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1、锂电池热安全与热管理测试解决方案杭州仰仪科技有限公司邱文泽(微信同号)qiuwenzezi-yi-com2用心感知 精确传递请输入标题(思源字体)Contents2.锂电池单体热失控测试3.锂电池热管理参数测试1.背景介绍4.公司介绍3用心感知 精确传递背景介绍锂离子电池是实现化石能源代替、“碳中和”、“碳达峰”的重要保障;我国目前拥有全球最为完善的锂电池产业链,已成为动力电池生产和消费的第一大国;第四次工业革命对电动化和智能化的加速推进使锂离子电池拥有前所未有的广阔市场。新能源汽车航空航天3C电子储能电站4用心感知 精确传递锂电池安全性和性能衰减问题是行业的关注重点n锂
2、电池失效(图片来自于网络)大量废旧电池造成环境污染与资源浪费背景介绍5用心感知 精确传递2.锂电池热管理参数测试整体解决方案1.锂电池单体热失控测试整体解决方案探究电池单体安全边界与失效危害提供准确的基础性参数,优化热管理设计n 解决方案组成与定位背景介绍6用心感知 精确传递请输入标题(思源字体)Contents2.锂电池单体热失控测试3.锂电池热管理参数测试1.背景介绍4.公司介绍7用心感知 精确传递锂电池单体热失控测试电池材料极片电池单体小型模组 材料热安全性测试u 电池材料热稳定性 Tonset、dT/dt、Qru 电解液安全性u 热滥用 HWS、等速扫描u 电滥用过充、过放、内外短路u
3、 机械滥用针刺、挤压 单体热稳定性测试热失控产气测试u 产气成分 在线测试、离线测试u 产气过程产气量、产气速率u 气体爆炸性 LFL、Pmax、燃烧速率 闪点、蒸气压、最小点火能参考UL9540A、UL1973、SAE J2464、GB/T 36276等测试标准n 单体热失控测试平台8用心感知 精确传递真空泵氮气氩气压力监测温度监测摄像头/热像仪集气罐过滤器机械滥用电滥用热滥用氧浓度监测测试罐爆炸极限测试GC离线检测FTIR在线检测气氛模拟热失控诱发与监测气体收集与分析爆炸压力测试电解液闪点电解液蒸气压电池材料热稳定性n 单体热失控综合测试平台材料安全性评估 锂电池单体热失控测试9用心感知
4、精确传递锂电池单体热失控测试单体热稳定性测试n 热滥用测试 BAC-420A大型电池绝热量热仪 BAC-90A小型电池绝热量热仪H-W-S阶段绝热追踪阶段TonsetTvTTRTmaxTonset热失控温升曲线TTR热失控dT/dt-T曲线TvtQ=m*Cp*(TTR-Tonset)l 自放热起始温度Tonset 0.02 oC/minl 泄压温度Tv l 热失控起始温度TTR 1 oC/s、1 oC/min l 热失控孕育时间tl 热失控孕育能量Q l 热失控孕育热量释放速率q=dQ/dt孕育时间特征温度释放能量 锂电池热稳定性特征参数HWS模式10用心感知 精确传递锂电池单体热失控测试单体
5、热稳定性测试电池类型:方形硬壳正极材料:磷酸铁锂电池容量:305 Ah实验模式:HWS模式热失控温升曲线注:TTR判断条件:dTdt=60minTonset/105.9TV/136.3TTR/235.3Tmax/493.2Tad/387.3(dTdt)max/(min)318.6n 热滥用测试 HWS模式温升速率-温度曲线11用心感知 精确传递锂电池单体热失控测试单体热稳定性测试n 热滥用测试 HWS模式温升速率-温度曲线热失控温升曲线电池热失控前质量/g热失控后质量/g质量损失率 /%190Ah2578.03515.7280.0160Ah2499.141161.2553.5电池类型:方形硬壳
6、正极材料:NCM811电池容量:190Ah实验模式:HWS模式190Ah160Ah12用心感知 精确传递锂电池单体热失控测试单体热稳定性测试n 热滥用测试 HWS模式160Ah NCM811190Ah NCM81113用心感知 精确传递TvTTRTmaxTTRTv热失控温升曲线热失控dT/dt-T曲线 等速扫描模式显著提高测试效率;HWS模式更灵敏,可以更好地反映电池热失控的整个过程,更适合机理研究。dT/t=5oC/min锂电池单体热失控测试单体热稳定性测试n 热滥用测试 扫描模式14用心感知 精确传递n 电滥用测试 NCM电池过充热失控温升曲线NCM电池连续充放电热失控温升曲线锂电池单体热
