，将温度变化曲线与温度阈值及温度变化仿真曲线比较，并将电压变化曲线与电压阈值进行比较，检测锂离子电池的过充安全性能。本发明将锂离子电池的热效应、电化学性能联系起来，配合理论热模型提供了一种快速的锂离子电池过充安全性能的热电检测方法。本发明还公开了一种锂离子电池过充安全性能的热电检测装置。
【专利说明】一种锂离子电池过充安全性能的热电检测方法及其装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及锂离子电池性能检测，尤其涉及一种锂离子电池过充安全性能的热电检测方法及其装置。
【背景技术】
[0002]锂离子电池的广泛应用大大造福了人们的日常生活，其安全性能越来越受到广泛关注。目前商品化的锂离子电池大多使用易燃的有机电解液，具有潜在的危险性，如:可燃性、易着火性和可爆炸性。在设计或者制造中，如果存在一些潜在的结构缺陷，就可能造成严重的安全事故，即使是小的手机电池也可能引发火灾甚至爆炸，对于以锂离子电池作为动力源的电动汽车，安全问题更加需要重视。然而近年来，锂离子电池安全性能的相关检验方法几乎一成不变，“检不出、检不准、检不快”的问题在锂离子电池安全性能检验领域尤其突出。
[0003]目前，应用最广泛的国际标准是IEC(国际电工委员会)的锂离子电池标准。根据各自需求，国际航空运输协会(IATA)、联合国危险货物运输专家委员会以及国际民用航空组织(ICAO)等也制定了相关的锂离子电池运输安全标准，并得到广泛应用。除此之外，世界上多个国家国内组织制定的关于锂电池的安全标准也有广泛影响，如UL1642 (美国UL检测室)、IEEE(美国电气及电子工程师学会)、JIS(日本国家标准)的相关标准。我国的国家标准针对锂离子电池的安全性也有较多的规定，如:GB/T18287-2000《蜂窝电话用锂离子电池总规范》、SN/T1414.3-2004《进出口蓄电池安全检验方法第3部分:锂离子蓄电池》等。
[0004]通过梳理以上国内外标准，可以发现，现行标准从机械、环境、电性能等各方面考察锂离子电池的安全性，其共性之一是都注意到了用电池温度表征电池能量状态所代表的危险程度，却很少将其转化为实用的量化标准来分辨电池的安全等级，仍然只能用电池的爆炸、起火、冒烟、泄漏、破裂、变形等来区分。就算少数标准以电池表面最高温度是否符合限值来进行合格判定。由于检测中电池不同位置的温差可达20K以上，采用热电偶的单点测温可能由于布点位置的不同，而造成结果的偏差，不利于检出存在潜在危险性的锂离子电池。
【发明内容】
[0005]本发明克服了现有技术中上述缺陷，提出了涉及一种锂离子电池过充安全性能的热电检测方法及其装置。
[0006]本发明提出了一种锂离子电池过充安全性能的热电检测方法，包括如下步骤:
[0007]步骤一:获取一个待检测的锂离子电池，采用多孔介质均匀化理论简化所述锂离子电池中电极的复杂孔隙结构，建立锂离子电池在工作过程中遵循的电荷守恒模型、质量守恒模型和电化学反应动力学模型；
[0008]步骤二:根据所述模型仿真所述锂离子电池在充电与过充电过程中的电性能与电化学性能；所述电性能包括电流密度分布(A/mm2)和电压分布(V);所述电化学性能包括电化学反应速率分布(mol.s.mm3)、锂离子浓度分布(mol/mm3)和熵分布(V/K))；
[0009]步骤三:基于所述锂离子电池工作过程中电子导电、离子导电、接触电阻、电化学反应以及熵变化所产生的电池内能变化，建立锂离子电池工作过程中的的热学模型，对所述锂离子电池的产热过程进行三维仿真，获取温度变化仿真曲线；
[0010]步骤四:对所述锂离子电池进行充电与过充电，测量在充电与过充电过程中所述锂离子电池实际的温度变化曲线以及电压变化曲线；
[0011]步骤五:设定热电检测中的温度阈值与电压阈值，将所述温度变化曲线与所述温度阈值及所述温度变化仿真曲线比较，并将所述电压变化曲线与所述电压阈值比较，检测所述锂离子电池的过充安全性能。
[0012]若所述温度变化曲线与所述温度变化仿真曲线吻合，且所述温度变化曲线未超过所述温度阈值，所述电压变化曲线未超过所述电压阈值，则判断所述锂离子电池符合安全性能要求；
[0013]若所述温度变化曲线与所述温度变化仿真曲线不吻合，但所述温度变化曲线未超过所述温度阈值，所述电压变化曲线未超过所述电压阈值，则判断所述锂离子电池符合存在内部不均匀的缺陷；
[0014]若所述温度变化曲线与所述温度变化仿真曲线不吻合且所述温度变化曲线超过所述温度阈值，或者所述电压变化曲线超过所述电压阈值，则判断所述锂离子电池不符合安全性能要求。
[0015]本发明提出的所述锂离子电池过充安全性能的热电检测方法中，在电解质中，正、负离子为导电电荷，且电解质溶液为浓溶液，所述电荷守恒模型以如下公式表示:
