CN111490223A - 一种磁热诱发电池内短路的方法及装置 - Google Patents

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吴琦
陈浩森
宋维力
杜虓
朱盛鑫
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张明亮
李娜
杨乐
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Abstract

本发明涉及一种磁热诱发电池内短路的方法及装置，特别涉及一种利用内短路装置诱发电池热失控的方法，属于电池实验领域。通过在柱状电池或软包电池内部埋入磁‑镍内短路装置，制造特种电池，再利用超声定位加热的方法对电池内部内短路装置位置加热，从而引发内短路。搭配红外摄像仪器，电流电压测试仪器测量电池在内短路后的温度和电压变化，揭示电池内短路热失控的特征，研究热蔓延规律，从而辅助电池设计来更好地抑制热失控的发生和蔓延。

Description

一种磁热诱发电池内短路的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种磁热诱发电池内短路的方法及装置，特别涉及一种利用内短路装置诱发电池热失控的方法，属于电池实验领域。
背景技术
电池作为能源储存装置已经被广泛应用于便携设备、交通工具和能源管理等领域。随着近些年来对电池能量密度的要求逐渐升高，电池的安全性问题也被凸显出来。电池安全事故，如手机充电时电池爆炸、电动汽车自燃和飞机蓄电池起火等，让许多研究者将重心放到提高电池安全性上。普遍认为，电池的热失控是导致电池引发安全事故的主要因素，而电池的热失控是如何自己引发的，又是如何发生热蔓延导致电池甚至电池组的整体爆炸，目前的研究还不足以揭示其产生原理和详细的发展历程。为了更好地解释热失控的发生与蔓延，需要在具有保护条件的实验室中复现电池的热失控，进而研究其客观规律，寻找提高电池安全性的方法。
国内学者有通过电池外部短路的方式模拟电池的内短路热失控，该种方法在原理上与电池自发的热失控有一定的差异，无法重现真实的具有危险性的电池热失控。也有国内和国外学者进行过充放电诱导电池内短路热失控的实验，但是该种方法成功率低且过充放电可能引发电池内部的多种不可预期的副反应发生。还有学者通过电池机械挤压的方式触发电池内短路，例如针刺实验、金属棒挤压实验等，其中针刺方法能够引发电池的剧烈热失控现象，但是通过其它学者对于电池内短路和针刺实验的比较，发现它们的产热规律和效应不同。有国内外学者曾利用加速量热仪对电池进行持续的加热，观察其不同温度下的放热特征。该种热诱发热失控的方法需要将电池加热到100℃以上，与真实情况下的电池热失控情况有较大差别。也有国外学者利用液态金属实现了电池内短路，但是该内短路方法的内阻过大，不能够导致电池的剧烈热失控效应。目前锂离子电池触发内短路热失控的手段比较缺乏，需要更真实、更有效的实验用电池内短路热失控触发手段。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有试验方式存在有效率低，与实际差别大的问题，提供一种磁热诱发电池内短路的方法及装置。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种磁热诱发电池内短路的方法：通过磁力吸附原理，使得正极集流体和负极集流体接触、正极集极片材料和负极集流体接触、正极集流体和负极极片材料接触或者正极集极片材料和负极极片材料接触，达到电池短路的目的。
一种磁热诱发电池内短路的装置，镍片、缺孔隔膜、石蜡膜和微型磁铁片依次固定连接；
所述镍片可以采用其它种类的铁磁性材料，如镍铁片等。
