技术领域
[0001] 本发明涉及电芯失效分析技术领域，尤其涉及一种电芯失效分析方法。
相关背景技术
[0002] 火灾爆炸事故是电化学储能电站最危险、后果最严重的灾害之一。当前各类电池电化学储能项目中金属离子电池项目仍然占据主导地位，如锂离子电池达到89.21％(磷酸铁锂占比88.7％)。
[0003] 然而，随着市场对储能系统的需求越来越大，国内外储能电站火灾事故频次逐渐增多。锂离子电池发生失控是由于内部产热速率高于散热速率，在锂离子电池的内部积攒了大量的热量，从而引起了连锁反应，导致电池起火和爆炸。因此，为了研发储能电站火灾探测预警技术及系统，对于电池失效的分析尤为重要。
具体实施方式
[0043] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0044] 需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0045] 图1是根据本发明实施例提供的一种电芯失效分析方法的流程图，本实施例可适用于对电芯的失效分析，该方法可以由电芯失效分析装置来执行，该电芯失效分析装置可以采用硬件和/或软件的形式实现。如图1所示，该电芯失效分析方法包括：
[0046] S110、提供电芯发生失控的条件。
[0047] 一般情况下，电池失控即电池失效，电池失效的类型主要分为三类：一类是热失效，由于电池内部温度过高，导致隔膜和正极材料等发生分解，隔膜大规模崩溃以致正负极短路，进而电池失效；一类是电失效，如过度充电或者过度放电等导致电池内部产生锂枝晶。锂枝晶是锂电池在充电过程中锂离子还原时形成的树枝状金属锂，但是锂在电池负极侧出现时，锂的形态不一定是锂枝晶，统称为析锂。电池内部产生的锂枝晶穿破隔膜引发正负极短路，进而电池失效；还有一类是机械失效，由于机械变形甚至隔膜部分破裂引发短路，进而电池失效。电芯是一整个电池中最核心的组成部分，本发明实施例中关于电芯失效的描述也是对电池失效的描述，在此不做具体限定。
[0048] 根据电芯的失效类型，首先提供电芯发生不同失效类型的条件。示例性的，对电芯发生热失效进行研究时，提供对电芯进行加热的条件，在加热的过程中对电芯产生的气体进行采样分析。在对电芯发生电失效进行研究时，通过提升电压等方式对电池进行过度充电。在对电芯发生机械失效进行研究时，通过外力破坏等操作，使得电芯发生机械变形。
[0049] S120、在电芯发生失控的过程中，对电芯的产气成分和/或烟雾颗粒进行采样。
[0050] 具体的，提供电芯发生失控的条件，并且在电芯发生失控的过程中，实时监测电芯的温度、电压或压力的变化以及产生烟雾的情况，并对电芯发生失控过程中产生的气体进行采集，以及对电芯产生的烟雾颗粒进行收集。根据提供电芯失效条件的不同，还可以对电芯发生失控过程中产生的气体进行采集，或者，对电芯燃烧烟雾颗粒进行收集，只取其中一种方式用于后续分析。对于烟雾颗粒的采集，可以应用铜网超薄碳膜。在本发明实施例中，对于烟雾颗粒的采集方式不做具体限定。
[0051] S130、分析电芯的产气成分，和/或，分析烟雾颗粒的性质。
[0052] 具体的，对不同状态下电芯的气体成分进行在线监测，分析常见电芯产气成分的变化情况。应用实验观察仪器对电芯产生的烟雾颗粒进行微观形貌特征的研究以及性质的分析。针对电芯失效类型的不同，可以既分析电芯的产气成分，又分析烟雾颗粒的性质，进而得到电芯所产生的气体成分以及烟雾颗粒的性质的变化。也可以只分析电芯的产气成分，或者只分析烟雾颗粒的性质。
[0053] S140、根据电芯的产气成分和/或烟雾颗粒的性质发出预警信号。
[0054] 示例性的，若电池为三元锂电池，则电芯在发生失效时产生的气体主要为二氧化碳和氟化氢等气体。若为磷酸锂铁电池，则电芯在发生失效时产生的气体主要为氢气和二氧化碳等气体。
