一种锂离子电池热失控元素流解析方法

本发明涉及电池，特别是涉及一种锂离子电池热失控元素流解析方法。

背景技术：

1、锂离子动力电池具有高能量密度、低放电率和长寿命等优点，是新能源汽车和电化学储能系统的核心部件之一。然而，锂离子电池自身比较活跃，在受到机械滥用、电滥用、热滥用、电化学滥用等情况下容易发生热失控，表现为冒烟、喷发、燃烧和爆炸。锂离子电池热失控事故，不仅对车主和乘客造成了严重的经济损失和人身危害，还导致消费者对电动汽车产生了“安全焦虑”，同时阻碍了对电化学储能的大规模推广应用。

2、开展锂离子电池热失控事故诱因调查，可以从本质上厘清锂离子电池热失控触发的原因，并实现对其发生和发展过程进行溯源，进而基于事故原因优化升级电池材料和结构装配，降低事故发生的概率。当前，锂离子电池热失控事故调查大多基于视频分析、宏观形变痕迹变化规律、充放电数据等开展事故溯源，调查工作的核心也是在电池系统内找到最先触发热失控的电池；缺少从机理方面深层次溯源锂离子电池热失控诱因的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种锂离子电池热失控元素流解析方法，以解决上述现有技术存在的问题，可以溯源锂离子电池热失控发生和发展时序，从机理方面解析热失控原因，进而对提升锂离子电池安全性和丰富锂离子电池事故调查方法提供支撑。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种锂离子电池热失控元素流解析方法，包括如下步骤：

4、步骤一，确定锂离子电池失控前电池组分材料各个元素的含量；

5、步骤二，在密闭容器内开展电池的热失控实验，在出气端连接傅里叶红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy，ftir)测试热失控过程中电解液的实时组分和含量；

6、步骤三，开展重复性锂离子电池失控实验，采用不同的诱因触发锂离子电池失控，根据密闭容器压力变化计算电池热失控产气量，收集热失控气体开展气相色谱定性与定量分析，确定热失控产气的组分和含量；

7、步骤四，收集热失控后过程中的喷发颗粒物和失控后剩余物并称重，分别对失控后剩余物及喷发颗粒物开展理化特性分析，确定化合物的组成和元素的含量；

8、步骤五，计算热失控后电解液蒸气、混合气体、剩余物、颗粒物中各个元素的质量，根据赫斯定律，建立锂离子电池在热失控过程中吸热、放热反应的化学反应方程式，对比分析不同诱因下电池内部主要元素的变价规律，建立元素流与热失控诱因之间的联动溯源关系，建立不同诱因下锂电池热失控反应时序、关键元素变价及元素流规律数据库。

9、可选的，步骤一包括电池组分定量分析，将锂离子电池进行拆解，分离电池内部的正极材料、负极材料、隔膜，分别计算正极材料重量、负极材料重量、隔膜重量、铝箔重量、铜箔重量和电解液质量，并根据锂离子电池组分材料的重量和元素组成，计算锂离子电池失控前各个元素的质量。锂离子电池电解液组分确定，将锂离子电池放置于130℃的恒温密闭环境下加热，直至电池质量不在发生变化，此时锂离子电池内部沸点低于130℃的电解液已经全部蒸出，使用滴管收集电解液开展气质联用分析，确定电解液的组分和含量，最后根据元素的比例确定电解液内每一种元素的质量。

10、可选的，步骤二包括锂电池失控过程中电解液的定性与定量分析。将电池在密闭压力容器内开展热失控触发实验，在失控气体排出口连接ftir对热失控过程中初喷产生的电解液组分和含量进行实时在线检测，并最终确定喷发过程中产生电解液蒸气中不同元素的质量。

11、可选的，步骤三包括开展重复性的锂离子电池热失控电池触发实验，将锂离子电池放置于定容压力容器内，采用任意一种方式(与电解液实时采集与确定方式一致)触发锂离子电池热失控，记录热失控过程中压力容器内压力及温度变化，根据理想气体状态方程，计算热失控总产气量。等待定容压力容器内的腔体温度降低至常温时，采用集气袋收集气体，并将收集的气体开展气相色谱定性与定量分析。

