CN112397789B - 可检测锂枝晶生长三电极电池及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可检测锂枝晶生长三电极电池，包括电池本体、正电极柱、负电极柱、检测电极柱，所述电池本体上分别设有正电极柱、负电极柱，所述电池本体内部设有电解液，所述正电极柱与所述负电极柱之间设有检测电极柱，所述正电极柱与检测电极柱之间设有注液孔，所述检测电极柱外层设有隔离膜，所述隔离膜防止检测电极柱碰到正负电极柱造成短路，本发明的有益效果在于：检测电极柱设计不改变原来电池的内部正负极电芯结构，不影响电池的正常工作，但又能更方便准确检测三个电极柱之间内阻的变化，更重要的是通过检测检测电极柱与负电极柱内阻的变化，实现对锂电池锂枝晶生长进度进行准确检测，提前准确预测出电池的正常使用寿命。

Description

可检测锂枝晶生长三电极电池及方法
【技术领域】
本发明涉及一种锂电池生产技术领域，尤其涉及一种可检测锂枝晶生长三电极电池及方法。
【背景技术】
由于锂电池质轻、高效，能量密度高等一系列其它电池无法比拟的优势，近十几年来取得了长足发展，已经被广泛用于现代各种移动设备中，手机、笔记本电脑、电动交通工具、电动汽车等，是目前很多设备上最抢手的能量存储系统之一。虽然它在商业上已经非常成功，然而它仍然有明显的缺点：传统锂电池结构设计的固有缺陷使锂电池具有不可避免的安全隐患，容易引起爆炸或引发火灾等。近年就发生了一系列与锂电池燃烧、爆炸有关的事件：笔记本电脑被烧毁，航班被取消。因为锂电池起火，有些品牌手机型号停止了销售，锂电池新能源汽车也时有又发生因为电池内部短路造成的爆炸起火事故。随着便携式电子设备及电动汽车的快速发展，人们除了追求锂电池的大容量和充放电速度外，更关心的是锂电池的安全性。屡屡发生的锂电池爆炸事件难免让人神经紧绷。
为了进一步提高锂离子电池的能量密度，越来越多的锂电池以金属锂为负极，与使用石墨(比容量低)或者硅(导电性差且膨胀严重)作为负极材料相比，金属锂本身由于其极高的比容量(大约为石墨的十倍)和极好导电性，同时可以选择的正极材料更丰富，对于未来的高能量密度高倍率电池来说，金属锂负极或许是更好的选择。然而选择金属锂作为负极的电池也存在另一个致命缺陷，锂离子在负极沉积过程中，会自发形成树枝状的锂枝晶，其尖锐结构容易刺破隔膜，导致电池短路，造成安全隐患，为了解决这个问题，科学家们提出了各种各样的解决方案，物理方法试图压制枝晶的产生或者生长，但是并不能完全杜绝枝晶形成。到目前为止，锂金属在循环过程中的枝晶生长问题依然没有得到解决,因此,平稳锂的沉积、抑制锂的枝晶生长是可充电锂金属电池目前最迫切需要解决的关键问题。
【发明内容】
本发明的目的在于解决这一缺陷，虽然我们还不能阻挡枝晶的生长，但是可以检测它的生长过程，预测它的生长速度，在它形成短路事故前停止使用，这就避免了短路着火事故的发生，大大提高了锂电池使用的安全性，在手机、电动车，新能源电动汽车等安全要求高的应用领域，意义特别重大。目前日本已经把锂电池用在潜水艇上，电池的安全对潜水艇来说更是生死攸关，而如果使用本发明生产的锂电池，就可以实现实时在线检测电池工作状态是否正常，预测电池寿命何时到期，保证了锂电池能安全可靠放心使用的不足而提供的一种新型的可以准确检测和监控锂枝晶生长的全过程，避免了锂枝晶过度生长造成的电池内部短路引起的起火爆炸事故的可检测锂枝晶生长三电极电池。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种可检测锂枝晶生长三电极电池，包括电池本体、正电极柱、负电极柱、检测电极柱，所述电池本体上分别设有正电极柱、负电极柱，所述电池本体内部设有电解液，所述正电极柱与所述负电极柱之间设有检测电极柱，所述正电极柱与检测电极柱之间设有注液孔，所述检测电极柱外层设有隔离膜，所述隔离膜防止检测电极柱碰到碰到正电极柱、负电极柱造成短路。
