CN112703627B - 包括短路诱导构件的电池单体以及使用该电池单体的安全性评估方法 - Google Patents

包括短路诱导构件的电池单体以及使用该电池单体的安全性评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及：一种电池单体，该电池单体包括穿过分隔件而形成的穿孔部以及设置在该穿孔部上的短路诱导构件；以及一种通过使用该电池单体来评估在内部短路条件下的电池的安全性的方法。在使用本发明的电池单体的情况下，能够在不将电池单体物理变形或重新组装的情况下容易地评估在内部短路条件下的电池的安全性。

Description

包括短路诱导构件的电池单体以及使用该电池单体的安全性 评估方法
技术领域
本发明涉及一种包括短路诱导构件的电池单体以及一种使用该电池单体来评估由于内部短路诱导的电池的安全性的方法。
本申请基于2019年4月9日提交的韩国专利申请号10-2019-0041138要求的优先权的权益，并且该韩国专利申请的全部内容通过引用被并入本文中。
背景技术
随着由于化石燃料的枯竭而使能源价格上涨并且对环境污染的关注增加，对环境友好的替代能源的需求成为未来生活的不可或缺的因素。尤其，随着技术发展和对移动设备的需求增加，对作为能源的二次电池的需求也在迅速增加。
通常，在电池的形状方面，对能够被应用于厚度小的产品(诸如移动电话)的棱柱形二次电池和袋型二次电池有很高的需求。在材料方面，对具有高能量密度、高放电电压和高输出稳定性的锂二次电池(诸如锂离子电池和锂离子聚合物电池)有很高的需求。
通常，为了制备二次电池，首先，通过将包含电极活性材料的电极混合物施加到集电器的表面来形成正极和负极，然后将分隔件置于正极和负极之间，从而制成电极组件，然后将该电极组件安装在圆柱形或矩形金属罐中或安装在铝层压片的袋型壳体的内部，然后将液体电解质注入或浸渍到电极组件中或者使用固体电解质以制备二次电池。
此外，根据具有正极/分隔件/负极结构的电极组件的结构对二次电池进行分类。其代表性示例包括：果冻卷(卷绕)电极组件，在该果冻卷(卷绕)电极组件中，分隔件被置于长片型正极和负极之间，并且对长片型正极和负极进行卷绕；堆叠电极组件，在该堆叠电极组件中，分隔件被置于被切割成预定尺寸单元的多个正极和负极之间，并且对正极和负极进行依次堆叠；以及堆叠/可折叠电极组件，在该堆叠/可折叠电极组件中，双电池或全电池与分隔片一起卷绕，在所述双电池或全电池中，分隔件被置于预定单元的正极和负极之间，并且对正极和负极在进行堆叠。
另一方面，电极通过离子的交换产生电流，并且构成电极的正极和负极具有电极活性材料被施加到由金属制成的电极集电器的结构。
通常，负极具有这样的结构：碳基活性材料被涂覆在由铜或铝制成的电极板上，并且正极具有这样的结构：由LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2等制成的活性材料被涂覆在由铝等制成的电极板。
为了制造正极或负极，包含电极活性材料的电极混合物沿一个方向被涂覆在由长金属片制成的电极集电器上。
分隔件位于电池的正极和负极之间，以进行绝缘并维持电解质，从而提供用于离子传导的通道。
二次电池是使用能够在电流和材料之间重复多次氧化还原过程的材料制造的可再充电电池。当通过电流在材料上进行还原反应时，进行充电，而当在材料上进行氧化反应时，进行放电。在此，随着重复进行充放电，从而产生了电。
锂二次电池在具有优异的电性能的同时存在安全性低的问题。例如，在诸如过度充电、过度放电、暴露于高温这些异常操作条件下，锂二次电池由于作为电池成分的活性物质和电解质的分解反应而产生热量和气体，由此产生的高温和高压条件进一步促进了分解反应，并且有时会起火或爆炸。
另外，非常重要的是，即使当在电池中发生内部短路时，也要确保安全，为此目的，重要的是，当发生内部短路时，正确评估电池的安全性。作为锂二次电池的电池稳定性项目，在UL锂电池标准(UL1642)、电池行业协会指南(SBA G1101-1997锂二次电池安全性评估标准指南)等中解释了用于评估内部短路期间的发热行为的电池评估测试的细节。
