CN110959122A - 二次电池的安全性评估方法和设备 - Google Patents

Abstract

根据本发明的安全性评估方法包括以下步骤：制备用于二次电池电极的评估的样本，该样本能够由于包含在其中的元件之间的接触而引起短路；在已经与样本形成接触的电流探针之间施加电流，并且测量在不同于电流探针的电压探针之间的电势差以获得电阻，并且在将引起在元件之间的接触的预定压力施加到样本的、被设定为用于二次电池的内部短路的模拟接触区域的状态下，获得根据在电压探针之间的间隔变化的电阻变化曲线图，从而根据该曲线图的y截距获得在该区域中的短路电阻；并且根据短路电阻预测该区域的发热值。

Description

二次电池的安全性评估方法和设备

技术领域

本公开涉及一种用于评估二次电池的安全性的方法和设备，并且更具体地，本公开涉及一种能够在二次电池设计步骤中使用的安全性评估方法和设备。本申请要求2018年1月31日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2018-0011898的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

背景技术

随着技术的发展和对移动装置、电动车辆、混合动力电动车辆、电力存储系统和不间断电源系统的需求的不断增长，对作为能源的二次电池的需求正在急剧增加，为了满足各种需要，正在进行关于二次电池的很多研究。

二次电池的主要难题之一是通过改进能量密度来提高二次电池的性能，以及提高二次电池的安全性。特别地，根据所使用的材料的特性，锂二次电池存在着火和爆炸的危险，并且在某些情况下，发生与安全性有关的事故。当由于内部短路、过度充电和过度放电所产生的热量而造成锂二次电池中发生电解质分解反应和热失控时，电池的内部压力急剧增加，从而引起电池爆炸。

特别地，由于施加到电池的外部冲击，可能发生锂二次电池的内部短路。在这种情况下，由于存储在每个电极中的高电能的快速传导，与诸如过度充电或过度放电此类其他安全性相关事故相比，短路的正负电极具有更高的爆炸风险。爆炸不仅严重损害了二次电池，而且严重损害了用户，因此，二次电池设计者需要在各个方面开发二次电池设计技术，以针对由短路引起的爆炸现象而确保安全性。

为了提高二次电池的性能，有必要增加内部能量，但同样增加了潜在的事故风险，因此，有必要根据适当的测试标准评估电池的性能和安全性。对使用新设计技术的大规模生产的二次电池进行了安全性测试，以评估电池在被设计用于防止由内部短路引起的爆炸方面的表现如何。二次电池的安全性项目包括：压缩测试，用于模拟由于外部压力而造成电池中发生的内部短路；碰撞测试，用于模拟当受到杆件撞击时、由电池的内部短路引起的爆炸和着火；刺穿测试，用于类似于碰撞测试模拟在电池的封装交付期间、由于钉子刺穿到电池中而发生的内部短路；和热暴露(加热)测试，用于评估电池承受异常增加的周围温度的暴露温度环境的能力。

然而，这些测试旨在评估电池组装之后的安全性，而缺乏用于在使用新设计技术的电池组装步骤和电极组装步骤之前的电池设计步骤中评估安全性的预评估方法。当前，在电极组装步骤中的安全性评估涉及：基于单元单体的每个构件的电阻值来预测短路区域的电阻(以下称为短路电阻)，并模拟发热量，以防止二次电池中发生内部短路。

图1是示出单体的内部结构和短路类型的视图。

参考图1，单体可以具有四种内部短路：正电极集电器10和负电极集电器20之间的短路S_A；正电极集电器10和负电极活性材料层之间的短路S_B；正电极活性材料层12和负电极活性材料层22之间的短路S_C；和正电极活性材料层12和负电极集电器20之间的短路S_D。

针对每种类型的短路S_A、S_B、S_C、S_D，可以通过根据短路电阻预测发热量来评估安全性。然而，在很多情况下，当前在模拟中使用的每个短路电阻值只是材料的已知特有电阻值的加法。实际上，并未考虑可能根据电极组分(活性材料、导电材料和结合剂的比率等)、电极设计(孔隙率、厚度等)和电极表面特性而变化的接触电阻。通过利用接触短路区域的两个端子来施加电流时检查电压来测量和使用短路电阻，但这是粗略的测量值，因此不足以用于准确模拟。另外，该测量方法没有考虑影响接触电阻的压力。在考虑压力的情况下，尚不具有准确测量精确反映接触电阻的短路电阻的手段。

