CN109100659A - 一种通过力学性能判断锂离子电池短路的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种通过力学性能判断锂离子电池短路的方法，通过对锂离子电池进行机械加载实验发现电池的电压下降点和力学响应曲线压实阶段的拐点一致，故可以通过力学响应的拐点判断电池内部短路是否发生。本发明简单实用，可以直观判断锂离子电池内短路的发生，同时可以帮助实验过程中各数据的同步。

Description

一种通过力学性能判断锂离子电池短路的方法

技术领域

本发明涉及一种通过力学性能判断锂离子电池短路的方法，属于锂离子电池安全领域，特别是锂离子电池短路判据。

背景技术

锂离子电池由于其高能量密度在电动汽车上的应用越来越广泛，但电动汽车爆炸起火事故的频发引起消费者的恐慌，阻碍了电动汽车的推广。

不可避免的机械加载(冲击，穿刺，挤压等)，会导致组分材料的失效，进而引起锂离子电池内部短路，最终导致锂离子电池起火甚至爆炸。短路时刻对锂离子电池安全至关重要，短路判据的建立能有效判断短路是否发生，对热失控起到预警作用。

目前，相关文献短路判据的建立是基于应力，应变关系，需要结合数值模拟进行判断，短路预测较为准确，但实际应用价值较低。电池在使用过程中无法直接检测应力与应变的数据。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有短路判据的不足，通过锂离子电池受到机械加载时的力学响应判断短路是否发生，提供新的有效的短路判据。

本发明采用的技术方案为：一种通过力学性能判断锂离子电池短路的方法，其特征在于包括：在锂离子电池受机械加载的过程中同步测量力学响应以及电压变化，当在力学响应中的压实阶段出现拐点的同时电压下降时，则判断锂离子电池短路点。

所述锂离子电池的类型包括：圆柱形锂离子电池，方形锂离子电池或软包锂离子电池。

锂离子电池受到机械加载过程中力学响应曲线在压实阶段出现拐点。

力-位移曲线在压实阶段出现拐点的同时锂离子电池电压骤降，所述骤降指电压下降的斜率接近无穷，降幅超过1V。

所述锂离子电池具有一定电量，即电量大于零，电量从10％-100％。

所述机械加载时，加载速度为准静态或者动态加载。准静态加载指加载速度为0.1mm/s-1mm/s，动态加载的加载速度为0.1m/s-50m/s。

机械加载为压缩、压痕加载方式，加载速度为1mm/s-10m/s。

所述力学响应为实验得到的力-位移曲线。

用于实验过程中各通道数据的同步记录，各通道数据包括电压、力、温度通道。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明可以用于锂离子电池内部短路的判断，通过力学的响应直接判断内部短路的发生，简单直观。

(2)本发明可以简化实验的操作，通过力学的测量方式既可以得到力-位移响应，又可以直接判断内部短路是否发生，极大方便科研工作者的研究，加快科研进度。

(3)本发明的短路判据可以用于实验过程中力-电压-温度同步测量的标定，实验中三个测量信号来自于不同的仪器以及软件，数据的同步一直是实验的难点，这个特征可以有效帮助测量数据的同步。

(4)本发明为锂电池内部短路的监测提供新方法新思路，可以从力学角度进行监测，对锂电池的安全优化提供一定指导。电压的实时监测需要对电池进行接线处理，线束的管理以及防止外部短路比较麻烦。

附图说明

图1为实验示意图；

图2和图3为本发明的实验曲线；

图3为对18650电池进行压缩实验得到的曲线。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明进行详细说明。

本发明通过对带电量的锂离子电池进行机械加载，得到其相应的力学响应，力学响应在压实阶段出现斜率不同的现象，斜率的拐点即为锂离子电池的短路失效点；所述带电量指锂离子电池电量大于零。

下面再对本发明的具体实施例进行详细说明：

实例1：

如图1所示，本发明的实验装置包括：防爆箱1，万能试验机2，电压测量系统3以及实验样品锂离子电池4，焊接镍片5，导线6，下压盘7，上压盘8。

防爆箱1套在万能试验机2上用于保护装置以及实验人员，锂离子电池4通过焊接镍片5与电压测量系统3通过导线6连接，用于记录实验过程中的电压变化。本实验采用压缩实验，将电池平放于下压盘7上，用万能试验机2控制上压盘8的移动进行加载。加载过程中同步记录力-位移以及电压-时间数据。

