一種二次電池用阻燃材料的性能評估方法及評估系統與流程

本發明涉及電化學電源和儲能領域，具體為涉及一種二次電池用阻燃材料的性能評估方法及評估系統。
背景技術：
：隨著社會的發展，環境問題日益引起人類的重視，發展清潔能源以取代傳統化石能源變得勢在必行，二次電池作為一種新型的清潔高能電源,廣泛應用于水力、火力、風力和太陽能電站等儲能電源系統以及電動工具、軍事裝備和航空航天的多個領域，對環境的改善有很大的推動作用。然而在使用過程中，二次電池存在安全隱患，在某些極端情況或濫用情況下(如過充電、高溫、針刺、短路、跌落、撞擊等)會發生熱失控，瞬間釋放出大量能量，并伴隨有燃燒或爆炸現象的產生，二次電池的熱失控不僅會對周圍的設備或人員造成傷害，而且還會對附近成組的其他二次電池造成沖擊和損壞，嚴重時引起其他電池也發生危險產生熱失控連鎖反應。近年來，二次電池燃燒爆炸現象的不斷發生，為了降低二次電池在使用過程中的危險系數，阻燃材料以其特殊的阻燃隔熱特性逐漸被應用到二次電池的安全防護中。現有的阻燃材料大多以片狀形式直接置于二次電池周圍，一方面，由于缺乏對二次電池熱失控狀態及后果的性能測定，無法準確得到電池熱失控后電池表面附近產生的最大熱量，不能有效阻止熱失控產生的火焰和高溫；另一方面，因為阻燃材料的厚度和重量較大，不僅造成了材料的浪費，而且使得阻燃材料在電池組中占據空間較大；因此，現有技術難以實現對二次電池用阻燃材料的可靠選擇，二次電池的熱失控危險系數高。技術實現要素：為了克服現有技術的不足，本發明提供一種二次電池用阻燃材料的性能評估方法；在確定二次電池熱失控產生熱量的基礎上，構建綜合考慮阻燃材料的效果、厚度和質量等參數的阻燃性能評估方程，實現了對二次電池用阻燃材料的可靠選擇，降低了二次電池熱失控的危險系數。本發明通過以下技術方案實現：一種二次電池用阻燃材料的性能評估方法，其包括如下步驟：(1)于絕熱環境下，確定未裝設阻燃材料的二次電池在熱失控條件下產生的熱量q；(2)確定產生1.1-2.0倍所述熱量q時的燃燒氣體的用量；(3)用所述用量的氣體燃燒阻燃材料；(4)構建阻燃性能評估方程。優選的，所述步驟(1)包括：1)確定未裝設阻燃材料的二次電池的初始質量m0和比熱容cp0；2)對設有溫度傳感器的所述電池過充，分別記錄過充前后電池表面初始溫度t0和最高溫度tm；3)根據q＝cp0m0(tm－t0)確定熱量q。優選的，所述溫度傳感器的數目為2-10個，分別對應設置于二次電池一面的2-10個點，其中的一個點位于所述電池一面的中心，其余各點為以所述中心為圓心、半徑大于該二次電池兩側的距離所形成的圓周上。優選的，所述溫度傳感器通過溫度采集裝置與數據處理系統連接；所述溫度采集裝置包括信號調理模塊、多路選擇a/d采集模塊、主控模塊及通信模塊，所述信號調理模塊、多路選擇a/d采集模塊、主控模塊及通信模塊之間依次串聯連接。優選的，所述步驟(3)中具體包括：以裝設所述用量的氣體燃料的噴槍對阻燃材料噴射火焰，記錄阻燃材料兩側的溫度。優選的，所述噴射火焰的壓力和流速分別為0.1-3mpa和1-300ml/min。優選的，按下述方程y評估阻燃性能:y＝ja+kb+lc式中：a-阻燃效果參數，b-阻燃厚度參數，c-阻燃質量參數；j、k、l分別為阻燃效果、厚度和質量參數的權重系數，j+k+l＝1。優選的，根據阻燃材料未產生火焰時兩側的溫度差△t和產生火焰時的持續時間t確定阻燃效果參數a。