接触电阻是在接触表面上发生的第三电阻分量。图2是示出接触电阻的定义和原因的视图。

参考图2，例如，当材料AA和材料BB以彼此接触的方式串联连接以形成接触表面C时，测量电阻R_SUM高于每种材料的相应的电阻R_AA和R_BB之和。即，产生了接触表面C的电阻分量R_C，并且R_SUM＝R_AA+R_BB+R_C。如上所述，由接触表面上的电子e-的受限运动通道产生了新的电阻分量，并且由接触表面上的该受限的电子运动通道产生的电阻被定义为接触电阻。因此，在图1的短路中，例如，当预测短路S_A区域的短路电阻时，为了准确预测，应当考虑正电极集电器10的电阻和负电极集电器20的电阻之和，以及正电极集电器10和负电极集电器20之间的接触表面的接触电阻。

然而，由于图3所示原因，难以准确地测量接触电阻。

首先，见图3(a)和(b)，根据材料AA和材料BB之间的接触表面的表面状况，存在电子运动通道差异，从而引起电阻变化。图3(a)的接触表面的表面状况具有较少的电子运动通道。因此，在接触表面上产生高电阻。相反，图3(b)的接触表面的表面状况具有很多电子运动通道。因此，接触表面上产生低电阻。

另外，如图3(c)和(d)所示，根据作用在接触表面上的力F的大小，存在电子运动通道差异，从而引起电阻变化。如图3(c)所示，当施加弱力时，存在较少的电子运动通道。因此，接触表面上产生高电阻。相反，如图3(d)所示，当施加强力时，存在很多电子运动通道。因此，接触表面上产生低电阻。

为了准确地评估二次电池的安全性，必须考虑造成短路的构件之间的接触电阻来获知准确的短路电阻。然而，由于影响电阻值的很多周围因素，诸如接触表面的表面状况或作用在接触表面上的力(最终压力)等，使得难以准确测量短路电阻，并降低了安全性评估方法的准确性。

发明内容

技术问题

本公开被设计为解决上述问题，因此本公开旨在提供一种方法，该方法通过在二次电池内部短路时、准确测量包括短路构件之间的接触电阻在内的短路电阻来更准确地评估二次电池的安全性。

本公开还旨在提供一种适合于实施该安全性评估方法的安全性评估设备。

本公开的其他目的和优点将通过下面的详细描述得到理解，并且将从本公开的实施例变得显而易见。另外，将容易看出，本公开的目的和优点可以通过在所附权利要求及其组合中阐述的手段来实现。

技术方案

为了实现上述目的，根据本公开的一种安全性评估方法包括：制备用于二次电池电极评估的样本，其中，通过被包括在该样本中的构件之间的接触将造成短路；将使得构件相接触的预定压力施加到样本的、被设定为二次电池内部短路模拟接触区域的区域，在与样本接触的电流探针之间施加电流，通过测量在独立于电流探针的电压探针之间的电势差来获得电阻，获得电阻根据在电压探针之间的距离变化的变化的曲线图，并且根据曲线图的y截距计算该区域的短路电阻；并且根据短路电阻预测该区域的发热量。

根据本公开的安全性评估方法可以进一步包括：根据发热量的预测结果值，确定构件的组成、孔隙率、厚度和表面特性中的至少一项是否合适。

根据本公开的安全性评估方法可以进一步包括：获得短路电阻根据压力变化而变化的曲线图，并且根据包括这些构件的二次电池的内部压力变化进行短路电阻的模拟。

为了实现另一个目的，根据本公开的一种安全性评估设备包括用于测量短路电阻的治具单元和用于测量和计算的系统单元，其中，治具单元包括：安装台，用于二次电池电极评估的样本被放置在该安装台上，其中，通过被包括在该样本中的构件之间的接触将造成短路；压力施加单元，该压力施加单元被设置成将使得构件之间相接触的预定压力施加到样本的、被设定为二次电池内部短路模拟接触区域的区域；和被设置成与样本形成接触的电流探针，和独立于电流探针并且在探针之间具有可调节距离的电压探针，并且系统单元包括：测量和记录单元，该测量和记录单元用于在电流探针之间施加电流，并测量和记录电压探针之间的电势差；控制单元；和计算单元，该计算单元用于获得电阻随电压探针之间的距离变化而变化的曲线图，根据曲线图的y截距计算该区域的短路电阻，并且根据短路电阻预测该区域的发热量。

电压探针可以包括以规则间隔布置的多个电压探针，并且电压探针中的任意两个可以被选择并组合使用以改变在电压探针之间的距离。

压力施加单元可以包括压机单元、测力传感器和指示器。这里，压机单元可以包括由驱动单元操作的上下压机和压机治具，该压机治具能够由具有用于该区域的正确尺寸的另一个压机治具代替。