已经存在如下方法：将加热元件放置在电池单体的内部以引起内部短路，并通过该加热元件产生内部热量；将内部分隔件预先钻孔并用化学物质处理该区域，从而使其在一定温度下溶解；以及通过插入某种类型的金属材料并施加外力来撕开分隔件，从而引起内部短路。然而，在第一种方法中，由于电池内部的加热元件和外部加热源，因此实际的产品和形状会有所不同。在第二种方法的情况下，必须使实际使用的分隔件变形，并且对分隔件被损坏的部分进行化学处理，因此存在特性可能与现有产品不同的问题，并且由于由电池内部的化学反应所引起的副反应，所以可能不会发生期望的反应。
另一方面，美国专利公开第2013-0209841号(专利文献1)公开了一种电池的内部短路诱导装置，其中，在对分隔件进行穿孔之后，将铜板插入到电池单体中，然后将铜板和铝板放在分隔件的两侧上，然后在铜板和分隔件之间或铝板和分隔件之间安装蜡层。当温度升高到内部短路诱导装置中的蜡层的熔点以上时，蜡层被去除，并且正极和负极通过铜板和铝板电连接，从而导致内部短路。然而，该方法存在的问题在于，内部短路诱导装置的制造过程复杂，并且成本高，并且电池单体应该被拆解并重新组装以重复使用。
发明内容
【技术问题】
为解决上述问题而创造了本发明，并且本发明的目的是提供一种在不以物理方式修改电池单体结构的情况下评估电池的安全性的测试电池单体以及一种使用该电池单体来评估电池的安全性的方法。
【技术解决方案】
用以实现上述目的的根据本发明的电池单体包括：
正极；负极；分隔件，所述分隔件被设置在正极和负极之间并且具有至少一个穿孔部；和短路诱导构件，所述短路诱导构件被设置在穿孔部上。
这里，短路诱导构件包括：覆盖单元，所述覆盖单元覆盖穿孔部；一个或多个磁性单元，所述一个或多个磁性单元被设置在覆盖单元的侧表面上。
短路诱导构件被插入到包括正极、负极和分隔件的测试电池单体中，该短路诱导构件被置于分隔件的穿孔部和正极之间和/或在分隔件的穿孔部和负极之间，并且该短路诱导构件通过由于从外部施加的磁场而移动来引起测试电池的内部短路。
同时，为了防止由于正极和负极之间通过穿孔部接触而引起的短路，短路诱导构件的覆盖单元应具有比穿孔区域大的面积，使得其能够完全覆盖穿孔部。另外，覆盖单元的形状不限于诸如圆形、椭圆形、矩形，三角形等的形状，而是覆盖单元在维持负极与正极之间的绝缘性的同时应该能够完全覆盖穿孔部。
因此，可以使用绝缘膜用于覆盖单元，并且可以使用多孔聚合物膜用于内部离子交换。
此外，覆盖单元可以根据外部磁场而移动，并且可以包括有助于移动的磁性体。此时，可以将附加的绝缘涂层施加到磁性体的表面，使得不会由于磁性体而在电池单体的内部发生意外的短路。
然而，为了使可能影响电池单体中的短路评估的因素最小化，最优选的是应用与分隔件相同的材料。
另外，磁性单元的特征在于，至少一个磁性单元通过粘合剂被附接到覆盖单元的端部，并且还可以根据移动方向而附接两个或更多个磁性单元。
用于将磁性单元附接到覆盖单元的粘合剂可以包含选自由以下材料中的一种或多种材料：聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、乙烯-丙烯-二烯聚合物(EPDM)、磺化EPDM、苯乙烯丁二烯橡胶和其共聚物。
由于如上所述的磁性单元被附接到短路诱导构件，因此当从电池单体的外部施加磁场时，短路诱导构件可以根据磁场的方向而在电池单体的内部移动其位置。
此时，磁性单元可以包括一种或多种当施加磁场时具有强磁性的金属材料，诸如Fe、Ni和Co。
穿孔部可以被形成在分隔件的中心中，但是不限于此，穿孔部的位置可以根据要短路的位置而改变。另外，还可以形成多个穿孔部，以任意地调节短路的位置或模拟在若干个位置中同时发生短路的情况。
当如上所述地形成多个穿孔部时，优选的是，短路诱导构件也被设置成与所形成的穿孔部的数量相同。
同时，使用上述电池单体的根据电池的内部短路的安全性评估方法可以包括以下步骤：
制备正极、负极以及形成有穿孔部的分隔件；
制备覆盖单元，所述覆盖单元用于覆盖穿孔部和磁性单元；