優選的，按下式確定阻燃厚度參數b：式中：與電池的厚度有關的α-厚度調整指數，單位/mm；d-阻燃材料厚度，單位/mm。優選的，按下式確定阻燃質量參數c：式中：與電池的質量有關的β-電池質量基數，單位/g；γ-質量調整指數，單位/g；mz-阻燃材料質量，單位/g。一種用于二次電池的阻燃材料的性能評估系統，包括：熱量計算模塊，用于在絕熱環境下，確定未裝設阻燃材料的二次電池在熱失控條件下產生的熱量q；噴槍，其內部裝設有氣體燃料，所述氣體燃料燃燒時所產生的熱量為q；存儲器，用于記錄噴槍內氣體燃料的用量；評估模塊，用于構建阻燃性能評估方程，從而對阻燃材料的性能進行評估。優選的，熱量計算模塊，用于通過下式確定熱量q：q＝cp0m0(tm－t0)式中，m0、cp0分別為未裝設阻燃材料的二次電池的初始質量和比熱容；t0、tm分別為對設有溫度傳感器的電池進行過充前、后電池表面的初始溫度、最高溫度。優選的，所述溫度傳感器的數目為2-10個，分別對應設置于二次電池一面的2-10個點，其中的一個點位于所述電池一面的中心，其余各點位于以所述中心為圓心、直徑大于該二次電池兩側的距離所形成的圓周上。優選的，所述溫度傳感器通過溫度采集裝置與數據處理系統連接；所述溫度采集裝置包括信號調理模塊、多路選擇a/d采集模塊、主控模塊及通信模塊，所述信號調理模塊、多路選擇a/d采集模塊、主控模塊及通信模塊之間依次串聯連接。優選的，存儲器，還用于記錄噴槍對阻燃材料噴射火焰時阻燃材料未產生火焰時兩側的溫度、兩側的溫度差△t和產生火焰時的火焰持續時間t。優選的，評估模塊，用于通過下式的阻燃性能評估方程確定阻燃性能評價分數y:y＝ja+kb+lc式中：a-阻燃效果參數，b-阻燃厚度參數，c-阻燃質量參數，所述y越高表示阻燃性能越好；j、k、l分別為阻燃效果、厚度和質量參數的權重系數，j+k+l＝1。優選的，評估模塊包括：阻燃效果計算模塊，用于根據阻燃材料未產生火焰時兩側的溫度差△t和產生火焰時的火焰持續時間t確定阻燃效果參數a；阻燃厚度計算模塊，用于通過下式確定阻燃厚度參數b：式中：α-與電池的厚度有關的厚度調整指數，單位/mm；d-阻燃材料厚度，單位/mm；阻燃質量計算模塊，用于通過下式確定阻燃質量參數c：式中：β-與電池的質量有關的電池質量基數，單位/g；γ-質量調整指數，單位/g；mz-阻燃材料質量，單位/g。與最接近的現有技術比，本發明具有如下有益效果：1、本發明提供的技術方案，根據絕熱環境下未裝設阻燃材料的二次電池在熱失控條件下產生的熱量q和產生所述熱量q時燃燒氣體的氣體用量間的關系，并用構建阻燃性能方程的方法，實現了用于二次電池的阻燃材料的阻燃性能的準確評估，從而大大降低了二次電池熱失控的危險系數。2、本發明提供的技術方案，綜合考慮了二次電池用阻燃材料的效果、厚度和質量，在提高二次電池的阻燃性能的前提下，大大減小了阻燃材料在二次電池中的體積分數和質量份數，為電池組內部體積和能量密度的增加提升空間，實現了電池內部阻燃材料的優化選擇。3、本發明提供的技術方案，方法簡單且易于操作。附圖說明圖1為本發明一種二次電池用阻燃材料的性能評估方法的流程框圖；圖2為本發明實例1的硬包裝二次電池表面溫度傳感器布置圖；圖3為本發明實例2的軟包裝二次電池表面溫度傳感器布置圖。