将获取的力-位移以及电压-时间数据，通过视频记录保持同步的方式，找到曲线同步点，并绘制，结果如图2所示。锂离子电池的力学响应曲线随着加载位移的增加，4mm之前，电池处于弹性阶段，之后进入平台段，曲线呈现缓慢上升，随后进入压实阶段，曲线出现快速上升，先以一定的斜率上升，之后出现转折，以较小的斜率上升，随后出现卸载的情况。电压在加载阶段先是保持不变，然后出现微短路的情况，最终快速下降至0。电压骤降的点与力致密化阶段的拐点一致。电池出现内部短路之后，产生某些化学反应导致了锂离子电池力学响应的改变，故可以通过力学响应来判断锂离子电池内部短路是否发生。

本实施例中锂离子电池采用21700圆柱形锂离子电池，加载方式采用径向压缩，加载速度为6mm/min，荷电状态为80％。

实例2：

采用同样的实验方法，对18650电池进行压缩实验得到如图3所示的曲线，图3带三角形符号的曲线为电池压缩工况下的名义应力应变曲线，可以看到名义应力随着名义应变的增加先增加后进入平台段，最后进入压实阶段。带方形符号的曲线为电压随压缩过程的变化曲线，电压随着实验的进行出现微小上升最后下降。对名义应力-应变曲线进行求导得到图3所示带圆形符号的曲线，即其斜率随应变的变化曲线，在名义应力的压实阶段，其斜率随着应变的增加先增加后缓慢下降。这里可以看到斜率的下降点与电压的下降点一致。

本发明实施例中锂离子电池采用18650圆柱形锂离子电池，加载方式为径向压缩，加载速度为5mm/min，荷电状态为20％。

实例3：对于车用锂电池在使用过程中的内部短路检测，传统电压检测接线复杂，并且极易由接线不当导致短路的发生，线束的管理复杂。并且，线束断路的发生会发生短路误报，排查困难。根据本发明，可以通过在电池间布置压电传感器，监测时时受力的变化。既可以通过受力的变化预警电池的安全，如果受力过大进行初步预警，又可以通过受力判断短路是否发生，是否需要进行电池更换以保证安全使用。

本发明巧妙利用锂离子电池电化学性能与力学性能的耦合关系，发现电池电化学性能影响力学性能，并通过力学性能的改变推测电池内部短路是否发生，为建立锂离子电池内部短路判据提供新的方法与思路。

提供以上实例仅仅是为了描述本发明的目的，而不是限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种通过力学性能判断锂离子电池短路的方法，其特征在于：包括在锂离子电池受机械加载的过程中同步测量力学响应以及电压变化，当在力学响应中的压实阶段出现拐点的同时电压下降时，则判断锂离子电池短路点。

2.根据权利要求1所述的一种通过力学性能判断锂离子电池短路的方法，其特征在于：所述锂离子电池的类型包括：圆柱形锂离子电池，方形锂离子电池或软包锂离子电池。

3.根据权利要求1所述的一种通过力学性能判断锂离子电池短路的方法，其特征在于：锂离子电池受到机械加载过程中力学响应曲线在压实阶段出现拐点。

4.根据权利要求1所述的一种通过力学性能判断锂离子电池短路的方法，其特征在于：力-位移曲线在压实阶段出现拐点的同时锂离子电池电压骤降，所述骤降指电压下降的斜率接近无穷，降幅超过1V。

5.根据权利要求1所述的一种通过力学性能判断锂离子电池短路的方法，其特征在于：所述锂离子电池具有一定电量，即电量大于零，电量从10％-100％。

6.根据权利要求1所述的一种通过力学性能判断锂离子电池短路的方法，其特征在于：所述机械加载时，加载速度为准静态或者动态加载；准静态加载指加载速度为0.1mm/s-1mm/s，动态加载的加载速度为0.1m/s-50m/s。

7.根据权利要求1所述的一种通过力学性能判断锂离子电池短路的方法，其特征在于：机械加载为压缩、压痕加载方式，加载速度为1mm/s-10m/s。

8.根据权利要求1所述的一种通过力学性能判断锂离子电池短路的方法，其特征在于：所述力学响应为实验得到的力-位移曲线。

9.根据权利要求1所述的一种通过力学性能判断锂离子电池短路的方法，其特征在于：用于实验过程中各通道数据的同步记录，各通道数据包括电压、力、温度通道。