一种二次电池用阻燃材料的性能评估方法及评估系统与流程

本发明涉及电化学电源和储能领域，具体为涉及一种二次电池用阻燃材料的性能评估方法及评估系统。
背景技术：
：随着社会的发展，环境问题日益引起人类的重视，发展清洁能源以取代传统化石能源变得势在必行，二次电池作为一种新型的清洁高能电源,广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统以及电动工具、军事装备和航空航天的多个领域，对环境的改善有很大的推动作用。然而在使用过程中，二次电池存在安全隐患，在某些极端情况或滥用情况下(如过充电、高温、针刺、短路、跌落、撞击等)会发生热失控，瞬间释放出大量能量，并伴随有燃烧或爆炸现象的产生，二次电池的热失控不仅会对周围的设备或人员造成伤害，而且还会对附近成组的其他二次电池造成冲击和损坏，严重时引起其他电池也发生危险产生热失控连锁反应。近年来，二次电池燃烧爆炸现象的不断发生，为了降低二次电池在使用过程中的危险系数，阻燃材料以其特殊的阻燃隔热特性逐渐被应用到二次电池的安全防护中。现有的阻燃材料大多以片状形式直接置于二次电池周围，一方面，由于缺乏对二次电池热失控状态及后果的性能测定，无法准确得到电池热失控后电池表面附近产生的最大热量，不能有效阻止热失控产生的火焰和高温；另一方面，因为阻燃材料的厚度和重量较大，不仅造成了材料的浪费，而且使得阻燃材料在电池组中占据空间较大；因此，现有技术难以实现对二次电池用阻燃材料的可靠选择，二次电池的热失控危险系数高。技术实现要素：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种二次电池用阻燃材料的性能评估方法；在确定二次电池热失控产生热量的基础上，构建综合考虑阻燃材料的效果、厚度和质量等参数的阻燃性能评估方程，实现了对二次电池用阻燃材料的可靠选择，降低了二次电池热失控的危险系数。本发明通过以下技术方案实现：一种二次电池用阻燃材料的性能评估方法，其包括如下步骤：(1)于绝热环境下，确定未装设阻燃材料的二次电池在热失控条件下产生的热量q；(2)确定产生1.1-2.0倍所述热量q时的燃烧气体的用量；(3)用所述用量的气体燃烧阻燃材料；(4)构建阻燃性能评估方程。优选的，所述步骤(1)包括：1)确定未装设阻燃材料的二次电池的初始质量m0和比热容cp0；2)对设有温度传感器的所述电池过充，分别记录过充前后电池表面初始温度t0和最高温度tm；3)根据q＝cp0m0(tm－t0)确定热量q。优选的，所述温度传感器的数目为2-10个，分别对应设置于二次电池一面的2-10个点，其中的一个点位于所述电池一面的中心，其余各点为以所述中心为圆心、半径大于该二次电池两侧的距离所形成的圆周上。优选的，所述温度传感器通过温度采集装置与数据处理系统连接；所述温度采集装置包括信号调理模块、多路选择a/d采集模块、主控模块及通信模块，所述信号调理模块、多路选择a/d采集模块、主控模块及通信模块之间依次串联连接。优选的，所述步骤(3)中具体包括：以装设所述用量的气体燃料的喷枪对阻燃材料喷射火焰，记录阻燃材料两侧的温度。优选的，所述喷射火焰的压力和流速分别为0.1-3mpa和1-300ml/min。优选的，按下述方程y评估阻燃性能:y＝ja+kb+lc式中：a-阻燃效果参数，b-阻燃厚度参数，c-阻燃质量参数；j、k、l分别为阻燃效果、厚度和质量参数的权重系数，j+k+l＝1。优选的，根据阻燃材料未产生火焰时两侧的温度差△t和产生火焰时的持续时间t确定阻燃效果参数a。优选的，按下式确定阻燃厚度参数b：式中：与电池的厚度有关的α-厚度调整指数，单位/mm；d-阻燃材料厚度，单位/mm。优选的，按下式确定阻燃质量参数c：式中：与电池的质量有关的β-电池质量基数，单位/g；γ-质量调整指数，单位/g；mz-阻燃材料质量，单位/g。一种用于二次电池的阻燃材料的性能评估系统，包括：热量计算模块，用于在绝热环境下，确定未装设阻燃材料的二次电池在热失控条件下产生的热量q；喷枪，其内部装设有气体燃料，所述气体燃料燃烧时所产生的热量为q；存储器，用于记录喷枪内气体燃料的用量；评估模块，用于构建阻燃性能评估方程，从而对阻燃材料的性能进行评估。