具體實施方式下面通過具體實施例對本發明做進一步詳細說明：以長度為a、寬度為b、厚度為c,a>b>c的二次電池為例對本發明提供的阻燃材料的性能評估方法作如下具體說明：1、確定電池熱失控下產生的熱量：(1)用1c-3c電流倍率的電池充放電儀將未裝設阻燃材料的二次電池的soc荷電狀態調整至50-100％，并稱量，記為m0；(2)在“mcp”模式下，用絕熱加速量熱儀測定未裝設阻燃材料的二次電池的比熱容cp，記為cp0；(3)于未裝設阻燃材料的二次電池表面設置溫度傳感器，在絕熱環境下以2-5c電流倍率過充，記錄二次電池表面最高溫度tm和電池表面初始溫度t0，并按式q＝cp0m0(tm－t0)計算電池產生的熱量q；所述溫度傳感器的數目為2-10個，分別對應設置于二次電池一面的2-10個點，其中的一個點位于所述電池一面的中心，其余各點位于以所述中心為圓心、直徑大于該二次電池兩側的距離所形成的圓周上；所述溫度傳感器通過溫度采集裝置與數據處理系統連接；所述溫度采集裝置包括信號調理模塊、多路選擇a/d采集模塊、主控模塊及通信模塊，所述信號調理模塊、多路選擇a/d采集模塊、主控模塊及通信模塊之間依次串聯連接；2、燃燒氣體燃料，記錄產生所述熱量時所需氣體燃料用量；3、以所述用量的氣體燃料燃燒阻燃材料：于邊長為8-12cm的正方形的阻燃材料的兩側中心位置設置溫度傳感器，用裝填所述用量的氣體燃料的噴槍對阻燃材料一側以外焰加熱方式噴射火焰，于壓力0.3-0.60mpa、流速125ml/min-165ml/min下噴射所述阻燃材料，記錄阻燃材料的燃燒情況及阻燃材料兩側溫度傳感器的溫度4、評估方法：(1)確定阻燃參數1)根據阻燃材料未產生火焰時兩側的溫度差△t和產生火焰時的持續時間t確定阻燃效果參數a，具體如下表：2)按下式確定阻燃厚度參數b：式中：b—電池阻燃厚度參數；α—與電池的厚度有關的厚度調整指數，選取數值10，單位/mm；d—阻燃材料厚度，單位/mm。3)按下式確定阻燃質量參數c：式中：c—電池阻燃質量參數；β—與電池的質量有關的電池質量基數，選取數值120，單位/g；γ—質量調整指數，選取數值10,單位/g；mz—阻燃材料質量，單位/g。(2)根據確定的阻燃材料的阻燃參數，按下述方程評估阻燃性能:y＝ja+kb+lc式中：a-阻燃效果參數，b-阻燃厚度參數，c-阻燃質量參數，y-阻燃材料評價分數，分數越高，阻燃材料的阻燃性能級別越高，阻燃性能越優；j、k、l分別為阻燃效果、厚度和質量參數的權重系數，j+k+l＝1。一種用于二次電池的阻燃材料的性能評估系統，包括：熱量計算模塊，用于在絕熱環境下，確定未裝設阻燃材料的二次電池在熱失控條件下產生的熱量q；噴槍，其內部裝設有氣體燃料，所述氣體燃料燃燒時所產生的熱量為q；存儲器，用于記錄噴槍內氣體燃料的用量；評估模塊，用于構建阻燃性能評估方程，從而對阻燃材料的性能進行評估。所述熱量計算模塊，用于通過下式確定熱量q：q＝cp0m0(tm－t0)式中，m0、cp0分別為未裝設阻燃材料的二次電池的初始質量和比熱容；t0、tm分別為對設有溫度傳感器的電池進行過充前、后電池表面的初始溫度、最高溫度。所述溫度傳感器的數目為2-10個，分別對應設置于二次電池一面的2-10個點，其中的一個點位于所述電池一面的中心，其余各點位于以所述中心為圓心、直徑大于該二次電池兩側的距離所形成的圓周上。所述溫度傳感器通過溫度采集裝置與數據處理系統連接；所述溫度采集裝置包括信號調理模塊、多路選擇a/d采集模塊、主控模塊及通信模塊，所述信號調理模塊、多路選擇a/d采集模塊、主控模塊及通信模塊之間依次串聯連接。