通过将磁性单元附接到覆盖单元来制造短路诱导构件；
将短路诱导构件放置在穿孔部上；
组装包括正极、负极、分隔件和短路诱导构件的电池单体；
从电池单体的外部向短路诱导构件施加磁场；以及
使短路诱导构件移动，以暴露穿孔部。
当在上述步骤中使短路诱导构件移动以暴露穿孔部时，正极和负极通过暴露的穿孔部直接接触，从而引起内部短路。
【有利效果】
本发明的包括短路诱导构件的电池单体改善了在内部短路评估测试之后电池单体会发生物理变形的问题，这是常规方法的最大问题，并且能够在没有物理变化的情况下在各种条件和环境下引起内部短路。另外，由于能够在无需拆解和重新组装的情况下进行实验和评估，因此该过程很简单，并且能够节省时间和成本。
附图说明
图1是示意性地示出设有常规的短路诱导构件的电池单体结构的侧视图。
图2是示意性地示出设有根据本发明实施例的短路诱导构件的电池单体的结构的侧视截面图。
图3是示意性地示出设有根据本发明实施例的短路诱导构件的电池单体的结构的立体图。
图4是示意性地示出设有根据本发明另一实施例的短路诱导构件的电池单体的结构的立体图。
图5是示意性地示出设有根据本发明又一实施例的短路诱导构件的电池单体的结构的立体图。
图6是分步示出使用具有根据本发明实施例的短路诱导构件的电池单体的安全性评估方法的示意图。
具体实施方式
由于本发明构思允许各种改变和许多实施例，因此将在附图中示出特定的实施例并在文本中对其进行详细描述。然而，这并不旨在将本发明限制为所公开的特定形式，并且应当理解为包括本发明的精神和范围内所包括的所有改变、等同形式和替代形式。
在描述附图时，相似的附图标记用于相似的元件。在附图中，为了本发明的清楚起见，以放大比例示出了结构的尺寸。用于描述各种部件的术语是为了理解，并且这些部件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个部件与另一个部件区分开的目的。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一部件可以被称为第二部件，并且类似地，第二部件也可以被称为第一部件。除非上下文另外明确指出，否则单数表达包括复数表达。
在本申请中，应当理解的是，诸如“包括”或“具有”之类的术语旨在指示在说明书中描述了特征、数目、步骤、操作、部件、部分或其组合，并且这些术语并不预先排除存在或添加一个或多个其他的特征或数目、步骤、操作、部件、部分或其组合的可能性。
另外，当诸如层、膜、区域、板等的部分被称为位于另一部分“上”时，这不仅包括该部分“直接位于”另一部分“上”的情况，而且也包括其它部分被置于该部分和该另一部分之间的情况。另一方面，当诸如层、膜、区域、板等的部分被称为位于另一部分“下”时，这不仅包括该部分“直接位于”另一部分“下”的情况，而且也包括其它部分被置于该部分和该另一部分之间的情况。另外，在本申请中被设置在“上”的情况可以包括被设置在底部处以及顶部处的情况。
在本发明的说明书中，“覆盖”意指物体的暴露部分被放置在一侧上，使得该物体是不可见的，并且当物体被“覆盖”时，这意指物体的外部不再显现在被覆盖的一侧上。例如，“穿孔部被覆盖部覆盖”意指穿孔部不再在穿孔部被覆盖部覆盖的一个表面上暴露。
在下文中，将详细描述本发明。
在电池的安全性测试中，内部短路测试是用于评估对于内部短路的抵抗性的测试，并且是模拟当正极和负极在电池内部短路时的测试。在内部短路测试中，首先准备好充满电的评估电池，产生内部短路，并且评估电池的行为。通常，当发生内部短路时，电池放电并且电压降低，并且进行测试直到电压降低到特定值以下为止，以评估是否存在破裂以及电池的电压和温度等等。
图1是示意性地示出电极组件100的截面图，在该电极组件100中安装有由美国能源研究所(NREL)开发的常规内部短路诱导装置。
参照图1，在常规的短路诱导构件中，使用蜡140作为绝缘体，以防止在电池的正常运行期间负极和正极的接触。然而，当电池上升至蜡的熔点时，蜡被除去，并且由于负极与正极之间的接触而发生内部短路。