7、失控测试单体热稳定性测试15用心感知 精确传递n 机械滥用测试 305Ah LPF方形电池针刺热失控温升曲线Tv锂电池单体热失控测试单体热稳定性测试16用心感知 精确传递n 产气压力/产气量/产气速率锂电池单体热失控测试热失控电池产气测试电池密封测试罐=161压升速率-温度曲线产气速率-温度曲线Tonset/140.4Tmax/493.2(dTdt)max/(min)318.6Pmax/MPa2.12(ddt)max/(min)2.54(ddt)max/SLPM335.3电池类型:方形硬壳正极材料:磷酸铁锂电池容量:160Ah实验模式:HWS模式17用心感知 精确传递n 大尺寸耐压型电池绝热量
8、热仪锂电池单体热失控测试单体热稳定性测试u 腔体体积适应刀片电池等大型电池单体的几何尺寸u 耐压能力耐受大容量高镍电池的产气压力与爆炸冲击u 检测能力检测灵敏度、追踪速率等核心指标满足需求18用心感知 精确传递(a)(c)(d)(b)n 气体爆炸性样气浓度20%30%40%35%32.5%测试结果未点燃未点燃点燃并爆炸点燃并爆炸点燃并爆炸=100V11+V22+V33+V%Lechteillier公式:32.5%40%35%30%HWP21-30S爆炸极限测试仪可采用直接收集电池热失控产气或人工配气两种方式进行实验。人工配气更合理,但成本较高;温度、压力对LFL影响相对有限,常温常压测试结果可
9、作为高温高压LFL的参考。常压爆炸极限混合气体理论LFL计算参照ASTM E681、GB/T 12474等标准锂电池单体热失控测试热失控电池产气测试19用心感知 精确传递n 气体爆炸性极限氧浓度参照GB/T 38301、GB/T 12474等标准极限空气浓度LAC=Xair,L=35.89%极限氧浓度LOC=LAC 0.209=7.50%简易流程:锂电池单体热失控测试热失控电池产气测试20用心感知 精确传递n 气体爆炸性 FCL-100A 高温高压爆炸极限测试仪UL9540A-2019标准要求高温高压爆炸下限LFL(p,T)、最大爆炸压力Pmax(p,T)LFL(p,T)Pmax(p,T)气体
10、样品人工配制人工配制测试温度常温/泄压温度常温初始压力常压常压电池产气爆炸曲线(50oC,常压,样气浓度20%)常温下爆炸增压一般为初始压力5-8倍,高温下可能超过10倍;Pmax一般在化学计量比附近,可以参考此浓度点进行配气。参照UL9540A(ASTM E918/EN 15967)蒸 汽 发 生 装 置锂电池单体热失控测试热失控电池产气测试21用心感知 精确传递锂电池单体热失控测试热失控电池产气测试n 气体爆炸性多组分电池喷发物质燃爆特性研究1.电解液蒸气/电池产气爆炸压力测试2.电池热失控喷发物原位爆炸测试3.电解液蒸气/电池产气/粉尘燃爆特性测试22用心感知 精确传递n 气体爆炸性气体
11、燃烧速率Su参照UL9540A(ISO 817)FPV-1200A型气体燃烧速率测试仪13.5%17.0%31.0%35.0%火焰底部横截面积火焰冠表面积火焰传播速率燃烧速率其中:锂电池单体热失控测试热失控电池产气测试23用心感知 精确传递锂电池单体热失控测试材料热安全性测试n 电池材料热稳定性In EC/DEC solventElectrochem.Commun.,6(2004)3943;J.Electrochem.Soc.,152(3)A566-A569(2005)u 不同正极材料u 不同电解质 TAC-500A 绝热加速量热仪克级测试温度&压力数据DSC毫克级测试仅温度数据24用心感知