所述存儲器，還用于記錄噴槍對阻燃材料噴射火焰時阻燃材料未產生火焰時兩側的溫度、兩側的溫度差△t和產生火焰時的火焰持續時間t。所述評估模塊，用于通過下式的阻燃性能評估方程確定阻燃性能評價分數y:y＝ja+kb+lc式中：a-阻燃效果參數，b-阻燃厚度參數，c-阻燃質量參數，所述y越高表示阻燃性能越好；j、k、l分別為阻燃效果、厚度和質量參數的權重系數，j+k+l＝1。所述評估模塊包括：阻燃效果計算模塊，用于根據阻燃材料未產生火焰時兩側的溫度差△t和產生火焰時的火焰持續時間t確定阻燃效果參數a；阻燃厚度計算模塊，用于通過下式確定阻燃厚度參數b：式中：α-與電池的厚度有關的厚度調整指數，單位/mm；d-阻燃材料厚度，單位/mm；阻燃質量計算模塊，用于通過下式確定阻燃質量參數c：式中：β-與電池的質量有關的電池質量基數，單位/g；γ-質量調整指數，單位/g；mz-阻燃材料質量，單位/g。下面以長*寬*高＝a*b*d＝80*55*26mm，電池標定容量10ah的未裝填阻燃材料的二次電池和3種阻燃材料1、2和3為例，對本發明的阻燃性能評估方法作進一步詳細說明，氣體燃料選用甲烷；阻燃性能評估方法包括如下步驟：實例一(1)在1c的電流倍率下，用電池充放電儀將未裝設阻燃材料的二次電池的soc荷電狀態調整至100％，并稱量m0＝234g；(2)在“mcp”模式下，用絕熱加速量熱儀測定未裝設阻燃材料的二次電池的比熱容cp0＝1.0121j(g·k)-1；(3)于未裝設阻燃材料的二次電池表面設置5個溫度傳感器，分別對應設置于二次電池上面的5個點:p1-p5；p1為電池一面(ab面)的中心，p2、p3、p4和p5分別位于以p1為圓心，以r＝35mm為半徑的圓周上,p2：(-20,22),p3：(20,22),p4：(-20,-22)，p5：(20,-22)；p1-p5點對應測量溫度分別記為t1-t5，tm＝max(t1,t2,t3,t4,t5)；在絕熱環境下以2c電流倍率過充所述二次電池，溫度傳感器通過溫度采集裝置與數據處理系統連接，數據采集系統將溫度數據傳輸到計算機或手機，采集的溫度數據結果顯示：t1＝301.5℃、t2＝193.3℃、t3＝221.8℃、t4＝254.5℃和t5＝418.5℃，故tm＝418.5℃；其中，電池初始溫度與室溫相同t0＝25℃；按式q＝cp0m0(tm－t0)計算得到電池熱失控產生熱量q＝93.1932kj。(4)燃燒甲烷氣體燃料，記錄產生所述熱量時所需甲烷氣體的物質的量為0.126mol；(5)于尺寸為100mm*100mm阻燃材料1、2和3的兩側中心位置設置溫度傳感器，在壓力0.1mpa、流速1ml/min下，用裝有0.126mol甲烷氣體的噴槍對阻燃材料1、2和3的一側以外焰加熱方式噴射火焰，當氣體釋放熱量q1＝1.1q＝102.5125kj時，阻燃材料1和2未產生火焰，得出溫度傳感器兩側溫度差分別為38℃和9℃，阻燃材料3產生火焰，用秒表測得火焰在30s內熄滅，且有燃燒物滴落；其中，尺寸為100mm*100mm阻燃材料1、2和3的厚度記為d,質量記為mz；具體數值如下表:阻燃材料編號厚度d(mm)質量mz(g)112.590.0210.042.037.727.8表1(6)根據下表確定阻燃材料1-3的阻燃效果參數a1-a3；得出a1＝9；a2＝6；a3＝4；表2(7)按公式確定阻燃材料的阻燃厚度參數b1＝0.8，b2＝1，b3＝1.30；(8)按公式確定阻燃材料質量參數c1＝3,c2＝7.8，c3＝9.22；(9)根據確定的阻燃材料的阻燃參數，按下述方程評估阻燃性能:y＝0.6a+0.2b+0.2c得出：y1＝6.16,y2＝5.36,y3＝4.50。