系统单元可以包括电化学阻抗谱(EIS)。

有利效果

本公开的安全性评估方法在电池组装和电极组装步骤之前的电池设计步骤中准确地测量用作安全性评估项目中的一项的短路电阻，其中，为了准确的测量，测量包括在已经引起短路的构件之间的接触电阻的短路电阻。

根据本公开的安全性评估方法，可以通过模拟二次电池的内部短路状况来准确地测量短路电阻，可以预测在内部短路时的发热量，并且据此，可以作为在电池组装之前的预评估执行用于电极活性材料和组成以及电池设计的实质性安全性评估。当在电池组装之前完成安全性评估时，可以验证并且修改新的设计标准。可以在评估之后立即改变二次电池的设计条件，并且能够被用作在研发阶段中有用的评估手段。因此，本公开的安全性评估方法是预评估，而不是诸如压缩测试、碰撞测试、刺穿测试和热暴露(加热)测试的后评估，并且能够提供非常准确和有用的安全性评估手段。

根据本公开的安全性评估方法，可以使用包括正电极集电器和正电极活性材料层中的任何一种与负电极集电器和负电极活性材料层中的任何一种的组合的、用于二次电池电极评估的样本来评估安全性。与传统的后评估方法相反，不需要制备完整的二次电池样本，从而相应地降低了评估成本和最终的二次电池制造成本。

根据本公开的安全性评估设备，可以通过分开地使用用于施加电流的电流探针和用于测量电势差的电压探针来实现精确的测量，并且通过获得电阻随电压探针之间的距离变化而变化的曲线图并消除探针导线的电阻分量来测量准确的短路电阻。

另外，根据本公开的安全性评估设备，包括测力传感器和指示器的压力施加单元被设置成通过向样本施加等于在二次电池实际内部短路时的压力的特定压力来测量短路电阻。因此，它能够在更准确并且更现实的内部短路模拟环境下用作安全性评估手段。

根据本公开的安全性评估设备，可以使用一个设备同时地测量压力和短路电阻并预测发热量，从而加强了时间效率并提高了测试操作效率。

附图说明

附图示出本公开的优选实施例，并且与以下详细描述一起提供对本公开的技术方面的进一步理解，因此本公开不应被解释为限于附图。

图1是示出单体的内部结构和短路类型的视图。

图2是示出接触电阻的定义和原因的视图。

图3是示出在测量接触电阻时的困难的视图。

图4是根据本公开实施例的安全性评估方法的流程图。

图5示出电阻随电压探针之间的距离变化而变化的曲线图实例。

图6是根据本公开实施例的安全性评估设备的概略图。

图7示出图6的安全性评估设备中包括的电流探针和电压探针的优选实例。

图8是根据本公开制造的用于测试的安全性评估设备的治具单元的照片图像。

图9是示出通过用于测试的安全性评估设备测量的、针对每种短路类型的电阻R_measured随距离变化的曲线图。

图10是示出通过用于测试的安全性评估设备测量的、针对每种短路类型的短路电阻R₀的比较曲线图。

图11是示出通过用于测试的安全性评估设备测量的、根据压力变化的短路电阻R₀的曲线图。

图12是使用安全性评估设备测量的、探针导线电阻R_wire随压力变化的曲线图。

图13是作为短路面积的函数的、从根据图10的短路电阻R_O计算的发热量的曲线图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本公开的优选实施例。然而，可以以很多其他形式修改根据本公开的实施例，并且本公开的范围不应被解释为限于以下实施例。本公开的实施例向本领域普通技术人员提供对本公开的更完整的描述。

说明书和所附权利要求书中使用的术语或词语不应被解释为限于一般的和词典的含义，而是基于允许发明人适当地定义术语以进行最佳解释的原则，基于与本公开的技术方面相对应的含义和概念来解释。

因此，本文描述的实施例和附图所示内容仅是本公开的最优选实施例，而非旨在全面描述本公开的技术方面，因此应理解，可以在提交专利申请时，对此作出各种其他等同替换和修改。

当产生短路电流时，二次电池中局部产生热量，并且热量扩散。如果所产生的热量被良好地释放出二次电池，则是安全的，但是如果所产生的热量大于所释放的热量，则二次电池的温度逐渐升高，并且可能发生热失控。内部短路时产生的热量由单体电阻、短路电阻和单体电压确定。本公开的安全性评估方法和设备能够准确地测量短路电阻。本公开通过基于准确的短路电阻来准确地预测发热量，从而评估安全性。