具体地，常规的内部短路诱导装置在分隔件120中生成孔，将由诸如铜的金属材料制成的块140插入到该孔中，并且将蜡层130设置在金属板的一侧上。另外，铝板160被附接到分隔件的未设置蜡层的部分，并且铜板150被附接到蜡层130。
在将内部短路诱导装置以上述方式安装在分隔件120上之后，卷绕分隔件120、负极110和正极111，以制备电极组件。
在锂离子二次电池中，随着锂离子在负极和正极之间移动，发生氧化还原反应。然而，在具有如上所述的常规的短路诱导构件的电池的情况下，形成了未反应区域，这是因为在安装有短路诱导构件的部分处，由于铝板和铜板的存在而导致锂离子无法移动。由于未反应区域，因此与常规电池相比，电池性能(诸如容量)降低，并且安全性评估的准确性降低，这是因为当发生内部短路时难以模拟电池的正确行为。另外，在如图1中所示的内部短路诱导装置的情况下，制造成本高，并且不便之处在于，在将内部短路诱导装置插入到电池单体中以进行组装和测试之后，为了重新使用电池单体而将其拆解和重新组装。另外，在该重新组装过程期间，电池单体中的结构可能变形，并且这可能引起安全性问题。
除了上述方法之外，还存在使用形状记忆合金的电池单体的内部短路的测试方法。然而，这也具有如下限制：电池应当被加热到一定温度或更高温度，并且存在如下风险：由于插入电池单体中的形状记忆合金的物理变化，而可能使电池单体结构变形。
其他已知方法包括指甲穿刺测试和压碎测试。然而，这些测试方法不可逆地使电池单体本身永久变形，并且存在每次测试都应制造新的电池单体的问题。
包括根据本发明的短路诱导构件的电池单体是对上述现有技术的进一步改进，并且该短路诱导构件的特征在于，其包括由多孔聚合物材料制成的覆盖部以及包含磁性材料的磁性部。
具体地，其中插入有根据本发明的短路诱导构件的电池单体具有以下结构：电极组件被构建在电池壳体中，在所述电极组件中，正极、负极以及被置于正极和负极之间的、具有短路诱导构件的分隔件被卷绕在一起。电池的形状不受限制，诸如是圆柱形电池、袋形电池、棱柱形电池或硬币形电池，但是在本发明的一个实施例中，使用了袋形电池。
电极组件具有以下结构：负极和正极交替地堆叠，其中分隔件被置于电极之间并且浸渍锂盐非水电解质。可以通过将含有电极活性材料的电极混合物涂覆在集电器上然后使该电极混合物干燥来制造用于二次电池的电极。必要时，电极混合物可以进一步包括粘合剂、导电材料、填料等。
在本发明中，正极集电器的厚度通常为3微米至500微米。对正极集电器没有特别限制，只要其具有高导电性且不引起电池中的化学变化即可。正极集电器的示例包括：不锈钢；铝；镍；钛；烧结碳；或表面已经用碳、镍、钛、银等处理过的铝或不锈钢。集电器在其表面上可以具有细微的凹凸，以增加正极活性材料的粘附性，并且可以具有各种形式，诸如膜、片、箔、网、多孔体、泡沫和无纺布。
负极集电器的片的厚度通常为3微米至500微米。对负极集电器没有特别限制，只要其具有导电性且不引起电池中的化学变化即可，并且其示例包括：铜；不锈钢；铝；镍；钛；烧结碳；表面已经用碳、镍、钛、银等处理过的铜或不锈钢；铝镉合金等。另外，与正极集电器一样，可以在表面上形成细微的不平坦部分，以增强负极活性材料的结合力，并且能够以各种形式使用，诸如膜、片、箔、网、多孔体、泡沫和无纺布。
在本发明中，正极活性材料是能够引起电化学反应的物质且是锂过渡金属氧化物，并且包含两种以上的过渡金属。其示例包括：由一种或多种过渡金属取代的层状化合物，诸如锂钴氧化物(LiCoO2)和锂镍氧化物(LiNiO2)；由一种或多种过渡金属取代的锂锰氧化物；由式LiNi1-yMyO2表示的锂镍氧化物(其中M＝Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B、Cr、Zn或Ga，并且包含上述元素中的至少一种，0.01≤y≤0.7)；由式Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae表示的锂镍钴锰复合氧化物，诸如Li1+z Ni1/3Co1/3Mn1/3O2，Li1+z Ni0.4Mn0.4Co0.2O2等(其中-0.5≤z≤0.5，0.1≤b≤0.8，0.1≤c≤0.8，0≤d≤0.2，0≤e≤0.2，b+c+d<1，M＝Al、Mg、Cr、Ti、Si或Y，并且A＝F，P或Cl)；由式Li1+xM+M'yPO4-zXz表示的橄榄石类锂金属磷酸盐(其中M＝过渡金属，优选为Fe、Mn、Co或Ni，M'＝Al、Mg或Ti，X＝F、S或N，并且-0.5≤x≤0.5，0≤y≤0.5，0≤z≤0.1)。