[0055] 对于电芯的失效分析，首先提供电芯发生失控的条件，并且在电芯发生失控的过程中采样并分析电芯的产气成分和/或烟雾颗粒的性质，根据电芯的产气成分和/或烟雾颗粒的性质变化发出预警信号，提醒工作人员对电芯进行检修或更换，预防由于电芯失效而引发起火或爆炸，提高储能电站的安全性。
[0056] 本发明实施例的技术方案，通过提供电芯发生失控的条件，并且在电芯发生失控的过程中采样并分析电芯的产气成分和/或烟雾颗粒的性质，根据电芯的产气成分和/或烟雾颗粒的性质变化发出预警信号，预防发生起火或爆炸，提高储能电站的安全性。
[0057] 图2是根据本发明实施例提供的另一种电芯失效分析方法的流程图，本实施例是上述实施例的进一步细化。如图2所示，该电芯失效分析方法包括：
[0058] S210、在绝热环境下对至少一种荷电状态的电芯进行加热。
[0059] 示例性的，在特定加热绝热箱中对不同荷电状态的电芯直接进行外部加热。应用加热绝热箱可以防止外界环境温度等其他温度因素对电芯的影响。至少一种荷电状态的电芯，可以选用荷电状态为0％、50％或100％的电芯。在特定加热绝热箱中对荷电状态为0％、50％和100％的电芯直接进行外部加热。在绝热条件下实时监测电芯发生热失效的过程的温度、压力、电压变化以及烟雾情况。
[0060] S220、在电芯发生失控的过程中，对电芯的产气成分和/或烟雾颗粒进行采样。
[0061] S230、分析电芯的产气成分，和/或，分析烟雾颗粒的性质。
[0062] S240、根据电芯的产气成分和/或烟雾颗粒的性质发出预警信号。
[0063] 具体的，S210‑S240是对电芯提供热失效的条件下，采样并分析电芯的产气成分和/或烟雾颗粒的性质，进而根据电芯的产气成分和/或烟雾颗粒的性质变化发出预警信号，防止由于电芯发生热失效而引发的起火或爆炸，提高储能电站的安全性。
[0064] 图3是根据本发明实施例提供的又一种电芯失效分析方法的流程图。如图3所示，该电芯失效分析方法包括：
[0065] S310、对电芯进行测试，并确定电芯的失效电压。
[0066] S320、根据失效电压，对电芯进行过充，并过充到至少两种荷电状态。
[0067] 具体的，对电芯进行测试，确定电芯的失效电压，提升充电电压，对电芯进行过度充电，并过充到至少两种荷电状态。示例性的，将电芯过充至130％、140％、150％或160％荷电状态。
[0068] S330、在电芯发生失控的过程中，对电芯的产气成分和/或烟雾颗粒进行采样。
[0069] S340、分析电芯的产气成分，和/或，分析烟雾颗粒的性质。
[0070] S350、根据电芯的产气成分和/或烟雾颗粒的性质发出预警信号。
[0071] 具体的，S310‑S350是对电芯提供电失效的条件下，采样并分析电芯的产气成分和/或烟雾颗粒的性质，进而根据电芯的产气成分和/或烟雾颗粒的性质变化发出预警信号，防止由于电芯发生电失效而引发的起火或爆炸，提高储能电站的安全性。
[0072] 图4是根据本发明实施例提供的又一种电芯失效分析方法的流程图。如图4所示，该电芯失效分析方法包括：
[0073] S410、对电芯进行挤压或穿刺。
[0074] 具体的，在对电芯发生机械失效进行研究时，通过外力破坏等操作，使得电芯发生机械变形，可以对电芯进行挤压或穿刺至电芯发生失效。
[0075] S420、在电芯发生失控的过程中，对烟雾颗粒进行采样。
[0076] S430、分析烟雾颗粒的性质。
[0077] S440、根据烟雾颗粒的性质发出预警信号。
[0078] 具体的，S410‑S440是对电芯提供机械失效的条件下，采样并分析烟雾颗粒的性质，进而根据烟雾颗粒的性质变化发出预警信号，防止由于电芯发生机械失效而引发的起火或爆炸，提高储能电站的安全性。
