CN112684358A - 用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置，试验方法及用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置，试验方法及用途，该内部故障触发装置包含依次堆叠组装的负极片、电热元件、第一隔膜、第二隔膜及正极片；所述的第一隔膜设有通孔，所述的第二隔膜能完全覆盖遮挡所述通孔，所述的第二隔膜采用低温热收缩隔膜，其热收缩温度不高于55℃。本发明将低温热收缩膜和电热丝引入电池体系，通过电加热的方法使低温热收缩膜收缩，从而引发触发装置的正负极接触产生短路，该方法对锂离子电池结构无机械损伤，控制精准，可重复性好，能够有效且准确地模拟锂电池内部故障。通过本发明的用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置不仅可以评估电池的安全性，还可有针对性地对安全性差的电池进行改进。
Description
技术领域
本发明属于锂电池领域，涉及一种用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置，试验方法及用途。
背景技术
目前锂离子电池已广泛应用于3C领域、储能电池领域和动力电池领域，但是其安全性一直是备受人们关注的问题。从近些年的锂离子电池安全事故分析，内短路是引发锂离子电池安全性问题的重要因素之一，波音787客机发生动力电池组起火事故和三星Note7手机电池爆炸事故均是由内部短路故障引起。因此，开发能够精确模拟电池内部故障的方法，用以评测电池产品的安全性尤为重要。
目前常用的锂离子电池内部故障模拟试验方法主要有针刺试验、挤压试验、重物撞击试验、强制内部短路试验、钝针试验、NASA方法和棒挤压试验。上述内短路故障模拟方法均是基于外力或者需要拆解电池，既破坏了电池外壳机械强度又引入了外界气体，无法准确模拟电池发生内部故障的实际情况；同时，上述试验方法所引发的内部故障的类型、位置、大小都存在随机性，很难重复。
发明内容
本发明的目的是提供一种重复可靠的电池发生内部故障的模拟装置和方法，通过将电热元件和低温热收缩膜引入锂电池内部形成内部故障触发装置，用于模拟锂电池内部故障，该方法不需要拆解电池，不会引入外界气体，能准确模拟电池发生内部故障的实际情况，具有可重复性。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置，该内部故障触发装置包含依次堆叠组装的负极片、电热元件、第一隔膜、第二隔膜及正极片；所述的第一隔膜设有通孔，所述的第二隔膜能完全覆盖遮挡所述通孔，所述的第二隔膜采用低温热收缩隔膜，其热收缩温度不高于55℃。
可选地，所述的第二隔膜的热收缩温度不高于50℃。
可选地，所述的第一隔膜为高温热收缩隔膜，其热收缩温度高于90℃。
可选地，所述的电热元件为电热丝。
可选地，所述的第二隔膜的尺寸能完全覆盖所述电热丝裸露金属部位及所述通孔周边1mm～3mm的径向范围。
可选地，所述的电热丝设有金属丝引线引出连接外部电源，其中，金属丝引线一端由负极端接出，另一端由电热丝专用端口接出。
本发明还提供了一种模拟锂电池内部故障的试验方法，该方法采用上述的内部故障触发装置，包含如下步骤：
步骤1，测试所述的内部故障触发装置的密封性；
步骤2，加热电热元件，使加热丝温度T达到t2<T<t1，并维持一段时间使第二隔膜发生热收缩，使得原本被覆盖遮挡的通孔至少局部漏出，使得相邻的正负极片接触，发生局部短路，从而使局部过温，引发内部故障；其中，t1代表第一隔膜的热收缩温度，t2代表第二隔膜的热收缩温度；
步骤3，监测电池参数，该电池参数包括工作电压、电流及电池温度；
步骤4，通过试验现象及监测参数综合评价电池的安全性能。
可选地，
所述的电热元件通过提前标定电热元件的电源功率、加热时间和加热丝温度T(t2<T<t1)的关系，从而可以通过在一定的功率下，通过控制加热时间控制短路状态。
本发明还提供了一种根据上述的用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置的用途，其中，该内部故障触发装置能用于评价被模拟锂电池的安全性。