图4是根据本公开实施例的安全性评估方法的流程图。

参考图4，首先，制备用于二次电池电极评估的样本(S1)。

如先前参考图1所述，存在总共四种类型的单体内部短路，包括：正电极集电器和负电极集电器之间的短路S_A；正电极集电器和负电极活性材料层之间的短路S_B；正电极活性材料层和负电极活性材料层之间的短路S_C；和正电极活性材料层和负电极集电器之间的短路S_D。在本公开中，关注作为每个短路S_A、S_B、S_C、S_D处的电阻的短路电阻。因此，制备发生这些类型短路的样本。

要求所述样本通过其中所包括的构件之间的接触而造成短路。考虑到前面提到的四种类型的短路，制备包括正电极集电器和正电极活性材料层中的任一种与负电极集电器和负电极活性材料层中的任一种的组合的样本。例如，当有必要测量正电极集电器和负电极集电器之间的短路S_A电阻时，通过简单地将正电极集电器(例如Al箔)和负电极集电器(例如Cu箔)彼此叠置来制备样本(被表示为“正电极集电器/负电极集电器”)。样本可以以非常简单的形式制备，诸如正电极集电器/负电极集电器、正电极集电器/负电极活性材料层、正电极活性材料层/负电极集电器或正电极活性材料层/负电极活性材料层。与传统的后评估方法相反，不需要制备完整的二次电池样本，从而相应地降低了评估成本和最终的二次电池制造成本。

随后，计算所述样本的、被设定为二次电池内部短路模拟接触区域的区域处的短路电阻(S2)。

S2可以包括如下子步骤

首先，将足以使得样本的构件相接触的预定压力施加到该区域(S2_1)。

在所施加的压力下，测量所述样本的电阻(S2_2)。特别地，分别使用用于施加电流的电流探针(I探针)和用于测量电势差的电压探针(V探针)。两个电流探针和两个电压探针与样本相接触，在电流探针之间施加电流，测量电压探针之间的电势差，并通过将测得的电压除以所施加的电流来获得电阻。由于电流不在电压探针中流动，因此不会由于电流流动而产生任何电阻。这不是测量电流探针之间的电势差，并且也不测量由电流探针引起的电阻。因此，可以精确地测量小电阻。基于所施加电流绘制电流I-电压V的曲线图，直线斜率对应于电阻R，在下文中，将所测量和计算的电阻称为R_measured。

当电压探针导线的电阻为R_wire，该区域处的短路电阻为R_{short circuit}时，R_measured满足以下等式1。

【等式1】

R_measured＝R_wire+R_{short circuit}

当d是电压探针之间的距离时，等式1可以被表达为以下等式2。

【等式2】

R_measured＝(R_{wire per length}/d)+R_{short circuit}

在等式2中，R_{wire per length}是单位长度的电压探针导线电阻。电压探针之间的导线电阻R_wire根据距离d而变化，但是短路电阻R_{short circuit}应当恒定。

随后，通过改变电压探针之间的距离来测量电阻(S2_3)。测量至少两个不同距离下的每个电阻。

可以使用S2_2和S2_3(S2_4)的结果来获得电阻与电压探针之间的距离变化的变化曲线图。

图5是电阻随电压探针之间距离变化的变化曲线图的实例。可以通过将在每个距离下获得的电阻值绘制为点(数据点)来获得该曲线图，并且当利用穿过这些点获得直线的方法(可以使用外插法或内插法)对该曲线图施加线性拟合时，曲线图的斜率是R_{wire per length}，并且y截距是R_{short circuit}。因此，本公开特征在于，可以通过将导线电阻分量与测量电阻R_measured相分离来准确地确定短路电阻R_{short circuit}。