[0079] 图5是根据本发明实施例提供的另一种电芯失效分析方法的流程图。如图5所示，该电芯失效分析方法包括：
[0080] S510、在绝热环境下对至少一种荷电状态的电芯进行加热。
[0081] S520、监测电芯发生失控过程中的至少三种状态下的温度，并对至少三种状态下的电芯的产气成分和/或烟雾颗粒进行采样。
[0082] 具体的，可以应用加速量热法(Accelerating Rate Calorimetry，ARC)监测并确定不同状态的电芯温度。对不同状态的电芯产生的气体成分分别进行采样，对产生的烟雾颗粒进行采样。
[0083] S530、利用气相色谱‑质谱联用、傅立叶变换红外吸收光谱或者微分电化学质谱对电芯的产气成分进行分析。
[0084] 具体的，在对不同状态的电芯产生的气体成分分别进行采样后，可以应用气相色谱‑质谱联用、傅立叶变换红外吸收光谱或者微分电化学质谱对电芯的产气成分进行分析。可以在线实时监测产气成分的变化情况。
[0085] S540、利用扫描电子显微镜或透射式电子显微镜对烟雾颗粒的性质进行分析。
[0086] 具体的，利用铜网超薄碳膜对电芯产生的烟雾颗粒进行采集，利用扫描电子显微镜和透射式电子显微镜作为实验观察仪器对烟雾颗粒进行微观形貌特征的研究以及粒径统计和折射率分析。
[0087] S550、当电芯产生目标特征气体成分和/或烟雾颗粒的折射率变化时，发出电芯失效预警信号。
[0088] 具体的，电池会因为电极的不同或者使用的电解液不同而在发生失效时产生的气体成分不同。目标特征气体成分可以根据电池的类型或者电解液的类型而确定。示例性的，若电池为三元锂电池，则电芯在发生失效时产生的气体主要为二氧化碳和氟化氢等气体，目标特征气体成分可以是氟化氢。若为磷酸锂铁电池，则电芯在发生失效时产生的气体主要为氢气和二氧化碳等气体，目标特征气体成分可以是氢气。
[0089] 图6是根据本发明实施例提供的又一种电芯失效分析方法的流程图。如图6所示，该电芯失效分析方法包括：
[0090] S610、在绝热环境下对至少一种荷电状态的电芯进行加热。
[0091] 在本发明实施例中，电芯发生失控过程中的至少三种状态可以包括电芯自放热起始状态、电芯产气状态和电芯失控起始状态。电芯产气状态可以理解为电芯产生白雾的状态。电芯失控起始状态可以是电芯发生失效的触发状态。
[0092] S620、监测电芯自放热起始状态的温度、电芯产气状态的温度以及电芯失控起始状态的温度，并对至少三种状态下的电芯的产气成分和/或烟雾颗粒进行采样。
[0093] 具体的，电芯自放热起始状态的温度可以记为T1，电芯产气状态的温度可以记为T2，电芯失控起始状态的温度可以记为T3。监测电芯自放热起始状态的温度T1、电芯产气状态的温度T2以及电芯失控起始状态的温度T3，并对电芯处于失控起始状态、产气状态以及失控起始状态时的产气成分和/或烟雾颗粒进行采样收集，便于对电芯失效进行分析。
[0094] S630、利用气相色谱‑质谱联用、傅立叶变换红外吸收光谱或者微分电化学质谱对电芯的产气成分进行分析。
[0095] S640、利用扫描电子显微镜或透射式电子显微镜观察烟雾颗粒的形貌和粒径，根据烟雾颗粒的形貌和粒径对烟雾颗粒的折射率进行分析。
[0096] S650、通过激光束检测烟雾颗粒的折射率变化。
[0097] 具体的，通过扫描电子显微镜或透射式电子显微镜观察烟雾颗粒的形貌和粒径，根据形貌和粒径对烟雾颗粒的折射率进行分析，再根据折射率确定是否发出预警信号。检测烟雾颗粒的折射率变化可以应用激光束，在电芯产生烟雾颗粒处放置激光束，如果激光束被烟雾颗粒折射，可以发出电芯失效预警信号，提醒工作人员该电芯已经失效。