进一步地，所述检测电极柱为导电材料网状结构。
进一步地，所述导电材料网状结构材质为铜丝或铂丝或炭纤维或石墨烯。
进一步地，所述检测电极柱的面积和与所述正电极柱、负电极柱的面积相同。
进一步地，所述检测电极柱外层使用锂离子电池的带孔薄膜材料包裹。
进一步地，铜丝粗细和铜丝数量计算方法：设网状铜丝方格一边直接连接第三电极铜丝数量为N，铜丝直径为D mm，它们的关系式是：D*D＝1/(15.7*N),其中“*”*代表乘法，“/”代表除法，公式的前提是测试电流最大100毫安，每平方毫米允许流过最大电流是2安培。
一种锂枝晶生长三电极电池的检测方法，包括如下步骤：
S1：使用1K赫兹50周正弦波为激励源，用交流四线制法定期测量或者实时在线测量检测电极柱与正电极之间的内阻为A，检测电极柱与负电极之间的内阻为B；
S2：将测量内阻A、B的数据保存，并在同一时间坐标系划出A、B两组曲线变化图，方便直观比较；
S3：从步骤S2中得到A、B两组曲线变化图的比较，由于大部分锂枝晶在负极生长，所以B组数据变化优为重要，它代表了锂枝晶的生长状况，一般情况下随着电池负极上锂枝晶的生长，内阻会变小，另一方面，随着电池充放电次数的增加，电解液发生变化，内阻会变大，虽然这两种相反因素作用使内阻的变化变得复杂化，但是B组曲线和A组曲线变化规律有着显著不同；
S4：最后通过A、B图形变化比较，再同该型号电池出厂时标注的数据比较，即可判断锂枝晶生长是否到了安全上限。
本发明的有益效果在于：
(1)通过在电池上增加1个专用的检测电极柱，可以提供更方便使用交流四线制法定期或者实时在线电池内阻，通过电池负极内阻变化来判断锂枝晶生长是否在安全范围内；
(2)检测电极柱设计不改变电池的内部电芯基本结构，不影响电池的正常工作，检测内阻使用交流四线制法，电流小于100毫安，不影响电池正常充放电工作，检测电极柱是导电材料网状结构，面积很小，外面包裹的薄膜材料是多孔结构，不影响锂离子的正常流动；
(3)增加的检测电极柱，既可以测量同正极间的内阻，又可以测量同负极间的内阻，既可以定期测量，也可以24小时实时在线测量，对于像潜水艇这种安全性要求特别高的使用环境，实现实时在线测量更加重要。
【附图说明】
图1为本发明可检测锂枝晶生长三电极电池剖面结构示意图；
图2为本发明导电材料网状结构结构示意图；
附图标记：1、电池本体；11、电解液；2、正电极柱；3、负电极柱；4、检测电极柱；41、隔离膜；5、注液孔。
【具体实施方式】
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步描述：
如图1、图2所示，一种可检测锂枝晶生长三电极电池，包括电池本体1、正电极柱2、负电极柱3、检测电极柱4，所述电池本体1上分别设有正电极柱2、负电极柱3，所述电池本体1内部设有电解液11，所述正电极柱2与所述负电极柱3之间设有检测电极柱4，所述正电极柱2与检测电极柱4之间设有注液孔5，所述检测电极柱4外层设有隔离膜41，所述隔离膜41防止检测电极柱4碰到正电极柱2、负电极柱3造成短路。
优选地，所述检测电极柱4为导电材料网状结构。