随后，根据通过先前的步骤S2计算的短路电阻R_{short circuit}预测该区域的发热量(S3)。

当已知短路电阻时，能够根据以下等式3计算由短路产生的热量。

【等式3】

P(watt)＝I²·R_e＝V²·R_e/(R_i+R_e)²

在等式3中，R_i是作为内部电阻的单体电阻。R_e是作为外部电阻的短路电阻。当V是单体电压并且I是在短路中流动的电流时，P是功率，即从短路产生的热量。

当通过利用S2的方法测量电阻、并且随后进行曲线拟合而获得的短路电阻是测量短路电阻R_O时，可以根据以下等式4来计算考虑了短路面积A的实际短路电阻R_a。

【等式4】

R_a＝R₀/A

为了计算实际发热量，将实际短路电阻R_a代入等式3的R_e中。

通过这些步骤预测的发热量是在所述样本的、被设定为二次电池内部短路模拟接触区域的区域在预定压力下的发热量。可以使用发热量在各个方面评估二次电池的安全性。

例如，利用发热量的预测结果值，可以确定引起短路的构件的组成、孔隙率、厚度和表面特性中的至少一项是否合适。例如，作为测试1，制备正电极集电器/负电极集电器样本，以测量正电极集电器和负电极集电器之间的短路S_A的短路电阻，在预定压力P1下测量短路电阻，预测发热量，并且当预测的结果被确定为该发热量不足以引起二次电池中的热失控时，则确定作为构件包括在测量样本中的正电极集电器和负电极集电器适合于集电器规格，诸如材料或厚度。当预测的发热量被确定为足以引起二次电池中的热失控时，则确定作为构件包括在测量样本中的正电极集电器和负电极集电器是不合适的。因此，确定需要改变一些设计条件，诸如材料或厚度。

根据本公开的安全性评估方法可以进一步包括：获得短路电阻随压力变化的变化曲线图；以及模拟根据包括这些构件的二次电池的内部压力变化的短路电阻。

例如，即使包括在测试1中被确定为适合的正电极集电器和负电极集电器的二次电池也可能由于使用中的各种原因而使得内部压力上升至P2，在这种情况下，有必要预测由短路产生的热量。现有技术没有考虑这一点，但是本公开的安全性评估方法被执行为进行测试2，以向样本施加压力P2的情况下测量短路电阻并预测发热量。当从测试1的P1获得的发热量不足以引起热失控、但是从测试2的P2获得的发热量被确定为足以引起热失控时，作为构件包括在测量样本中的正电极集电器和负电极集电器是不合适的。根据本公开，可以预测在实际使用电池的环境中由二次电池的内部压力产生的热量，从而获得更准确的安全性评估结果，并确保二次电池在实际使用中的安全性。

与该实例类似，当适当制备样本后，可以在预定压力下对于正电极集电器和负电极活性材料层之间的短路S_B、正电极活性材料层和负电极活性材料层之间的短路S_C以及正电极活性材料层和负电极集电器之间的短路S_D中的每一个准确地测量短路电阻，因此准确预测发热量。

例如，在通过先前的测试1和/或测试2建立用于正电极集电器和负电极集电器的设计条件之后，作为测试3来制备其中可能在正电极集电器和负电极活性材料层之间发生短路S_B的正电极集电器/负电极活性材料层样本，并且测量短路电阻并且预测发热量。当该发热量被确定为足以引起二次电池中的热失控时，作为构件包括在测量样本中的负电极活性材料层是不合适的。因此，在开发更合适的负电极活性材料层时，可以使用通过改变负电极活性材料层的组成(例如改变活性材料、导电材料和结合剂中的每一种的类型或比率，或者改变负电极活性材料层的孔隙率和厚度)而获得的结果。

在电池设计步骤中可以设想本文未描述的各种其他安全性评估应用，并且通过本公开的安全性评估方法获得的准确的短路电阻的使用以及由此预测的发热量落入本公开的范围内。

同时，根据本公开的先前描述的安全性评估方法可以使用以下装置中的每一种的组合来执行：用于将预定压力施加到样本的装置；用于将电流施加到样本并测量电势差的装置；和使用通过测量获得的结果值来计算短路电阻和发热量的装置。这里，每种装置可以包括能够以本领域技术人员的技术水平来使用的任何装置，诸如人力或已知的电子机械装置构件，并且本公开的安全性评估方法可以通过其适当组合来执行。

在下文中，将描述适合于实施该安全性评估方法的根据本公开的安全性评估设备。

图6是根据本公开实施例的安全性评估设备的概略图。

参考图6，安全性评估设备40包括：用于测量短路电阻的治具单元100；以及用于测量和计算的系统单元200。

治具单元100包括：安装台110，用于二次电池电极评估的样本50被放置在所述安装台处，在该样本中，可能由于构件之间的接触而产生短路；压力施加单元120，所述压力施加单元被设置成将预定压力施加到样本50的、被设定为二次电池内部短路模拟接触区域D的区域，以使得构件相接触；电流探针130，所述电流探针被设置成与样本50相接触；和电压探针140，所述电压探针独立于电流探针130，并且电压探针之间具有可调节距离。

压力施加单元120基本上包括压机单元125，并且可以进一步包括测力传感器127和指示器129。压机单元125可以包括由驱动单元121操作的上下压机122和压机治具123，该压机治具能够由具有用于区域D的正确尺寸的其它压机治具代替。测力传感器127可以将压机单元125施加到样本50的载荷转换成电信号，并通过指示器129将其进行显示。测力传感器127可以被包括在压机单元125中，并且可以被放置在安装台110上或被包括在其中。