可选地，该内部故障触发装置能用于被模拟电池的安全性能改进。
本发明的有益效果包含：
1)将低温热收缩膜和电热丝引入电池体系，通过电加热的方法使低温热收缩膜收缩，从而引发触发装置的正负极接触产生短路，该方法对锂离子电池结构无机械损伤，控制精准，可重复性好，能够有效且准确地模拟锂电池内部故障。
2)设有内部控温启动装置，触发更迅速，省去传热过程，可重复性高；
3)收缩膜的方案可以让正负极接触更充分，触发更精准，更快速(相较于低熔点蜡方法，蜡融化流动需要吸热和相变过程)。
附图说明
图1为本发明的用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置的结构示意图。
图2为本发明的用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置组装完成后的外观图。
图3为本发明的实施例1的试验过程中温度和电压随时间的变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本文所述的“内部故障触发装置”是指在组装正常的电池的基础上，将常规隔膜设通孔变成第一隔膜，并增加第二隔膜，以及电热元件，形成的外形类似正常电池的装置。
如图1所示，为一种用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置，其包含依次堆叠组装的负极片10、电热元件20、第一隔膜30、第二隔膜40及正极片50；所述的第一隔膜30预设有通孔31，所述的第二隔膜40能完全覆盖遮挡所述通孔31，所述的第二隔膜采用低温热收缩隔膜，其热收缩温度不高于55℃，当然也可以根据情况选用热收缩温度不高于50℃的低温热收缩隔膜。
所述的第一隔膜为锂电池常用隔膜，热收缩温度不低于90℃。
所述的通孔31可以为圆形、椭圆形、三角形、矩形或其他不规则形状。
所述的电热元件20为电热丝。所述的电热丝设有金属丝引线引出到外部恒定电源，其中，金属丝引线一端由负极端接出，另一端由电热丝专用端口接出。
所述的第二隔膜40的尺寸能完全覆盖所述电热丝裸露金属部位及所述通孔周边1mm～3mm的径向范围，即第二隔膜40的半径大于所述通孔半径的1mm～3mm。
本发明还提供了一种模拟锂电池内部故障的试验方法，该方法采用上述的内部故障触发装置，包含如下步骤：
步骤1，测试所述的内部故障触发装置的密封性；
步骤2，加热电热元件，使加热丝温度T达到t2<T<t1，并维持一段时间使第二隔膜发生热收缩，使得原本被覆盖遮挡的通孔至少局部漏出，使得相邻的正负极片接触，发生局部短路，从而使局部过温，引发内部故障；其中，t1代表第一隔膜的热收缩温度，t2代表第二隔膜的热收缩温度；
步骤3，监测电池参数，该电池参数包括工作电压、电流及电池温度；
步骤4，通过试验现象(包括是否爆破、是否产生烟雾等)及监测参数综合评价电池的安全性能。具体来说，可以根据电池表面的温度升高速率和/或压力下降速率来判断电池的安全性，温度升高速率、电压下降速率都是越高越不安全。
对于同一电池体系，还可以根据监测数据优化所述通孔的大小尺寸或形状。
所述的电热元件通过提前标定电热元件的电源功率、加热时间和加热丝温度T(t2<T<t1)的关系，从而可以通过在一定的功率下，通过控制加热时间控制短路状态。
实施例1
在铝壳锂离子电池单体中一对正负极片中间的隔膜开孔，孔径约10mm，在其上面覆盖一层15mm×15mm的低收缩温度的隔膜，并在隔膜上方放置电热丝，并将电热丝通过负极及专用端口引出(其余极片正常制作)。使用的正极材料为LiCoO2，负极为石墨，隔膜牌号为Celgard 2325，试验装置见图1和图2。图2中(+)代表电热丝电源正，(-)代表电热丝电源负，通过该电热丝电源控制内部控温启动。将蓄电池单体充满电，当需要触发内部故障时，给电热丝加热，使其温度达到55℃，使低温热收缩膜收缩，此时正负极接触，发生内部故障。试验过程中温度和电压随时间的变化曲线见图3。当电池表面温度达到约50℃时，烘箱中冒出大量白烟，单体电池发生爆破，电压迅速下降至接近0V，电池表面热敏电阻采集最高温度约92.5℃，随后温度逐渐下降至室温。