优选的，热量计算模块，用于通过下式确定热量q：q＝cp0m0(tm－t0)式中，m0、cp0分别为未装设阻燃材料的二次电池的初始质量和比热容；t0、tm分别为对设有温度传感器的电池进行过充前、后电池表面的初始温度、最高温度。优选的，所述温度传感器的数目为2-10个，分别对应设置于二次电池一面的2-10个点，其中的一个点位于所述电池一面的中心，其余各点位于以所述中心为圆心、直径大于该二次电池两侧的距离所形成的圆周上。优选的，所述温度传感器通过温度采集装置与数据处理系统连接；所述温度采集装置包括信号调理模块、多路选择a/d采集模块、主控模块及通信模块，所述信号调理模块、多路选择a/d采集模块、主控模块及通信模块之间依次串联连接。优选的，存储器，还用于记录喷枪对阻燃材料喷射火焰时阻燃材料未产生火焰时两侧的温度、两侧的温度差△t和产生火焰时的火焰持续时间t。优选的，评估模块，用于通过下式的阻燃性能评估方程确定阻燃性能评价分数y:y＝ja+kb+lc式中：a-阻燃效果参数，b-阻燃厚度参数，c-阻燃质量参数，所述y越高表示阻燃性能越好；j、k、l分别为阻燃效果、厚度和质量参数的权重系数，j+k+l＝1。优选的，评估模块包括：阻燃效果计算模块，用于根据阻燃材料未产生火焰时两侧的温度差△t和产生火焰时的火焰持续时间t确定阻燃效果参数a；阻燃厚度计算模块，用于通过下式确定阻燃厚度参数b：式中：α-与电池的厚度有关的厚度调整指数，单位/mm；d-阻燃材料厚度，单位/mm；阻燃质量计算模块，用于通过下式确定阻燃质量参数c：式中：β-与电池的质量有关的电池质量基数，单位/g；γ-质量调整指数，单位/g；mz-阻燃材料质量，单位/g。与最接近的现有技术比，本发明具有如下有益效果：1、本发明提供的技术方案，根据绝热环境下未装设阻燃材料的二次电池在热失控条件下产生的热量q和产生所述热量q时燃烧气体的气体用量间的关系，并用构建阻燃性能方程的方法，实现了用于二次电池的阻燃材料的阻燃性能的准确评估，从而大大降低了二次电池热失控的危险系数。2、本发明提供的技术方案，综合考虑了二次电池用阻燃材料的效果、厚度和质量，在提高二次电池的阻燃性能的前提下，大大减小了阻燃材料在二次电池中的体积分数和质量份数，为电池组内部体积和能量密度的增加提升空间，实现了电池内部阻燃材料的优化选择。3、本发明提供的技术方案，方法简单且易于操作。附图说明图1为本发明一种二次电池用阻燃材料的性能评估方法的流程框图；图2为本发明实例1的硬包装二次电池表面温度传感器布置图；图3为本发明实例2的软包装二次电池表面温度传感器布置图。具体实施方式下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明：以长度为a、宽度为b、厚度为c,a>b>c的二次电池为例对本发明提供的阻燃材料的性能评估方法作如下具体说明：1、确定电池热失控下产生的热量：(1)用1c-3c电流倍率的电池充放电仪将未装设阻燃材料的二次电池的soc荷电状态调整至50-100％，并称量，记为m0；(2)在“mcp”模式下，用绝热加速量热仪测定未装设阻燃材料的二次电池的比热容cp，记为cp0；(3)于未装设阻燃材料的二次电池表面设置温度传感器，在绝热环境下以2-5c电流倍率过充，记录二次电池表面最高温度tm和电池表面初始温度t0，并按式q＝cp0m0(tm－t0)计算电池产生的热量q；所述温度传感器的数目为2-10个，分别对应设置于二次电池一面的2-10个点，其中的一个点位于所述电池一面的中心，其余各点位于以所述中心为圆心、直径大于该二次电池两侧的距离所形成的圆周上；所述温度传感器通过温度采集装置与数据处理系统连接；所述温度采集装置包括信号调理模块、多路选择a/d采集模块、主控模块及通信模块，所述信号调理模块、多路选择a/d采集模块、主控模块及通信模块之间依次串联连接；2、燃烧气体燃料，记录产生所述热量时所需气体燃料用量；3、以所述用量的气体燃料燃烧阻燃材料：于边长为8-12cm的正方形的阻燃材料的两侧中心位置设置温度传感器，用装填所述用量的气体燃料的喷枪对阻燃材料一侧以外焰加热方式喷射火焰，于压力0.3-0.60mpa、流速125ml/min-165ml/min下喷射所述阻燃材料，记录阻燃材料的燃烧情况及阻燃材料两侧温度传感器的温度4、评估方法：(1)确定阻燃参数1)根据阻燃材料未产生火焰时两侧的温度差△t和产生火焰时的持续时间t确定阻燃效果参数a，具体如下表：2)按下式确定阻燃厚度参数b：式中：b—电池阻燃厚度参数；α—与电池的厚度有关的厚度调整指数，选取数值10，单位/mm；d—阻燃材料厚度，单位/mm。