系统单元200被连接到治具单元100的电流探针130和电压探针140。系统单元200包括测量和记录单元210、控制单元220和计算单元230。

测量和记录单元210在电流探针130之间施加电流，并且测量和记录在电压探针140之间的电势差。测量和记录单元210可以至少包括测量单元212和存储单元214。

控制单元220可以被电耦接到测量单元212。

测量单元212包括在控制单元220的控制下、在电流探针130之间施加电流并测量电压探针140之间电势差所必要的电路，并将测量结果值输出到控制单元220。控制单元220将输入的结果值存储在存储单元214中。

存储单元214是能够以电、磁、光学或量子力学方式记录或擦除数据的存储介质，作为非限制性实例，存储单元214可以是RAM、ROM或寄存器。优选地，存储单元214可以例如通过数据总线被连接到控制单元220，以允许控制单元220对其进行访问。

存储单元214可以存储和/或更新和/或擦除包括由控制单元220执行的各种类型的控制逻辑的程序、预定义参数和/或在执行控制逻辑时创建的数据。存储单元214可以在逻辑上被分成两个或更多个，并且可以被包括在控制单元220中，但是不限于此。

计算单元230可以从存储单元214读取结果值，计算电阻，并且获得电阻根据电压探针140之间的距离变化而变化的曲线图。根据前述方法，计算单元230可以被编程为执行各种必要的计算，包括从曲线图的y截距计算区域D的短路电阻，并从短路电阻预测该区域的发热量。

控制单元220可以选择性地包括处理器、专用集成电路(ASIC)、芯片组、逻辑电路、寄存器、通信调制解调器和本领域已知的数据处理装置，以执行本文公开的各种控制逻辑。另外，当控制逻辑以软件实现时，控制单元220可以被实现为一组程序模块。在这种情况下，程序模块可以被存储在存储单元214中，并由处理器执行。存储单元214可以位于处理器内或处理器外，并且可以用各种众所周知的装置被连接到处理器。

同时，系统单元200可以包括电化学阻抗谱(EIS)。电化学阻抗谱可以包括测量和记录单元210以及计算单元230，测量和记录单元210以及计算单元230帮助容易地测量和监视电阻并计算短路电阻。

在使用安全性评估设备40时，样本50可以被放置在安装台110上，并且可以通过压力施加单元120来执行先前描述的图4的S1和S2_1。

通过驱动单元121的操作，上下压机122被降下，使得压机治具123与样本50相接触，并且通过调节载荷来施加压力。可以在查看通过测力传感器127和指示器129显示的数值时监视是否正在施加期望的压力。驱动单元121可以是用杠杆或螺杆手动操纵的被动压机，但是驱动单元121可以被构造成这样的电驱动压机：其通过用于操作所述系统单元200内的控制单元220的信号来与系统单元200一致地自动操作。

在所施加的压力下，当电流探针130和电压探针140与样本50相接触并被连接到系统单元200时，可以通过测量和记录单元210来执行图4的S2_2和S2_3。计算单元230使用测量和记录单元210的测量结果来计算电阻。为了执行S2_3，可以根据设备本身的设计、例如通过控制单元220的操作自动地或者手动地执行改变电压探针140之间距离的步骤。

随后，计算单元230获得电阻随电压探针140之间的距离变化而变化的曲线图，根据曲线图的y截距计算区域D的短路电阻，并且执行图4的S2_4。另外，根据短路电阻来预测区域D的发热量，并且执行图4的S3。

图7示出作为图6的安全性评估设备40中所包括构件的电流探针130和电压探针140的优选实例。图7包括电流探针130和电压探针140与系统单元200之间的连接关系的图示。

设置了两个电流探针130和四个或更多个电压探针140，例如，如图所示，设置了十二个电压探针。

电压探针140被布置在该两个电流探针130之间。电压探针140以规则的距离布置在样本50的二次电池内部短路模拟区域D的两侧上。按照从最外侧的电压探针140到最内侧的电压探针140的顺序分配序列号1至6，并且在用于图4的S2_2的初步测量中，在电流探针130之间施加电流，并且例如，通过测量6号电压探针140之间的电势差来获得电阻。随后，在用于图4的S2_3的二次测量中，电流探针130的位置不变，并且在其间施加电流，并且例如，通过测量5号电压探针140之间的电势差来获得电阻。如上所述，每个电压探针140以规则的间隔布置，并且可以选择任意两个电压探针140并组合使用，以改变电压探针140之间的距离。通过该操作，可以增加用于电阻测量的电压探针之间的距离。相反，可以减小所述距离。