12、可选的，步骤四包括，将失控后锂离子电池剩余物外壳切开，从不同的部位采集正负极材料，随后使用碳酸甲乙烯脂(emc)溶剂对材料进行浸润24小时处理，取出材料烘干后放置坩埚内研磨，使用滤网对研磨后的正负极材料过滤后放入密封瓶，最后对样品开展电感耦合等离子体质谱(inductively coupledplasma mass spectrometry，icp-ms)、x射线衍射(x-ray diffraction，xrd)及x射线光电子能谱分析(x-ray photoelectronspectroscopy，xps)测试，根据测试结果，确定三种理化分析方式下的电池组分材料的敏感元素和化合价变价规律，所谓敏感元素就是对理化特性分析方法响应比较敏感的元素；收集失控后的喷发颗粒物，对喷发颗粒物采取同样的清洗、烘干、研磨处理，随后对其开展系列理化特性分析，基于以上实验步骤，通过元素守恒计算，建立热失控诱因、热失控过程和失控后化合物、元素变价的特征关系。

13、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

14、本发明基于赫斯定律解析锂离子电池热失控过程中元素流变化规律，可以帮助事故调查人员以关键变价元素为基础，溯源锂离子电池热失控发生和发展时序，从机理方面解析热失控原因，进而对提升锂离子电池安全性和丰富锂离子电池事故调查方法提供支撑。

技术特征：

1.一种锂离子电池热失控元素流解析方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控元素流解析方法，其特征在于：步骤一包括电池组分定量分析，将锂离子电池进行拆解，分离电池内部的正极材料、负极材料、隔膜，分别计算正极材料重量、负极材料重量、隔膜重量、铝箔重量、铜箔重量和电解液质量，并根据锂离子电池组分材料的重量和元素组成，计算锂离子电池失控前各个元素的质量；其中电解液元素确定需要首先对电解液的组分和含量进行确定，其方法为将锂离子电池放置于130℃的恒温密闭环境下加热，直至电池质量不在发生变化，此时锂离子电池内部沸点低于130℃的电解液已经全部蒸出，使用滴管收集电解液开展气质联用分析，确定电解液的组分和含量，最后根据元素的比例确定电解液内每一种元素的质量。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控元素流解析方法，其特征在于：步骤二包括锂离子电池失控过程中电解液组分确定，将电池在密闭压力容器内开展热失控触发实验，在失控气体排出口连接傅里叶红外光谱对热失控过程中初喷产生的电解液组分和含量进行实时在线检测，并最终确定喷发过程中产生电解液蒸气中不同元素的质量。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控元素流解析方法，其特征在于：步骤三包括开展重复性的锂离子电池热失控电池触发实验，将锂离子电池放置于定容压力容器内，采用任意一种方式触发锂离子电池热失控，记录热失控过程中压力容器内压力及温度变化，根据理想气体状态方程，计算热失控总产气量；等待定容压力容器内的腔体温度降低至常温时，采用集气袋收集气体，并将收集的气体开展气相色谱定性与定量分析。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控元素流解析方法，其特征在于：步骤四包括，将失控后锂离子电池剩余物外壳切开，从不同的部位采集正负极材料，随后使用碳酸甲乙烯脂溶剂对材料进行浸润24小时处理，取出材料烘干后放置坩埚内研磨，使用滤网对研磨后的正负极材料过滤后放入密封瓶，最后对样品开展电感耦合等离子体质谱、x射线衍射及x射线光电子能谱分析测试，根据测试结果，确定三种理化分析方式下的电池组分材料的敏感元素和化合价变价规律，所谓敏感元素就是对理化特性分析方法响应比较敏感的元素；收集失控后的喷发颗粒物，对喷发颗粒物采取同样的清洗、烘干、研磨处理，随后对其开展系列理化特性分析，基于以上实验步骤，通过元素守恒计算，建立热失控诱因、热失控过程和失控后化合物、元素变价的特征关系。

技术总结
本发明公开一种锂离子电池热失控元素流解析方法，涉及电池领域；包括：一，确定电池失控前电池组分材料中各个元素的含量；二，开展热失控实验，测试热失控过程喷出的电解液实时组分和含量；三，电池失控后，收集热失控产生的气体开展气相色谱定性与定量分析，确定热失控产气的组分和含量；四，分别对失控后剩余物及喷发颗粒物开展理化特性分析，确定化合物的组成和元素的含量；五，基于赫斯定律进行元素守恒计算，建立锂离子电池在热失控过程中吸热、放热反应的化学反应方程式，获取不同诱因热失控反应过程中关键元素变价规律对比分析不同诱因触发热失下的元素流特征。本发明可以溯源锂离子电池热失控发生和发展时序，从机理方面解析热失控原因。

技术研发人员：王淮斌,李阳,赵艳红,周文,孙均利,王世林,李奕彤,裴苑翔,许乐俊
受保护的技术使用者：中国人民警察大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12