12、精确传递n 电解液安全性电解液样品 闪点31.1oC FP CC-420A微量连续闭口闪点仪 VP TE-1000A微量蒸气压测定仪样品名测定值/kPa参考值/kPa差值/kPaD11.401.460.06D25.445.60.16D33.493.590.1025 oC下不同电解液蒸气压测试结果D2电解液蒸气压随温度变化电解液闪点测试曲线10款电解液闪点值电解液样品闪点/蒸气压十余种电解液的闪点值在5-40oC之间,室温、微小能量激发下易发生闪燃;电解液蒸气压对热失控特定阶段下单体电池压力升高具有一定贡献。锂电池单体热失控测试材料热安全性测试25用心感知 精确传递闪点仪与最小点火能测试仪联用样
13、品点火能5.9mJ3.5mJ1.6mJ0.69mJ0.28mJS1YN-S2YYN-S3YYYYN注:表中符号“-”表示未进行测试,“N”表示电解液未被成功引燃,“Y”表示电解液成功被引燃最小点火能n 电解液安全性锂电池单体热失控测试材料热安全性测试26用心感知 精确传递请输入标题(思源字体)Contents2.锂电池单体热失控测试3.锂电池热管理参数测试1.背景介绍4.公司介绍27用心感知 精确传递锂电池热管理参数测试热管理参数测试比热容导热系数l 电池单体比热容l 软包、硬壳单体导热系数测定热仿真所需关键参数,研究模组、Pack热失控扩散机制换热系数l 电芯、导热板、冷板换热系数l 绝热量
14、热l 等温量热n 测试内容充放电产热热物性参数28用心感知 精确传递n 充放电产热功率补偿等温量热原理attery()=()()attery=01attery()电池比放热量总放热量Q=反应热Qr+焦耳热Qj+极化热Qp+副反应热Qs可逆部分不可逆部分电池比放热量 绝热追踪量热原理绝热温升:=0attery=0锂电池热管理参数测试29用心感知 精确传递n 应用案例等温量热BIC-400A 等温量热仪钴酸锂软包电池(500 mAh)充放电产热测试LFP方形电池(35Ah)充放电产热测试BIC-400A 电池等温量热仪放 电 倍 率 1 C大尺寸电池采用功率补偿法,保证温度恒定;小尺寸电池采用热流
15、法,提高信噪比充 电 倍 率 1 C截 止 电 压 3.6 5 V充 电 倍 率 1 C截 止 电 压 4.2 V放 电 倍 率 1 C热流量热模式基 线 噪 声 0.1 m W30用心感知 精确传递n 充放电产热绝热量热 BAC-420A 充电时间-温度/电压/电流曲线61Ah三元电池0.2C充电放热功率曲线BAC-420B 低温型量热仪锂电池热管理参数测试31用心感知 精确传递方形电池每2平均比热容I.方形电池比热容稳定在0.94-0.98 J/(g*K)之间;II.圆柱形电池的比热容稳定在0.97-1.01 J/(g*K)之间;III.两者比热容均呈现随着温度升高逐渐增大的趋势。n 比热
16、容测试圆形电池每2平均比热容基于差示绝热追踪的锂电池比热容测试方形电池打包方式圆形样品打包方式锂电池热管理参数测试32用心感知 精确传递n 导热系数测试 TCA 3DP-1003D热物性分析仪软包锂电池导热系数测试红外热像仪测温与三维数据反演技术稳态法和Hot Disk法测试锂电池热管理参数测试33用心感知 精确传递2.建立数值模型输入热参数(Kx、Kz等)1.样品几何形状确认3.热参数反演计算基于非线性最小二乘法,寻找一组导热系数K(Kx、Kz),使测试值和计算值的均方根误差RMSE(K)最小。n 导热系数测试软包锂电池导热系数测试误差函数预测误差锂电池热管理参数测试34用心感知 精确传递n
17、 导热系数测试软包锂电池导热系数测试TCA 3DP、Hot Disk与稳态法Kz测试结果对比TCA 3DP与Hot Disk法Kx/Kz测试结果对比a.接触热阻:软包电池表面并不完全平整,且铝塑膜具有一定的形变能力,Hot Disk探头与电池表面的贴合状态和接触热阻受操作手法与检测位置影响。b.局部效应:Hot Disk探头集成了加热和测温的功能,加热和测温都在电池的同一侧,测得的数据可能只反映样品局部的热物性特征。锂电池热管理参数测试35用心感知 精确传递n 导热系数测试不同温度导热系数测试面向、径向导热系数随温度变化实验结果曲线图温度()组别(Wm-1K-1)z(Wm-1K-1)5124.