在图7的构造中，可以通过选择多个电压探针140中的任意两个电压探针并将其组合使用来改变电压探针之间的距离。使用多个电压探针140中的哪两个电压探针可以是用于期望的距离变化的选择标准，并且可以机械地或通过控制单元220的信号命令来完成所述选择和使用。

如上所述，考虑到二次电池中可能发生内部短路的可能性，本公开的安全性评估设备40可以作为压力的函数对于每种内部短路情况精确地测量短路电阻。电流探针和电压探针被分开用于精确地测量小电阻。在利用固定的电流探针和改变电压探针之间的距离来测量电阻后，可以将线性拟合添加到电阻相对于电压探针之间距离关系的曲线图中，以提取探针导线电阻，从而获得更准确的短路电阻。

在下文中，在以用于测试的简化形式制造该安全性评估设备之后，将描述在使用为4.2V二次电池设计的正电极和负电极的实际短路电阻测量中使用的应用实例。

图8是根据本公开、为测试制造的安全性评估设备的治具单元的照片图像。

参考图8，示出了安装台110、压机单元125、指示器129、电流探针130和电压探针140。商用EIS可以被连接到治具单元，以替换系统单元。

对于指示器129，使用CAS CI-2001A模型。CAS CI-2001A模型是适合于测量测试和平台秤的工业小型指示器。

在测试中使用的EIS和简化的治具单元的规格如下表1和2中所示。

【表格1】

【表格2】

项目	细节
		EIS连接	4pi,2pi香蕉插头
EIS测量	LSV(0～30mV)
		EIS升压器	5A,10A

图9是示出通过用于测试的安全性评估设备测量的、针对每种短路类型的、根据距离变化的电阻R_measured的曲线图。

能够看出，随着电压探针之间距离增加而增加所述距离，测量电阻线性地增加。它与基于距离的预期电阻的变化趋势相对应，表明结果可靠。

图10是示出利用用于测试的安全性评估设备测量的、针对每种短路类型的短路电阻R₀的比较的曲线图。所施加的压力为10Kgf/cm²。

根据材料的特性，短路电阻按照负电极集电器/正电极集电器、负电极活性材料层/正电极集电器和负电极活性材料层/正电极活性材料层的顺序增加。测量结果与之匹配。由于不管类型如何，都能够稳定地测量即使很小的电阻差，因此可以根据短路的类型来区分电阻，即，可以实现稳定的测量。

能够从图9和10看出，无论是何种短路类型，都能够以高可靠性稳定地测量电阻和短路电阻。

图11是示出利用用于测试的安全性评估设备测量的、根据压力变化的短路电阻R₀的曲线图。

参考图11，随着压力增加，趋于收敛到特定值。如参考图3所述，随着压力的增加，接触电阻减小。图11的结果示出了随着压力的增加、电阻随着增加的电阻移动路径的变化。因此，发现能够获得可靠的测量结果。另外，随着压力增加、短路电阻减小表明：即使由压力差引起的小的电阻变化，也可以被稳定地测量。因此，能够从图11看出，无论压力变化如何，都能够以高可靠性稳定地测量短路电阻。

图12是利用用于测试的安全性评估设备测量的、根据压力变化的探针导线电阻R_wire的曲线图。

参考图12，对于每种类型，电阻几乎相等，并且不会根据压力而变化。如所述等式3中提到地，探针导线电阻对于每种类型和每个压力应当恒定。这是因为材料本身的电阻是恒定的，而与挤压的压力无关。测量结果与此匹配。因此，能够通过图2看出，可以与压力变化无关地实现可靠的测量。

可以通过考虑根据等式4的短路面积并且将其代入等式3的R_e中而将图10的短路电阻R_O转换成实际短路电阻来计算发热量。

图13是示出作为短路面积的函数根据图10的短路电阻R_O计算的发热量的曲线图。在4.2V二次电池中，单体电阻低至3mΩ。因为单体电阻低，所以预期热量随着短路面积的增加而增加，并且能够获得相应的结果。

如上所述，本公开的安全性评估方法特征在于，在电池组装和电极组装步骤之前的电池设计步骤中准确地测量用作安全性评估项目中的一项的短路电阻，其中，测量包括在已经引起短路的构件之间的接触电阻的短路电阻，以用于准确测量。

根据本公开的安全性评估方法，可以通过模拟二次电池的内部短路状况来准确地测量短路电阻，可以预测内部短路时的发热量，并且据此，可以作为在电池组装之前的预评估执行用于电极活性材料和组成以及电池设计的实质性安全性评估。当在电池组装之前完成安全性评估时，可以验证并且修改新的设计标准。可以在评估之后立即改变二次电池的设计条件，并且能够被用作在研发阶段中有用的评估手段。因此，本公开的安全性评估方法是预评估，而不是诸如压缩测试、碰撞测试、刺穿测试和热暴露(加热)测试的后评估，并且能够提供非常准确和有用的安全性评估手段。