所述短路装置安装在正极极片材料和负极极片材料之间；镍片与正极极片材料或者负极极片材料固定连接；升温石蜡膜融化，使得正负极接触，形成短路；
表面的极片材料被刮掉，形成凹槽用于放置镍片，形成稳定结构，且减少正极极片材料和负极极片材料之间的空间；
表面的极片材料被刮掉，形成凹槽用于放置镍片，将镍片与负极集流体接触；
根据不同的电池内短路需要，将所述微型磁铁片利用PE膜进行侧面或者底面的部分包覆，达到定向、定点触发短路的目的。
在所述正极或者负极上开设凹槽或者通孔，用于安装微型磁铁片；
通过加热使得石蜡膜升温，以实现短路。
所述加热方法包括：超声声波加热和恒温箱加热；
所述超声声波加热在电池内容进行局部加热；
有益效果
1、本发明的一种磁热诱发电池内短路的方法，该方法的原理利用了强磁铁对镍片等铁磁性材料的强引力作用，较大地提高了升温融化石蜡后内短路发生的概率。
2、本发明的一种磁热诱发电池内短路的装置，镍片和微型磁铁片摆放在挖去部分或全部极片材料的部位，可以缓解由于内短路装置尺寸引起的电池局部正负极片材料与隔膜接触不良的问题，提高电池性能的稳定性。
3、本发明的一种磁热诱发电池内短路的装置，采用PE薄膜来进行内短路装置的定点接触，保障其在接触极片材料时与集流体绝缘，反之亦然。
4、本发明的一种磁热诱发电池内短路的装置，微型磁铁片采用了直接固定、挖通孔以及挖凹槽多种方式进行放置，具有较高的自由度，提高了该套内短路装置针对不同情况的灵活性。
5、本发明的一种磁热诱发电池内短路的方法，通过超声局部加热的方法，对该内短路装置进行热诱发，可以减少对电池影响，提高可信度。
附图说明
图1磁热内短路装置结构图；
图2磁热内短路装置结构图俯视图；
图3磁热内短路装置嵌入正负极极片材料内部示意图。
图中，1-镍片；2-缺孔隔膜；3-石蜡膜；4-微型磁铁片；5-正极极片材料；6-正极集流体；7-负极极片材料；8-负极集流体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步描述：
实施例1
以触发18650柱状锂离子电池内短路为例，制备电池内短路装置，包括镍片1、缺孔隔膜2、石蜡膜3和微型磁铁片4，所述镍片为高纯镍片，所述缺孔隔膜孔洞尺寸小于镍片尺寸，所述石蜡膜均匀覆盖在微型磁铁片的一侧。
将卷绕好的18650柱状电池卷芯进行反卷绕，漏出正极极片材料和负极极片材料，按照所述电池内短路装置缺孔隔膜的大小，将所述18650柱状电池卷芯的隔膜剪去略小于所述内短路装置缺孔隔膜尺寸的孔洞，将所述缺孔隔膜2用PE胶带覆盖固定在所述18650柱状电池隔膜的孔洞上。对应所述缺孔隔膜2的位置，利用NMP试剂除去所述18650柱状电池卷芯部分的正极极片材料(也可以不除去)，将所述覆盖了石蜡膜3的微型磁铁片4置于缺少正极极片材料的位置，用PE胶带进行固定。同样的，对应所述缺孔隔膜2的位置，利用NMP试剂除去部分所述18650柱状电池卷芯的负极极片材料，将所述镍片1置于对应位置。将所述完成改变的18650柱状电池卷芯重新卷绕，用PE胶带对所述18650柱状电池进行固定。
通过正常的电池制造过程，得到利用所述改变的18650柱状电池卷芯得到的包含内短路装置的18650电池。
将所述18650电池置于热失控防爆箱，利用超声加热仪器，对内短路装置部位进行局部加热至56-60摄氏度，维持3-5分钟，与此同时监测电池的开路电压，可以观测到电池明显的电压降低，代表着电池内短路的发生。通过调整内短路装置的不同部位的尺寸，可以得到不同效果的电池内短路现象。
实施例2