实施例2
将上述试验装置中的隔膜更改为Celgard公司生产的陶瓷隔膜，其他试验方法同实施例1。试验过程中，单体未发生爆破，电池表面温度最高达到约66℃，电池电压在60h内逐渐降低至1.5V。表明该隔膜具有更高的安全性。
实施例3
将上述试验装置中的正极材料更改为LiFePO4，其他试验方法同实施例1。试验过程中，单体未发生爆破，电池表面温度最高达到约59℃，电池电压在60h内逐渐降低至1.3V。表明该正极材料相比于LiCoO2具有更高的安全性。
通过本发明的用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置不仅可以评估不同体系电池的安全性，还可有针对性地对安全性差的电池进行改进并评价，如改进隔膜或对正极材料、负极材料进行改进。
综上所述，本发明将低温热收缩膜和电热丝引入电池体系，通过电加热的方法使低温热收缩膜收缩，从而引发触发装置的正负极接触产生短路，该方法对锂离子电池结构无机械损伤，控制精准，可重复性好，能够有效且准确地模拟锂电池内部故障。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置，其特征在于，该内部故障触发装置包含依次堆叠组装的负极片、电热元件、第一隔膜、第二隔膜及正极片；所述的第一隔膜设有通孔，所述的第二隔膜能完全覆盖遮挡所述通孔，所述的第二隔膜采用低温热收缩隔膜，其热收缩温度不高于55℃。
2.如权利要求1所述的用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置，其特征在于，所述的第二隔膜的热收缩温度不高于50℃。
3.如权利要求1所述的用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置，其特征在于，所述的第一隔膜为高温热收缩隔膜，其热收缩温度高于90℃。
4.如权利要求1所述的用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置，其特征在于，所述的电热元件为电热丝。
5.如权利要求4所述的用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置，其特征在于，所述的第二隔膜的尺寸能完全覆盖所述电热丝裸露金属部位及所述通孔周边1mm～3mm的径向范围。
6.如权利要求4所述的用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置，其特征在于，所述的电热丝设有金属丝引线引出连接外部电源，其中，金属丝引线一端由负极端接出，另一端由电热丝专用端口接出。
7.一种模拟锂电池内部故障的试验方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1-6中任意一项所述的内部故障触发装置，包含如下步骤：
步骤1，测试所述的内部故障触发装置的密封性；
步骤2，加热电热元件，使加热丝温度T达到t2<T<t1，并维持一段时间使第二隔膜发生热收缩，使得原本被覆盖遮挡的通孔至少局部漏出，使得相邻的正负极片接触，发生局部短路，从而使局部过温，引发内部故障；其中，t1代表第一隔膜的热收缩温度，t2代表第二隔膜的热收缩温度；
步骤3，监测电池参数，该电池参数包括工作电压、电流及电池温度；
步骤4，通过试验现象及监测参数综合评价电池的安全性能。
8.如权利要求7所述的模拟锂电池内部故障的试验方法，其特征在于，所述的电热元件通过提前标定电热元件的电源功率、加热时间和加热丝温度T的关系，从而可以通过在一定的功率下，通过控制加热时间控制短路状态。
9.一种根据权利要求1-6中任意一项所述的用于模拟锂电池内部故障的内部故障触发装置的用途，其特征在于，该内部故障触发装置能用于评价被模拟锂电池的安全性。
10.如权利要求9所述的用途，其特征在于，该内部故障触发装置能用于被模拟电池的安全性能改进。
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