[0098] S660、当电芯产生目标特征气体成分和/或烟雾颗粒的折射率变化时，发出电芯失效预警信号。
[0099] 具体的，电池会因为电极的不同或者使用的电解液不同而在发生失效时产生的气体成分不同。目标特征气体成分可以根据电池的类型或者电解液的类型而确定。示例性的，当磷酸锂铁电池产生氢气或者激光束被产生的烟雾颗粒折射，则确定磷酸锂铁电池发生失效，并发出失效预警信号。
[0100] 图7是根据本发明实施例提供的又一种电芯失效分析方法的流程图。如图7所示，该电芯失效分析方法包括：
[0101] S710、对电芯进行测试，并确定电芯的失效电压。
[0102] S720、根据失效电压，对电芯进行过充，并过充到至少两种荷电状态。
[0103] S730、在电芯发生失控的过程中，对电芯的产气成分和/或烟雾颗粒进行采样。
[0104] S740、利用气相色谱‑质谱联用、傅立叶变换红外吸收光谱或者微分电化学质谱对电芯的产气成分进行分析。
[0105] S750、利用扫描电子显微镜或透射式电子显微镜观察烟雾颗粒的形貌和粒径，根据烟雾颗粒的形貌和粒径对烟雾颗粒的折射率进行分析。
[0106] S760、通过激光束检测烟雾颗粒的折射率变化。
[0107] S770、当电芯产生目标特征气体成分和/或烟雾颗粒的折射率变化时，发出电芯失效预警信号。
[0108] 具体的，S710‑S770是S310‑S350的细化描述，是电芯发生电失效的具体分析方法，具备与S310‑S350相同的有益效果。
[0109] 图8是根据本发明实施例提供的又一种电芯失效分析方法的流程图。如图8所示，该电芯失效分析方法包括：
[0110] S810、对电芯进行挤压或穿刺。
[0111] S820、在电芯发生失控的过程中，对烟雾颗粒进行采样。
[0112] S830、利用扫描电子显微镜或透射式电子显微镜观察烟雾颗粒的形貌和粒径，根据烟雾颗粒的形貌和粒径对烟雾颗粒的折射率进行分析。
[0113] S840、通过激光束检测烟雾颗粒的折射率变化。
[0114] S850、当电芯产生目标特征气体成分和/或烟雾颗粒的折射率变化时，发出电芯失效预警信号。
[0115] 具体的，S810‑S850是S410‑S440的细化描述，是电芯发生机械失、具体分析方法，具备与S410‑S440相同的有益效果。
[0116] 图9是根据本发明实施例提供的一种电芯失效分析方法的具体流程图。如图9所示，该电芯失效分析方法包括：
[0117] S900、准备锂电池；S910、提供电芯发生热失效的条件；S911、将电芯设置为不同的荷电状态；S912、每种荷电状态下，应用加速量热法监测并确定电芯处于不同状态时的温度；S913、确定电芯自放热起始状态的温度T1、电芯产气状态的温度T2以及电芯失控起始状态的温度T3；S914、采集气体进行分析；S915、确定目标特征气体成分；S916、收集电芯燃烧烟雾粉尘；S917、进行形貌、粒径和折射率分析。
[0118] S920、提供电芯发生电失效的条件；S921、确定电芯的失效电压；S922、将电芯过充至130％、140％、150％或160％荷电状态；S914、采集气体进行分析；S915、确定目标特征气体成分；S916、收集电芯燃烧烟雾粉尘；S917、进行形貌、粒径和折射率分析。
[0119] S930、提供电芯发生机械失效的条件；S916、收集电芯燃烧烟雾粉尘；S917、进行形貌、粒径和折射率分析。
[0120] 应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
[0121] 上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