3)按下式确定阻燃质量参数c：式中：c—电池阻燃质量参数；β—与电池的质量有关的电池质量基数，选取数值120，单位/g；γ—质量调整指数，选取数值10,单位/g；mz—阻燃材料质量，单位/g。(2)根据确定的阻燃材料的阻燃参数，按下述方程评估阻燃性能:y＝ja+kb+lc式中：a-阻燃效果参数，b-阻燃厚度参数，c-阻燃质量参数，y-阻燃材料评价分数，分数越高，阻燃材料的阻燃性能级别越高，阻燃性能越优；j、k、l分别为阻燃效果、厚度和质量参数的权重系数，j+k+l＝1。一种用于二次电池的阻燃材料的性能评估系统，包括：热量计算模块，用于在绝热环境下，确定未装设阻燃材料的二次电池在热失控条件下产生的热量q；喷枪，其内部装设有气体燃料，所述气体燃料燃烧时所产生的热量为q；存储器，用于记录喷枪内气体燃料的用量；评估模块，用于构建阻燃性能评估方程，从而对阻燃材料的性能进行评估。所述热量计算模块，用于通过下式确定热量q：q＝cp0m0(tm－t0)式中，m0、cp0分别为未装设阻燃材料的二次电池的初始质量和比热容；t0、tm分别为对设有温度传感器的电池进行过充前、后电池表面的初始温度、最高温度。所述温度传感器的数目为2-10个，分别对应设置于二次电池一面的2-10个点，其中的一个点位于所述电池一面的中心，其余各点位于以所述中心为圆心、直径大于该二次电池两侧的距离所形成的圆周上。所述温度传感器通过温度采集装置与数据处理系统连接；所述温度采集装置包括信号调理模块、多路选择a/d采集模块、主控模块及通信模块，所述信号调理模块、多路选择a/d采集模块、主控模块及通信模块之间依次串联连接。所述存储器，还用于记录喷枪对阻燃材料喷射火焰时阻燃材料未产生火焰时两侧的温度、两侧的温度差△t和产生火焰时的火焰持续时间t。所述评估模块，用于通过下式的阻燃性能评估方程确定阻燃性能评价分数y:y＝ja+kb+lc式中：a-阻燃效果参数，b-阻燃厚度参数，c-阻燃质量参数，所述y越高表示阻燃性能越好；j、k、l分别为阻燃效果、厚度和质量参数的权重系数，j+k+l＝1。所述评估模块包括：阻燃效果计算模块，用于根据阻燃材料未产生火焰时两侧的温度差△t和产生火焰时的火焰持续时间t确定阻燃效果参数a；阻燃厚度计算模块，用于通过下式确定阻燃厚度参数b：式中：α-与电池的厚度有关的厚度调整指数，单位/mm；d-阻燃材料厚度，单位/mm；阻燃质量计算模块，用于通过下式确定阻燃质量参数c：式中：β-与电池的质量有关的电池质量基数，单位/g；γ-质量调整指数，单位/g；mz-阻燃材料质量，单位/g。下面以长*宽*高＝a*b*d＝80*55*26mm，电池标定容量10ah的未装填阻燃材料的二次电池和3种阻燃材料1、2和3为例，对本发明的阻燃性能评估方法作进一步详细说明，气体燃料选用甲烷；阻燃性能评估方法包括如下步骤：实例一(1)在1c的电流倍率下，用电池充放电仪将未装设阻燃材料的二次电池的soc荷电状态调整至100％，并称量m0＝234g；(2)在“mcp”模式下，用绝热加速量热仪测定未装设阻燃材料的二次电池的比热容cp0＝1.0121j(g·k)-1；(3)于未装设阻燃材料的二次电池表面设置5个温度传感器，分别对应设置于二次电池上面的5个点:p1-p5；p1为电池一面(ab面)的中心，p2、p3、p4和p5分别位于以p1为圆心，以r＝35mm为半径的圆周上,p2：(-20,22),p3：(20,22),p4：(-20,-22)，p5：(20,-22)；p1-p5点对应测量温度分别记为t1-t5，tm＝max(t1,t2,t3,t4,t5)；在绝热环境下以2c电流倍率过充所述二次电池，温度传感器通过温度采集装置与数据处理系统连接，数据采集系统将温度数据传输到计算机或手机，采集的温度数据结果显示：t1＝301.5℃、t2＝193.3℃、t3＝221.8℃、t4＝254.5℃和t5＝418.5℃，故tm＝418.5℃；其中，电池初始温度与室温相同t0＝25℃；按式q＝cp0m0(tm－t0)计算得到电池热失控产生热量q＝93.1932kj。