結論：阻燃材料1的評價分數最高，其阻燃性能級別最高，阻燃性能最優，將阻燃材料1作為二次電池的阻燃材料最合適，這樣二次電池熱失控的的危險系數最低。3種阻燃材料阻燃性能參數對比如下表：表3實例二(1)在1c的電流倍率下，用電池充放電儀將未裝設阻燃材料的二次電池的soc荷電狀態調整至100％，并稱量m0＝457g；(2)在“mcp”模式下，用絕熱加速量熱儀測定未裝設阻燃材料的二次電池的比熱容cp0＝1.3827j(g·k)-1；(3)于未裝設阻燃材料的二次電池表面設置5個溫度傳感器，分別對應設置于二次電池上面的5個點:p1-p5；p1為電池一面(ab面)的中心，p2、p3、p4和p5分別位于以p1為圓心，以r＝40mm為半徑的圓周上,p2：(-33,50),p3：(33,50),p4：(-33,50)，p5：(33,-50)；p1-p5點對應測量溫度分別記為t1-t5，tm＝max(t1,t2,t3,t4,t5)；在絕熱環境下以2c電流倍率過充所述二次電池，溫度傳感器通過溫度采集裝置與數據處理系統連接，數據采集系統將溫度數據傳輸到計算機或手機，采集的溫度數據結果顯示：t1＝297.6℃、t2＝201.3℃、t3＝195.7.8℃、t4＝239.5℃和t5＝302.5℃，故tm＝302.5℃；其中，電池初始溫度與室溫相同t0＝25℃；按式q＝cp0m0(tm－t0)計算得到電池熱失控產生熱量q＝175.35kj。(4)燃燒甲烷氣體燃料，記錄產生所述熱量時所需甲烷氣體的物質的量為0.197mol；(5)于尺寸為100mm*100mm阻燃材料1、2和3的兩側中心位置設置溫度傳感器，在壓力3mpa、流速300ml/min下，用裝有0.197mol甲烷氣體的噴槍對阻燃材料1、2和3的一側以外焰加熱方式噴射火焰，當氣體釋放熱量q1＝2.0q＝350.7kj時，阻燃材料1和2未產生火焰，得出溫度傳感器兩側溫度差分別為28℃和6℃，阻燃材料3產生火焰，用秒表測得火焰在30s內熄滅，且有燃燒物滴落；其中，尺寸為100mm*100mm阻燃材料1、2和3的厚度記為d,質量記為mz；具體數值如下表:阻燃材料編號厚度d(mm)質量mz(g)112.590.0210.042.037.727.8表4(6)根據下表確定阻燃材料1-3的阻燃效果參數a1-a3；得出a1＝8；a2＝6；a3＝4；表5(7)按公式確定阻燃材料的阻燃厚度參數b1＝0.8，b2＝1，b3＝1.30；(8)按公式確定阻燃材料質量參數c1＝3,c2＝7.8，c3＝9.22；(9)根據確定的阻燃材料的阻燃參數，按下述方程評估阻燃性能:y＝0.6a+0.2b+0.2c得出：y1＝5.56,y2＝5.36,y3＝4.50。結論：阻燃材料1的評價分數最高，其阻燃性能級別最高，阻燃性能最優，將阻燃材料1作為二次電池的阻燃材料最合適，這樣二次電池熱失控的的危險系數最低。3種阻燃材料阻燃性能參數對比如下表：表6以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發明的權利要求保護范圍之內。當前第1頁12