18、431.17221.051.23321.691.18422.121.2210122.041.27223.621.24324.331.22422.711.2720124.031.27223.551.26324.751.27423.101.2730124.881.30222.991.30325.121.39424.391.26锂电池热管理参数测试36用心感知 精确传递电池编号长度(mm)宽度(mm)厚度(mm)密度(kg/m3)比热容(J/(kg))GX-1231497.511.3425071075GX-C731598.011.4324691053GX-JJJ31711212.0825901087
19、锂电池热管理参数测试n 导热系数测试不同电池导热系数测试编号样品incr比热kinkcr1GX-128.52E-064.43E-07107522.981.192GX-128.35E-064.55E-07107522.511.233GX-C78.00E-064.50E-07105320.801.174GX-C78.40E-064.58E-07105321.831.195GX-JJJ7.40E-063.51E-07108720.830.996GX-JJJ7.62E-063.59E-07108721.461.0137用心感知 精确传递n 导热系数测试硬壳锂电池导热系数测试u 测试对象:硬壳电池u 测
20、试方式:非接触式测试,不破坏样品u 测试参数:卷芯导热系数、层间接触热阻、等效导热系数非均质:内部卷芯,外部铝壳常规方法无法直接测试;拆解取卷芯测试制样麻烦样品和产品特性一致性缺乏接触热阻信息u 测试难点锂电池热管理参数测试38用心感知 精确传递n 导热系数测试硬壳锂电池导热系数测试储热释放动态反演技术-针对核壳样品测试(方形锂电池),是目前测试硬壳电池导热系数唯一有效方法。TCA 2S-1002S电池热物性分析仪芯体导热系数:面向导热系数kin、纵向导热系数kcr;接触面热阻:芯体和壳体(大面)换热系数hxy、芯体与壳体(冷却面)换热系数hyz储热-释放测试法原理图锂电池热管理参数测试39用
21、心感知 精确传递60Ah三元NCMn 应用案例锂电池热管理参数测试40用心感知 精确传递n 换热系数测试基本换热单元模型模组储热释放实验系统基本结构I.模组放置在温度T0的恒温箱中直到热平衡;II.开启冷板水泵,将冷却面温度快速切换到T1,使模组通过冷却面散热;III.记录散热过程中模组中各点温度变化,反演模组散热模型关键热参数。测试原理两状态法用于模组基本换热单元传热系数测试锂电池热管理参数测试41用心感知 精确传递n 换热系数测试反演得到电芯和导热板换热系数、导热板与冷却面换热系数锂电池热管理参数测试42用心感知 精确传递请输入标题(思源字体)Contents2.锂电池单体热失控测试3.锂
22、电池热管理参数测试1.背景介绍4.公司介绍43用心感知 精确传递组织架构产业化平台中国计量大学工业与商贸计量技术研究所CHINA JILIANG UNIVERSITYINSTITUDE OF INDUSTRY AND TRADE MEASUREMENT TECHNIQUE化工安全Chemical Safety过程分析Process Analysis量热仪器Calorimeter无损检测Nondestructive TestingIndustrialization Platform传感技术Sensing Technology44用心感知 精确传递相关产品45用心感知 精确传递合作客户46用心感知 精确传递杭州仰仪科技有限公司地址:浙江省杭州市钱塘新区6号大街260号19幢701室电话:400 117 8708 网址:www.young-邱文泽(微信同号)qiuwenzezi-yi-com