(4)燃烧甲烷气体燃料，记录产生所述热量时所需甲烷气体的物质的量为0.126mol；(5)于尺寸为100mm*100mm阻燃材料1、2和3的两侧中心位置设置温度传感器，在压力0.1mpa、流速1ml/min下，用装有0.126mol甲烷气体的喷枪对阻燃材料1、2和3的一侧以外焰加热方式喷射火焰，当气体释放热量q1＝1.1q＝102.5125kj时，阻燃材料1和2未产生火焰，得出温度传感器两侧温度差分别为38℃和9℃，阻燃材料3产生火焰，用秒表测得火焰在30s内熄灭，且有燃烧物滴落；其中，尺寸为100mm*100mm阻燃材料1、2和3的厚度记为d,质量记为mz；具体数值如下表:阻燃材料编号厚度d(mm)质量mz(g)112.590.0210.042.037.727.8表1(6)根据下表确定阻燃材料1-3的阻燃效果参数a1-a3；得出a1＝9；a2＝6；a3＝4；表2(7)按公式确定阻燃材料的阻燃厚度参数b1＝0.8，b2＝1，b3＝1.30；(8)按公式确定阻燃材料质量参数c1＝3,c2＝7.8，c3＝9.22；(9)根据确定的阻燃材料的阻燃参数，按下述方程评估阻燃性能:y＝0.6a+0.2b+0.2c得出：y1＝6.16,y2＝5.36,y3＝4.50。结论：阻燃材料1的评价分数最高，其阻燃性能级别最高，阻燃性能最优，将阻燃材料1作为二次电池的阻燃材料最合适，这样二次电池热失控的的危险系数最低。3种阻燃材料阻燃性能参数对比如下表：表3实例二(1)在1c的电流倍率下，用电池充放电仪将未装设阻燃材料的二次电池的soc荷电状态调整至100％，并称量m0＝457g；(2)在“mcp”模式下，用绝热加速量热仪测定未装设阻燃材料的二次电池的比热容cp0＝1.3827j(g·k)-1；(3)于未装设阻燃材料的二次电池表面设置5个温度传感器，分别对应设置于二次电池上面的5个点:p1-p5；p1为电池一面(ab面)的中心，p2、p3、p4和p5分别位于以p1为圆心，以r＝40mm为半径的圆周上,p2：(-33,50),p3：(33,50),p4：(-33,50)，p5：(33,-50)；p1-p5点对应测量温度分别记为t1-t5，tm＝max(t1,t2,t3,t4,t5)；在绝热环境下以2c电流倍率过充所述二次电池，温度传感器通过温度采集装置与数据处理系统连接，数据采集系统将温度数据传输到计算机或手机，采集的温度数据结果显示：t1＝297.6℃、t2＝201.3℃、t3＝195.7.8℃、t4＝239.5℃和t5＝302.5℃，故tm＝302.5℃；其中，电池初始温度与室温相同t0＝25℃；按式q＝cp0m0(tm－t0)计算得到电池热失控产生热量q＝175.35kj。(4)燃烧甲烷气体燃料，记录产生所述热量时所需甲烷气体的物质的量为0.197mol；(5)于尺寸为100mm*100mm阻燃材料1、2和3的两侧中心位置设置温度传感器，在压力3mpa、流速300ml/min下，用装有0.197mol甲烷气体的喷枪对阻燃材料1、2和3的一侧以外焰加热方式喷射火焰，当气体释放热量q1＝2.0q＝350.7kj时，阻燃材料1和2未产生火焰，得出温度传感器两侧温度差分别为28℃和6℃，阻燃材料3产生火焰，用秒表测得火焰在30s内熄灭，且有燃烧物滴落；其中，尺寸为100mm*100mm阻燃材料1、2和3的厚度记为d,质量记为mz；具体数值如下表:阻燃材料编号厚度d(mm)质量mz(g)112.590.0210.042.037.727.8表4(6)根据下表确定阻燃材料1-3的阻燃效果参数a1-a3；得出a1＝8；a2＝6；a3＝4；表5(7)按公式确定阻燃材料的阻燃厚度参数b1＝0.8，b2＝1，b3＝1.30；(8)按公式确定阻燃材料质量参数c1＝3,c2＝7.8，c3＝9.22；(9)根据确定的阻燃材料的阻燃参数，按下述方程评估阻燃性能:y＝0.6a+0.2b+0.2c得出：y1＝5.56,y2＝5.36,y3＝4.50。结论：阻燃材料1的评价分数最高，其阻燃性能级别最高，阻燃性能最优，将阻燃材料1作为二次电池的阻燃材料最合适，这样二次电池热失控的的危险系数最低。3种阻燃材料阻燃性能参数对比如下表：表6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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。当前第1页12