负极活性物质的示例包括：碳，诸如非石墨化碳和石墨碳；金属复合氧化物，诸如LixFe2O3(0≤x≤1)，LixWO2(0≤x≤1)，SnxMe1-xMe'yOz(Me：Mn、Fe、Pb、Ge；Me'：Al、B、P、Si、周期表的第1、2和3族卤素；0<x≤1；1≤y≤3；1≤z≤8)；锂合金；硅合金；锡合金；金属氧化物，诸如SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4和Bi2O5；导电聚合物，诸如聚乙炔；以及锂钴镍类材料。
基于包含正极活性材料的混合物的总重量，通常以1重量％至30重量％的量添加导电材料。对这样的导电材料没有特别限制，只要其具有导电性且不引起电池中的化学变化即可，其示例包括：石墨，诸如天然石墨、人造石墨；炭黑类，诸如炭黑、乙炔黑、科琴黑(Ketjen black)，槽黑、炉黑、灯黑和热裂法炭黑；导电纤维，诸如碳纤维和金属纤维；金属粉末，诸如氟化碳粉末、铝粉末和镍粉末；导电晶须，诸如氧化锌和钛酸钾；导电金属氧化物，诸如氧化钛；以及导电材料，诸如聚亚苯基衍生物等。
基于包含正极活性材料的混合物的总重量，以1重量％至30重量％的量添加粘合剂，以作为有助于活性材料和导电材料之间的结合以及与集电器的结合的成分。这种粘合剂的示例包括聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPDM)、磺化EPDM、苯乙烯丁二烯橡胶、氟橡胶、各种共聚物等。
可任选地，使用填料作为抑制电极膨胀的成分，并且填料不受特别限制，只要其是纤维材料且不引起电池中的化学变化即可。填料的示例包括：烯烃聚合物，诸如聚乙烯和聚丙烯；纤维材料，诸如玻璃纤维和碳纤维。
可以可任选地或以两种以上的组合进一步包括其他成分，诸如粘度调节剂、助粘剂等。粘度调节剂是调节电极混合物的粘度的成分，使得电极混合物的混合过程以及其在集电器上的涂覆过程可以容易，并且基于负极混合物的总重量，可以添加至多30重量％的粘度调节剂。这种粘度调节剂的示例包括羧甲基纤维素、聚偏二氟乙烯等，但不限于此。在一些情况下，上述溶剂可以用作粘度调节剂。
助粘剂是被添加以改善活性材料与集电器的粘合性的辅助成分，并且与粘合剂相比，可以以小于10重量％添加助粘剂，其一些示例包括草酸、己二酸、甲酸、丙烯酸衍生物、衣康酸衍生物等。
分隔件被置于正极和负极之间，并且使用具有高离子渗透性和机械强度的绝缘薄膜。分隔件的孔径通常为0.01微米至10微米，并且厚度通常为5微米至300微米。这样的分隔件的示例包括：耐化学性且疏水的烯烃类聚合物，诸如聚丙烯；由玻璃纤维、聚乙烯等制成的片材或无纺布。
含锂盐的非水电解质溶液由电解质和锂盐组成。并且，作为电解质溶液，使用非水有机溶剂、有机固体电解质、无机固体电解质等。
非水有机溶剂的示例包括N-甲基-2-吡咯烷酮、碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、碳酸亚丁酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、γ-丁内酯、1,2-二甲氧基乙烷、四羟基呋喃、2-甲基四氢呋喃、二甲基亚砜、1,3-二氧戊环、甲酰胺、二甲基甲酰胺、二氧戊环、乙腈、硝基甲烷、甲酸甲酯、乙酸甲酯、磷酸三酯、三甲氧基甲烷、二氧戊环衍生物、环丁砜、甲基环丁砜、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、碳酸亚丙酯衍生物、四氢呋喃衍生物、醚、焦磷酸甲酯、丙酸乙酯等。