优选地，所述导电材料网状结构材质为铜丝或铂丝或炭纤维或石墨烯。
优选地，所述检测电极柱4的面积和与所述正电极柱2、负电极柱3的面积相同。
优选地，所述检测电极柱4外层使用锂离子电池的带孔薄膜材料包裹。
优选地，铜丝粗细和铜丝数量计算方法：设网状铜丝方格一边直接连接第三电极铜丝数量为N，铜丝直径为D mm，它们的关系式是：D*D＝1/(15.7*N),其中“*”代表乘法，“/”代表除法，公式的前提是测试电流最大100毫安，每平方毫米允许流过最大电流是2安培。
一种锂枝晶生长三电极电池的检测方法，包括如下步骤：
S1：使用1K赫兹50周正弦波为激励源，用交流四线制法定期测量或者实时在线测量检测电极柱4与正电极柱2之间的内阻为A，检测电极柱4与负电极柱3之间的内阻为B；
S2：将测量内阻A、B的数据保存，并在同一时间坐标系划出A、B两组曲线变化图，方便直观比较；
S3：从步骤S2中得到A、B两组曲线变化图的比较，由于大部分锂枝晶在负极生长，所以B组数据变化优为重要，它代表了锂枝晶的生长状况，一般情况下随着电池负极上锂枝晶的生长，内阻会变小，另一方面，随着电池充放电次数的增加，电解液发生变化，内阻会变大，虽然这两种相反因素作用使内阻的变化变得复杂化，但是B组曲线和A组曲线变化规律有着显著不同；
S4：最后通过A、B图形变化比较，再同该型号电池出厂时标注的数据比较，即可判断锂枝晶生长是否到了安全上限。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (5)

1.一种可检测锂枝晶生长三电极电池，其特征在于：包括电池本体、正电极柱、负电极柱、检测电极柱，所述电池本体上分别设有正电极柱、负电极柱，所述电池本体内部设有电解液，所述正电极柱与所述负电极柱之间设有检测电极柱，所述正电极柱与检测电极柱之间设有注液孔，所述检测电极柱外层设有隔离膜，所述隔离膜防止检测电极柱碰到正电极柱、负电极柱造成短路；
实现锂枝晶生长三电极电池的检测方法，包括如下步骤：
S1：使用1K赫兹50周正弦波为激励源，用交流四线制法定期测量或者实时在线测量检测电极柱与正电极之间的内阻为A，检测电极柱与负电极之间的内阻为B；
S2：将测量内阻A、B的数据保存，并在同一时间坐标系划出A、B两组曲线变化图，方便直观比较；
S3：从步骤S2中得到A、B两组曲线变化图的比较，由于大部分锂枝晶在负极生长，所以B组数据变化优为重要，它代表了锂枝晶的生长状况，一般情况下随着电池负极上锂枝晶的生长，内阻会变小，另一方面，随着电池充放电次数的增加，电解液发生变化，内阻会变大，虽然这两种相反因素作用使内阻的变化变得复杂化，但是B组曲线和A组曲线变化规律有着显著不同；
S4：最后通过A、B图形变化比较，再同该型号电池出厂时标注的数据比较，即可判断锂枝晶生长是否到了安全上限。
2.根据权利要求1所述的可检测锂枝晶生长三电极电池，其特征在于：所述检测电极柱为导电材料网状结构。
3.根据权利要求2所述的可检测锂枝晶生长三电极电池，其特征在于：所述导电材料网状结构材质为铜丝或铂丝或炭纤维或石墨烯。
4.根据权利要求3所述的可检测锂枝晶生长三电极电池，其特征在于：所述检测电极柱的面积和与所述正电极柱、负电极柱的面积相同。
5.根据权利要求4所述的可检测锂枝晶生长三电极电池，其特征在于：所述检测电极柱外层使用锂离子电池的带孔薄膜材料包裹。
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