以触发软包电池内短路并进行温度观测为例：将镍片1、缺孔隔膜2、石蜡膜3和微型磁铁片4依次固定连接；取准备好的软包电池正负极极片材料，利用NMP试剂针对负极极片材料去除稍大于微型磁铁片的区域内的所有活性物质，同时针对对应位置的正极极片去除稍大于镍片的部分表层活性物质，之后将对应位置的隔膜根据剪出稍小于缺孔隔膜2尺寸的孔洞。在卷绕步骤中，将微型磁铁片4先通过PE薄膜包裹全部侧边再置于负极极片材料凹槽处，保证其与负极集流体的良好接触，镍片1置于正极极片材料凹槽处，石蜡薄膜3置于缺孔隔膜2与微型磁铁片4中间，缺孔隔膜2通过PE胶带贴合在所述隔膜孔洞处。之后通过正常的软包电池制备过程，得到活化后的性能良好的多层软包电池。
利用红外摄像仪针对软包电池侧表面进行温度场的同步记录，通过外部超声加热的方法对电池内部内短路装置位置进行加热，60℃左右维持近3-5分钟，之后特种电池会发生内短路产生大量放热的过程。利用红外摄像仪可以记录分析这个迅速升温过程，并分析该种负极集流体与正极极片材料内短路方式的剧烈程度。
实施例3
以触发柱状电池正极集流体和负极集流体内短路为例：取柱状电池正极极片和负极极片，在其上对应位置利用NCM试剂溶解去除稍大于所述镍片1大小的极片材料，留下两个凹槽，裸露出铝集流体和铜集流体。将所述镍片1用少许PE胶带固定在所述正极极片凹槽处，再将微型磁铁片4用同样方法固定于所述负极极片凹槽处，在微型磁铁片外侧将石蜡膜3贴合并固定。在电池卷绕的过程中，将隔膜对应于微型磁铁片4和镍片1的位置剪开稍小于石蜡膜尺寸的缺孔，从而得到缺孔隔膜2。之后通过正常的电池制备过程，完成特种柱状电池的制作。对所述特种柱状电池进行活化和测试，检查其性能是否正常。
下一步对特种柱状电池发生内短路时的钢壳温度和钢壳破裂进行观测和记录。将热电偶传感器贴合于靠近特种柱状电池内部内短路装置的位置，同时利用高速摄像仪对电池进行拍摄。开始温度传感器的温度记录和高速摄像仪的拍摄，之后利用超声定位加热仪器对所述特种柱状电池内部内短路位置进行加热，于60℃左右维持近3-5分钟，融化石蜡膜3，由于磁力作用镍片1和微型磁铁片4发生接触，引发电池内短路。实验结束后利用热电偶传感器分析其外壳温度变化，高速摄像仪则可以记录电池可能发生的喷射、爆炸时其威力和对外释放颗粒的大小。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种磁热诱发电池内短路的方法，其特征在于：通过磁力吸附原理，使得正极集流体和负极集流体接触、正极极片材料和负极集流体接触、正极集流体和负极极片材料接触或者正极极片材料和负极极片材料接触，达到电池短路的目的。
2.一种磁热诱发电池内短路的装置，其特征在于：镍片(1)、缺孔隔膜(2)、石蜡膜(3)和微型磁铁片(4)依次固定连接；
所述短路装置安装在正极极片材料(5)和负极极片材料(7)之间；镍片(1)与正极极片材料(5)或者负极极片材料(7)固定连接；升温石蜡膜(3)融化，使得正负极接触，形成短路。
3.如权利要求2所述装置，其特征在于：极片材料表面的极片材料被刮掉，形成凹槽用于放置镍片(1)，形成稳定结构，且减少正极极片材料(5)和负极极片材料(7)之间的空间。
4.如权利要求2所述装置，其特征在于：极片材料表面的极片材料被刮掉，形成凹槽用于放置镍片(1)，将镍片(1)与负极集流体(8)接触。
5.如权利要求2所述装置，其特征在于：根据不同的电池内短路需要，利用PE膜对所述微型磁铁片(4)进行部分包覆，实现定点短路。
6.如权利要求2所述装置，其特征在于：在所述正极或者负极上开设凹槽或者通孔，用于安装微型磁铁片(4)。
7.如权利要求2所述装置，其特征在于：通过加热使得石蜡膜(3)升温，以实现短路。
8.如权利要求7所述装置，其特征在于：所述加热方法包括：超声声波加热。
9.如权利要求8所述装置，其特征在于：所述超声声波加热在电池内容进行局部加热。
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