根据本公开的安全性评估方法，可以使用包括正电极集电器和正电极活性材料层中的任何一种与负电极集电器和负电极活性材料层中的任何一种的组合的、用于二次电池电极评估的样本来评估安全性。与传统的后评估方法相反，不需要制备完整的二次电池样本，从而相应地降低了评估成本和最终的二次电池制造成本。

根据本公开的安全性评估设备，可以通过分开使用用于施加电流的电流探针和用于测量电势差的电压探针来实现精确的测量，并且通过获得电阻根据电压探针之间的距离变化而变化的曲线图并消除探针导线的电阻分量来测量准确的短路电阻。

另外，根据本公开的安全性评估设备，包括测力传感器和指示器的压力施加单元被设置成通过向样本施加等于在二次电池实际内部短路时的压力的特定压力来测量短路电阻。因此，它能够在更准确并且更现实的内部短路模拟环境下用作安全性评估手段。

根据本公开的安全性评估设备，可以使用一个设备的同时测量压力和短路电阻并预测发热量，从而加强了时间效率并提高了测试操作效率。

在描述本公开的各种实施例时，由“

单元”表示的构件应被理解为在功能上而非物理上分类的元件。因此，每个构件可以与其他构件选择性地组合，或者可以被划分成子构件以有效执行控制逻辑。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，即使构件被组合或划分，如果可以认识到功能的相同性，则被组合或划分的构件也应被解释为在本公开的范围中。

尽管以上已经针对有限数目的实施例和附图描述了本公开，但是本公开不限于此，并且本领域技术人员可以在本公开的技术方面和所附权利要求的等效范围内作出各种修改和改变。

Claims (8)

1.一种安全性评估方法，包括：

制备用于二次电池电极评估的样本，其中，当所述样本中所包括的构件之间彼此接触时产生短路；

将使得所述构件相接触的预定压力施加到所述样本的、被设定为二次电池内部短路模拟接触区域的区域；

在与所述样本相接触的电流探针之间施加电流，通过测量与所述电流探针相分离的电压探针之间的电势差来获得电阻，获得电阻随所述电压探针之间的距离变化而变化的曲线图，并且根据所述曲线图的y截距来计算所述区域的短路电阻；并且

根据所述短路电阻来预测所述区域的发热量。

2.根据权利要求1所述的安全性评估方法，进一步包括：

根据所述发热量的预测结果值，确定由所述构件的组成、孔隙率、厚度和表面特性所组成的组中的至少一项是否合适。

3.根据权利要求1所述的安全性评估方法，进一步包括：

获得所述短路电阻随压力变化而变化的曲线图，并且根据包括所述构件的二次电池的内部压力变化进行所述短路电阻的模拟。

4.一种安全性评估设备，包括：

用于测量短路电阻的治具单元；和

用于测量和计算的系统单元，

其中，所述治具单元包括：

安装台，用于二次电池电极评估的样本被放置在所述安装台上，其中，被包括在所述样本中的构件之间的接触造成短路；

压力施加单元，所述压力施加单元被构造成将使得所述构件之间彼此接触的预定压力施加到所述样本的、被设定为二次电池内部短路模拟接触区域的区域；和

电流探针，所述电流探针与所述样本相接触；和

电压探针，所述电压探针与所述电流探针相分离，并且所述电压探针之间具有可调节的距离，并且

所述系统单元包括：

测量和记录单元，所述测量和记录单元被构造为在所述电流探针之间施加电流，并且测量和记录所述电压探针之间的电势差；

控制单元；和

计算单元，所述计算单元被构造为：获得电阻随所述电压探针之间的距离变化而变化的曲线图，根据所述曲线图的y截距计算所述区域的短路电阻，并且根据所述短路电阻预测所述区域的发热量。

5.根据权利要求4所述的安全性评估设备，其中，所述电压探针包括以规则间隔布置的多个电压探针，并且所述电压探针中的任意两个电压探针被选择并组合使用以改变所述电压探针之间的距离。

6.根据权利要求4所述的安全性评估设备，其中，所述压力施加单元包括压机单元、测力传感器和指示器。

7.根据权利要求6所述的安全性评估设备，其中，所述压机单元包括由驱动单元操作的上下压机和可替换的压机治具。

8.根据权利要求4所述的安全性评估设备，其中，所述系统单元包括电化学阻抗谱(EIS)。

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