有机固体电解质的示例包括聚合物电解质，诸如聚乙烯衍生物、聚环氧乙烷衍生物、聚环氧丙烷衍生物、磷酸酯聚合物、搅拌赖氨酸、聚酯硫化物、聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯、包括离子离解基团的聚合剂等。
无机固体电解质的示例包括Li的氮化物、卤化物和硫酸盐，诸如Li3N、LiI、Li5NI2、Li3N-LiI-LiOH、LiSiO4、LiSiO4-LiI-LiOH、Li2SiS3、Li4SiO4、Li4SiO4-LiI-LiOH和Li3PO4-Li2S-SiS2。
锂盐是可溶于非水电解质中的物质。锂盐的示例包括LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、(CF3SO2)2Nli、氯硼烷锂、低级脂肪族羧酸锂、4-苯硼酸锂、酰亚胺等。
为了改善充电/放电特性、阻燃性等的目的，可以将如下材料添加到电解质中：吡啶、亚磷酸三乙酯、三乙醇胺、环醚、乙二胺、正甘醇二甲醚、六甲基磷酰三胺、硝基苯衍生物、硫、醌亚胺染料、N-取代的噁唑烷酮、N,N-取代的咪唑烷、乙二醇二烷基醚、铵盐、吡咯、2-甲氧基乙醇、三氯化铝等。在一些情况下，可以进一步添加含卤素的溶剂(诸如四氯化碳或三氟乙烯)以提供不燃性，或者可以进一步添加二氧化碳气体以改善高温存储特性，并且可以进一步添加FEC(氟-碳酸乙烯酯)、PRS(丙烯磺酸内酯)等。
在一个优选示例中，可以将锂盐(诸如LiPF6、LiClO4、LiBF4和LiN(SO2CF3)2)添加到作为高介电溶剂的EC或PC的环状碳酸酯与作为低粘度溶剂的DEC、DMC或EMC的线性碳酸酯的混合溶剂中，从而制备含有锂盐的非水电解质。
根据本发明的电池单体包括正极、负极以及设置在正极和负极之间的分隔件，并且短路诱导构件被设置在形成于分隔件中的至少一个穿孔部处。
另外，短路诱导构件包括：覆盖单元，该覆盖单元覆盖穿孔部；和一个或多个磁性单元，所述一个或多个磁性单元被设置在覆盖单元的侧表面上。
由于正极和负极之间通过穿孔部直接接触，所以可以发生短路。由于本发明的电池短路诱导构件被设置在形成有穿孔部的分隔件的一个表面上，因此短路诱导构件的覆盖单元覆盖穿孔部，从而防止内部短路。即，短路诱导构件可以被设置在正极与分隔件之间，或者可以被设置在负极与分隔件之间。
同时，为了防止由于正极和负极之间通过穿孔部接触而引起的短路，短路诱导构件的覆盖单元应具有比穿孔区域大的面积，使得其能够完全覆盖穿孔部。另外，覆盖单元的形状不限于诸如圆形、椭圆形、矩形、三角形等形状，而是覆盖单元在维持负极与正极之间的绝缘性的同时应该能够完全覆盖穿孔部。即，即使穿孔部的覆盖单元的面积大于穿孔部的面积，当形状不同时，穿孔部的一部分也可能暴露。因此，覆盖单元应该能够完全阻止正极和负极之间通过穿孔部直接接触。
另外，绝缘膜可以被用在覆盖单元中，以维持绝缘状态，并且具有绝缘性能的多孔聚合物膜可以用作用于内部离子交换的覆盖单元。
覆盖单元可以根据外部磁场而移动，并且可以包括磁性体以有助于移动。此时，如果必要的话，可以将附加的绝缘涂层施加到磁性体的表面，使得不会由于磁性体而在电池单体的内部发生意外的短路。另外，当覆盖单元包括磁性体时，短路诱导构件可以仅由覆盖单元形成而没有磁性单元。
然而，为了使可能影响电池单体中的短路评估的因素最小化，最优选的是应用与分隔件相同的材料。据此，本发明的短路诱导构件可以包括：覆盖单元，该覆盖单元由与分隔件相同的材料制成；以及磁性单元，该磁性单元能够根据来自外部的磁场而移动。
另一方面，被包括在短路诱导构件中的磁性单元的特征在于，一个或两个以上的磁性单元通过粘合剂被附接到覆盖单元的端部。磁性单元用于通过从电池单体的外部施加的磁场来移动短路诱导构件。当短路诱导构件根据磁场的方向而移动时，当去除覆盖穿孔部的覆盖单元时，穿孔部可以暴露，因此，可以直接接触正极板，从而导致电池单体的内部短路。即，由于上述磁性单元被附接到短路诱导构件的覆盖单元，因此当从设有该短路诱导构件的电池单体的外部施加磁场时，短路诱导构件在根据磁场的方向而在电池单体的内部移动的同时其位置可以改变。当穿孔部根据短路诱导构件的移动而暴露时，正极和负极可以直接接触，并且在电池单体的内部可以发生短路。