【权利要求】
1.一种锂离子电池过充安全性能的热电检测方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一:获取一个待检测的锂离子电池，采用多孔介质均匀化理论简化所述锂离子电池中电极的复杂孔隙结构，建立锂离子电池在工作过程中遵循的电荷守恒模型、质量守恒模型和电化学反应动力学模型； 步骤二:根据所述模型仿真所述锂离子电池在充电与过充电过程中的电性能与电化学?生倉泛; 步骤三:基于所述锂离子电池工作过程中电子导电、离子导电、接触电阻、电化学反应以及熵变化所产生的电池内能变化，建立锂离子电池工作过程中的的热学模型，对所述锂离子电池的产热过程进行三维仿真，获取温度变化仿真曲线； 步骤四:对所述锂离子电池进行充电与过充电，测量在充电与过充电过程中所述锂离子电池实际的温度变化曲线以及电压变化曲线； 步骤五:设定热电检测中的温度阈值与电压阈值，将所述温度变化曲线与所述温度阈值及所述温度变化仿真曲线比较，并将所述电压变化曲线与所述电压阈值比较，检测所述锂离子电池的过充安全性能。
2.如权利要求1所述的锂离子电池过充安全性能的热电检测方法，其特征在于， 在电解质中，正、负离子为导电电荷，且电解质溶液为浓溶液，所述电荷守恒模型以如下公式表示:
3.如权利要求1所述的锂离子电池过充安全性能的热电检测方法，其特征在于， 在电解质中，锂离子在浓度梯度作用下扩散，所述质量守恒模型以如下公式表示:
4.如权利要求1所述的锂离子电池过充安全性能的热电检测方法，其特征在于，在电极活性材料颗粒与电解质界面的电化学反应动力模型以如下公式表示:.Ll K i0 f faF λ 「{\-a)F Il
5.如权利要求1所述的锂离子电池过充安全性能的热电检测方法，其特征在于，所述热学模用于描述在锂离子电池工作过程中的温度发生变化，所述热学模型以如下公式表示:
6.如权利要求1所述的锂离子电池过充安全性能的热电检测方法，其特征在于，步骤三中，获取温度变化仿真曲线包括如下步骤: 步骤bl:分析所述锂离子电池中产生热量的多个热源； 步骤b2:分别计算每个热源在充电与过充电过程中的产热量； 步骤b3:将所述产热量叠加，得到所述锂离子电池在充电与过充电过程中热源的总产热量(q); 步骤b4:根据所述热学模型与所述总产热量仿真所述锂离子电池的温度变化，得到所述温度变化仿真曲线。
7.如权利要求5或6所述的锂离子电池过充安全性能的热电检测方法，其特征在于，所述热源包括由电子导电、电解质中离子导电和接触电阻产生的电阻产热、由电极活性材料表面电化学反应产生的反应产热、以及电极活性材料表面由于电化学反应导致的熵变产热，所述热源的总产热量以如下公式表示；
8.如权利要求1所述的锂离子电池过充安全性能的热电检测方法，其特征在于，所述锂离子电池的过充安全性能的判断包括: 若所述温度变化曲线与所述温度变化仿真曲线吻合，且所述温度变化曲线未超过所述温度阈值，所述电压变化曲线未超过所述电压阈值，则判断所述锂离子电池符合安全性能要求； 若所述温度变化曲线与所述温度变化仿真曲线不吻合，但所述温度变化曲线未超过所述温度阈值，所述电压变化曲线未超过所述电压阈值，则判断所述锂离子电池符合存在内部不均匀的缺陷； 若所述温度变化曲线与所述温度变化仿真曲线不吻合且所述温度变化曲线超过所述温度阈值，或者所述电压变化曲线超过所述电压阈值，则判断所述锂离子电池不符合安全性能要求。
9.一种锂离子电池过充安全性能的热电检测装置，其特征在于，包括: 充放电单元，其与锂离子电池电气连接，用于对所述锂离子电池进行放电、充电或过充电: 温度测量单元，其用于测量所述锂离子电池在充电与过充电过程中的温度，得到温度变化曲线； 电性能测量单元，其用于测量所述锂离子电池在充电与过程点过程中的电压变化曲线.数据对比与处理单元，其用于根据电荷守恒模型、质量守恒模型、电化学反应动力学模型与热学模型对所述锂离子电池的充电与过充电过程进行仿真得到温度变化仿真曲线，将所述温度变化曲线与设定的温度阈值及所述温度变化仿真曲线比较，并将所述电压变化曲线与设定的电压阈值比较，检测所述锂离子电池的过充安全性能。
10.如权利要求9所述的锂离子电池过充安全性能的热电检测装置，其特征在于，所述温度测量单元为红外热像仪，其采集所述锂离子电池的温度分布图像来测量所述锂离子电池的温度，并按照时间绘制所述锂离子电池的温度变化曲线。
【文档编号】G01R31/36GK104035048SQ201410280758
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】段冀渊, 严波, 杨荣静, 李计融, 张琳, 王涛, 沈波, 寿晓立, 陈维嘉 申请人:上海出入境检验检疫局工业品与原材料检测技术中心