CN113711409B - 用于诱发内部短路的电化学元件和用于使用该电化学元件来评价安全性的方法 - Google Patents

用于诱发内部短路的电化学元件和用于使用该电化学元件来评价安全性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及：一种电化学元件，该电化学元件包括具有形成在其中的通孔的分隔件、通孔覆盖材料以及间隔件；和一种用于使用该电化学元件而借助于内部短路来评价能量存储装置的安全性的方法。包括根据本发明的电化学元件的能量存储装置的特征在于：在内部短路评价测试之后，所述能量存储装置能够被恢复到未发生短路的状态；并且能够在不拆解和重新组装的情况下执行反复的测试和评价。

Description

用于诱发内部短路的电化学元件和用于使用该电化学元件来 评价安全性的方法
技术领域
本发明涉及一种包括具有通孔的分隔件、通孔覆盖材料和间隔件的电化学装置和一种用于使用该电化学装置来评价由于内部短路引起的能量存储装置的安全性的方法。
该申请要求基于2019年8月7日提交的韩国专利申请10-2019-0096020号的优先权，该韩国专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
背景技术
随着由于化石燃料枯竭而导致能源价格上涨以及对环境污染的关注增加，对环境友好的可替代能源的需求成为未来生活不可或缺的因素。特别地，随着移动设备的技术发展和需求的增加，对作为能源的二次电池的需求正在快速增加。
通常，在电池的形状方面，对能够应用于诸如移动电话这样的、厚度较小的产品的棱柱形二次电池和袋型二次电池有很大需求。在材料方面，对具有高能量密度、放电电压和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)有很大需求。
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电极和负电极，然后将分隔件置于正电极和负电极之间，由此制成电极组件，然后该电极组件被安装在圆柱形或方形金属罐中或铝层压片的袋型壳体的内部，并且液体电解质被注入或浸渍到电极组件或固体电解质中，以制备二次电池。
此外，二次电池根据具有正电极/分隔件/负电极结构的电极组件的结构进行分类。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，长片型正电极和负电极在分隔件被置于其间的情况下被卷绕；堆叠电极组件，在该堆叠电极组件中，被切割成预定尺寸单元的多个正电极和负电极在分隔件被置于其间的情况下被依次地堆叠；和堆叠/可折叠电极组件，在该堆叠/可折叠电极组件中，双电池单体或全电池单体与分隔件片一起卷绕，在所述双电池单体或全电池单体中，预定单元的正电极和负电极在分隔件被置于其间的情况下被堆叠。
另一方面，所述电极通过离子交换而产生电流，并且构成所述电极的正电极和负电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，负电极具有碳类活性材料被涂覆在由铜或铝制成的电极板上的结构，正电极具有由LiCoO2,、LiMnO2,、LiNiO2等制成的活性材料被涂覆在由铝等制成的电极板上的结构。
为了制造正电极或负电极，包括电极活性材料的电极混合物被沿着一个方向涂覆在由长金属片制成的电极集电器上。
所述分隔件位于所述电池的正电极和负电极之间，以进行绝缘并且维持电解质，以提供用于离子传导的通道。
所述二次电池是使用能够重复在电流和材料之间进行多个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，从而进行充电，当在材料上进行氧化反应时，进行放电。这里，随着反复地进行充电和放电，从而产生电力。
虽然锂二次电池具有优异的电特性，但其存在安全性低的问题。例如，在诸如过度充电、过度放电、暴露于高温下这样的异常操作条件下，由于作为电池成分的活性材料和电解质的分解反应，从而锂二次电池产生热量和气体，并且所导致的高温和高压条件进一步促进分解反应，并且有时引起火灾或爆炸。
另外，非常重要的是：即使当在电池中发生内部短路时，也能确保安全性，为此，重要的是正确地评价当发生内部短路时电池的安全性。作为锂二次电池的电池稳定性项目，在用于锂电池的UL标准(UL1642)、电池工业协会指南(SBA G1101-1997锂二次电池安全性评价标准指南)等中解释了关于用于评价在内部短路期间的发热行为的电池评价测试的细节。