如果将用于将磁性单元附接到覆盖单元的粘合剂设计成不影响分隔件和短路诱导构件的电极层、并且当由于短路诱导构件而发生短路时防止电极之间的导电，则对化学药品的种类没有特别限制，并且可以使用环氧树脂组合物，只要粘合力不会由于内部电解质而降低即可。
这样的粘合剂可以由选自由以下材料中的一种或多种材料制成：聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、乙烯-丙烯-二烯聚合物(EPDM)、磺化EPDM，苯乙烯丁二烯橡胶和以上材料的共聚物。
特别地，化学药品中的聚偏二氟乙烯(PVDF)是通常用作用于电极的粘合剂的材料，并且具有优异的耐化学性以及良好的机械、热和电性能，这是氟树脂的优点。这样，在维持短路诱导构件的覆盖单元和磁性单元之间的粘附性的同时，不会干扰电池单体内部的电连接。
同时，优选地，磁性材料是当施加磁场时具有强磁性的金属元素，诸如Fe、Ni和Co，并且选自由这些材料组成的组中的一种或多种金属磁性材料可以被包括在磁性单元中。
参照附图，将更详细地描述根据本发明的短路诱导构件以及使用该短路诱导构件评估电池的安全性的方法。
图2和图3是示意性示出根据本发明实施例的短路诱导构件以及其中插入有短路诱导构件的电池单体的结构的侧视截面图和立体图。
参照图2，根据本发明的短路诱导构件被插入到电池单体200中，电池单体200可以包括负极220、正极240以及被置于正极和负极之间的分隔件230，并且负极220/分隔件230/正极240可以被存储在袋210形式的壳体中。
分隔件230形成有穿孔部231，并且负极220和正极240可以通过穿孔部231直接接触，从而造成短路。
根据本发明的短路诱导构件可以包括覆盖单元250以及被附接到该覆盖单元250的磁性单元251，并且可以被置于分隔件230的一个表面上。具体地，可以将根据本发明的短路诱导构件设置在形成于分隔件230中的穿孔部231上。此时，由于短路诱导构件的覆盖单元250在分隔件230的一个表面上覆盖形成在分隔件230中的穿孔部231，因此可以防止负极220和正极240之间的直接接触。
另一方面，可以在穿孔部231中根据需要而改变要短路的位置或区域。与图2和图3中在分隔件230的中心处形成穿孔部231不同的是，根据图4中所示的本发明的另一个实施例，穿孔部231被形成在分隔件230的一个端部处。
另外，根据图5中所示的本发明的另一个实施例，在分隔件230的两端和中心处总共形成有三个穿孔部。另一方面，短路诱导构件被设置与所形成的穿孔部的数量相同，并且即使当通过使得所附接的磁性单元251的方向与图2至图4的方向不同来移动内部短路诱导构件时，也不会产生干扰。
如上所述，通过简单地不同地设定穿孔部的位置和尺寸，根据本发明的短路诱导构件能够容易地改变短路的位置或面积，并且当堆叠多个正极和负极时，能够模拟在特定层的一部分或全部中发生的短路的详情。
另外，根据图2至图5的每个实施例的本发明的短路诱导构件在覆盖单元250的端部处包括彼此面对的磁性单元251。这是将磁性单元附接到在当从外部施加磁性时、短路诱导构件发生移动的方向上的端部。即，磁性单元251被附接到在如下方向上的端部：基于覆盖单元250的中心，覆盖单元250通过外部磁场在该方向上移动。当从外部施加磁场时，磁性单元251沿着磁场方向移动，同时使得被附接到磁性单元251的覆盖单元250一起移动，通过这种移动方法，能够防止覆盖单元250在被推动的同时被卡住或折叠的现象。即，在图2至图4的实施例中，优选的是，短路诱导构件在分隔件的长轴方向上移动，在图5的实施例中，有利的是，短路诱导构件在分隔件的短轴方向上移动。
在图6中具体示出了由于利用磁场而使得短路诱导构件发生移动从而引起短路的方法。
在下文中，将参考图6更详细地描述内部短路安全性评估方法。首先，如图6的步骤(a)中所示，从设有短路诱导构件的电池单体的外表面施加磁场。此时，短路诱导构件的覆盖单元处于覆盖分隔件的穿孔部的状态，通过穿孔部而彼此面对的正极和负极处于被覆盖单元物理阻挡并且不直接接触的状态。