已经存在一种将加热元件放在电池单体的内部以诱发内部短路并通过加热元件产生内部热量的方法、一种对内部分隔件预钻孔并用化学品处理该区域以由此在一定温度下溶解内部分隔件的方法以及一种通过插入某种类型的金属材料并施加外力来撕裂分隔件以诱发内部短路的方法。然而，在第一种方法中，实际的产品和形状由于单体内部的加热元件和外部热源而将有所不同。在第二种方法的情况下，必须使得实际使用的分隔件发生变形，并在分隔件受到损坏的部分上执行化学处理，因此存在特性可能与现有产品不同的问题，并且可能由于由单体内部的化学反应引起的副反应而不会发生期望的反应。
另一方面，美国专利公开号2013-0209841(专利文献1)公开了一种电池的内部短路诱发装置，在该内部短路诱发装置中，在分隔件被穿孔之后，铜板被插入电池单体中，然后铜和铝板被放在分隔件的两侧上，然后蜡层被安设在铜板和分隔件之间或在铝板和分隔件之间。当在内部短路诱发装置中温度升高到蜡层的熔点以上时，蜡层被去除，并且正电极和负电极通过铜板和铝板电连接，从而引起内部短路。然而，这种方法具有如下问题：所述内部短路诱发装置的制造过程复杂，成本高，并且电池单体应当被拆解并且重新组装，以重复使用。
发明内容
技术问题
本发明是为了解决以上问题而创建的，并且本发明的目的在于提供一种用于在不物理修改电池单体结构的情况下评价能量存储装置的安全性的电化学装置和一种用于使用该电化学装置来评价能量存储装置的安全性的方法。
技术方案
为实现以上目的，根据本发明的一种电化学装置包括：
被顺序地堆叠的正电极、分隔件和负电极，其中，所述分隔件具有至少一个通孔，所述至少一个通孔在正电极和负电极之间连通，
其中，所述正电极和分隔件之间或者所述负电极和分隔件之间的至少一个界面包括间隔件，该间隔件被放置在不与通孔重叠的位置处，并且
其中，其上放置有所述间隔件的界面包括通孔覆盖材料，该通孔覆盖材料包含磁性材料。
所述通孔覆盖材料可以与形成在分隔件中的通孔重叠并完全覆盖通孔，从而物理地阻挡在正电极和负电极之间通过通孔的接触。另外，一个或多个间隔件可以以不与通孔重叠的形式被包括在正电极和分隔件之间或负电极和分隔件之间的界面中，并且所述间隔件可以用于确保空间，使得所述通孔覆盖材料能够在电化学装置的内部移动。
另一方面，所述通孔覆盖材料的形状可以不受限制，只要它能够覆盖所述通孔即可，但是可以优选的是，所述通孔覆盖材料具有板形，以在能够在所述间隔件的内部移动的同时使空间效率最大化。
另外，所述通孔覆盖材料可以包括选自Fe、Ni和Co中的一种或多种磁性材料。通过在所述通孔覆盖材料中包括磁性材料，可以能够根据在与电化学装置间隔开的位置处施加的磁场来移动所述通孔覆盖材料。
此时，当所述通孔覆盖材料具有板形时，所述磁性材料同样可以具有板形，并且可以被形成为环形，以最小化对离子传导性的影响。
如上所述，由于所述磁性材料可以包括导电金属，因此它可以通过同时接触正电极或负电极而引起短路。因此，所述磁性材料的外周表面的一部分或全部可以由绝缘材料包围。在这种情况下，所述绝缘材料可以是多孔聚合物膜，并且更具体地，可以是与所述分隔件相同的材料。
当与电化学装置的正电极、负电极和分隔件被堆叠的方向正交的方向被称为水平方向时，所述通孔覆盖材料的水平截面面积可以大于形成在分隔件中的通孔的面积。即，所述通孔覆盖材料应当能够在与所述通孔重叠的位置处完全覆盖所述通孔。
另外，所述间隔件内部的水平截面面积可以大于通孔覆盖材料的水平截面面积。因此，所述通孔覆盖材料能够在所述间隔件的内部移动。
另一方面，所述通孔覆盖材料可以通过从电化学装置的外部施加的磁场来移动。因此，可以能够通过与通孔重叠来完全覆盖通孔，并且通过暴露通孔，还可以能够通过在正电极和负电极之间的直接接触而引起短路。能够使得该位置移动可逆。
即，根据本发明的用于使用电化学装置来评价内部短路的方法可以按照以下步骤执行。
首先，制造电化学装置，该电化学装置包括正电极、负电极、具有通孔的分隔件、被置于正电极和分隔件之间或负电极和分隔件之间的至少一个界面上的间隔件以及覆盖通孔的通孔覆盖材料。
然后，可以在与电化学装置间隔开的位置处将磁场施加到所述通孔覆盖材料。此时，包括磁性材料的所述通孔覆盖材料可以根据所施加的磁场的强度和方向被移动。
当所述通孔覆盖材料被移动以暴露通孔时，由所述通孔覆盖材料覆盖的分隔件通孔被暴露。由此，正电极和负电极能够直接物理接触，并且能够诱发内部短路。