磁场被施加到短路诱导构件的磁性单元，并且可以简单地通过诸如钕的永磁体260来实现施加磁场的方法，但是不限于此。具体地，磁性单元在相对于覆盖单元的中心的移动方向上被附接到覆盖单元的端部，并且在将磁场施加到磁性单元之后，使得短路诱导构件发生移动，以向侧部拉出，从而暴露穿孔部。
参考图6的步骤(b)，短路诱导构件根据从外部施加的磁场而在电池单体的内部移动。因此，正极和负极通过形成在分隔件中的穿孔部而接触，从而引起内部短路。
如上所述，根据本发明的内部短路的安全性评估方法可以具体包括以下步骤：
制备正极、负极以及其中形成有穿孔部的分隔件；
制备能够覆盖磁性单元和穿孔部的覆盖单元；
通过将磁性单元附接到覆盖单元来制造短路诱导构件；
将短路诱导构件放置在穿孔部上；
组装包括正极、负极、分隔件和短路诱导构件的电池单体；
从电池单体的外部向短路诱导构件施加磁场；
使得短路诱导构件发生移动，以暴露穿孔部。
根据上述步骤，如图6(a)和(b)中所示，能够通过将覆盖分隔件的穿孔部的短路诱导构件移动到一侧来暴露分隔件的穿孔部。由于正极和负极通过分隔件的穿孔部而形成直接接触，所以在电池单体的内部可以发生短路。
附图标记说明
100：电极组件
110：负极
111：正极
120：分隔件
130：蜡层
140：块
150：铜板
160：铝板
200：电池单体
210：袋
220：负极
230：分隔件
231：穿孔部
240：正极
250：覆盖单元
251：磁性单元
260：永磁体

Claims (11)

1.一种电池单体，包括：
正极；
负极；
分隔件，所述分隔件被设置在所述正极和所述负极之间，并且具有至少一个穿孔部；和
短路诱导构件，所述短路诱导构件被设置在所述穿孔部上，
其中，所述短路诱导构件包括：覆盖单元，所述覆盖单元覆盖所述穿孔部，并且维持所述正极和负极之间的绝缘性；和一个或多个磁性单元，所述一个或多个磁性单元被设置在所述覆盖单元的侧表面上。
2.根据权利要求1所述的电池单体，其中，所述短路诱导构件被设置在所述正极与所述分隔件之间，或者被设置在所述负极与所述分隔件之间。
3.根据权利要求1所述的电池单体，其中，所述覆盖单元的面积大于所述穿孔部的面积。
4.根据权利要求1所述的电池单体，其中，所述覆盖单元由选自绝缘膜、多孔聚合物膜和磁性体中的一种或者两种以上的组合制成。
5.根据权利要求1所述的电池单体，其中，所述覆盖单元与所述分隔件由相同的材料制成。
6.根据权利要求1所述的电池单体，其中，所述磁性单元通过粘合剂被附接到所述覆盖单元。
7.根据权利要求6所述的电池单体，其中，所述粘合剂包含选自以下材料中的一种或多种材料：聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、乙烯-丙烯-二烯聚合物(EPDM)、磺化EPDM、苯乙烯丁二烯橡胶和其共聚物。
8.根据权利要求1所述的电池单体，其中，通过从所述电池单体的外部所施加的磁场而移动所述短路诱导构件的位置。
9.根据权利要求1所述的电池单体，其中，所述磁性单元包含选自Fe、Ni和Co中的一种或多种磁性材料。
10.根据权利要求1所述的电池单体，其中，所述短路诱导构件被设置成与形成在所述分隔件中的所述穿孔部具有相同的数量。
11.一种根据电池的内部短路来评估安全性的方法，所述方法包括：
制备正极、负极以及其中形成有穿孔部的分隔件；
制备覆盖单元，所述覆盖单元能够覆盖磁性单元和所述穿孔部，并且维持所述正极和负极之间的绝缘性；
通过将所述磁性单元附接到所述覆盖单元来制造短路诱导构件；
将所述短路诱导构件放置在所述穿孔部上；
组装包括所述正极、所述负极、所述分隔件和所述短路诱导构件的电池单体；
从所述电池单体的外部向所述短路诱导构件施加磁场；以及
移动所述短路诱导构件，以暴露所述穿孔部。
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