通过以上过程，通过观察已经发生内部短路的能量存储装置(诸如二次电池和电容器)中的变化，能够根据内部短路来评价安全性。
另外，如果能量存储装置的内部结构没有由于内部短路而变形，则能够再次移动通孔覆盖材料以在与通孔重叠的位置处覆盖通孔。因此，能够在不单独拆解或重新组装的情况下仅通过移动通孔覆盖材料来重复地执行内部短路评价。
有利效果
本发明的用于诱发内部短路的电化学装置改进了能量存储装置在内部短路评价测试之后发生物理变形的问题，这是传统方法的最大问题，并且该电化学装置能够在不发生物理变化的情况下在各种条件和环境下诱发内部短路。另外，如果在内部短路评价之后能量存储装置没有变形，则所述电化学装置的内部的通孔覆盖材料可以被再次移动，使得该通孔覆盖材料与所述分隔件的通孔重叠，并且它能够被恢复到未发生短路的状态。因此，能够在不拆解和重新组装的情况下进行重新测试和评价。
附图说明
图1示意性地示出包括根据本发明实施例的电化学装置的电池单体的结构。
图2示意性地示出根据本发明实施例的通孔覆盖材料的结构。
图3示意性地示出包括根据本发明另一实施例的电化学装置的结构。
图4示意性地示出在本发明的电化学装置中移动通孔覆盖材料以诱发内部短路、然后再次移动通孔覆盖材料以覆盖通孔的过程。
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，所以将在附图中示出特定的实施例并且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在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，类似的附图标记用于类似的元件。在附图中，为了本发明清楚起见，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，并且部件不应受到术语限制。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。
在该申请中，应当理解，诸如“包括”或“具有”的术语旨在指示存在说明书中所描述的特征、数目、步骤、操作、部件、零件或其组合，并且它们并不预先排除存在或添加一个或多个其它的特征或数目、步骤、操作、部件、零件或其组合的可能性。
而且，当诸如层、膜、区域、板等的一部分被称为位于另一个部分“上”时，这不仅包括该部分“直接地”位于另一个部分“上”的情况，还包括进一步的另一个部分被置于其间的情况。另一方面，当诸如层、膜、区域、板等的一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”在另一部分“下”的情况，还包括进一步的另一部分被置于其间的情况。另外，在本申请中，“被置放在…上”可以包括被置放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使得该物体不可见的一侧上，并且当物体被“覆盖”时，这意指在被覆盖侧上，物体的外部不再被显示。例如，“所述通孔被通孔覆盖材料覆盖”意指所述通孔覆盖材料被重叠在所述通孔上，并且在被覆盖有所述通孔覆盖材料的一侧上，所述通孔部不再被暴露。
以下，将详细描述本发明。
所述内部短路测试是电池的安全性测试中的用于评价内部短路耐受性的测试，并且是当电池内的正电极和负电极短路时模拟的测试。在所述内部短路测试中，首先制备完全充电的评价电池，产生内部短路，并且评价所述电池的行为。通常，当发生内部短路时，电池放电，并且电压下降，并且执行测试直到电压下降到一定值以下为止，以评价是否存在破裂以及电池的电压和温度等。
作为被设计用于电池安全性评价的内部短路诱发装置的示例，在由国家能源研究所(NREL)开发的内部短路诱发装置的情况下，由蜡制成的绝缘体被放置在正电极和负电极之间，以将正电极和负电极物理分隔。之后，当电池被充电和放电并且电池的内部温度上升到蜡的熔点时，蜡被去除，并且正电极和负电极形成直接接触，从而引起电池内部的短路。
具体地，传统的内部短路诱发装置通过对分隔件的一部分穿孔来生成孔，将由诸如铜这样的金属材料制成的块件插入所述孔中，并将蜡层置于金属块的一侧上。另外，正电极板被附接到所述分隔件的未设置蜡层的部分，并且负电极板被附接到所述蜡层。当所述蜡层被去除时，正电极、金属块和负电极形成直接接触，从而引起短路。
在锂离子二次电池中，随着锂离子在负电极和正电极之间移动，发生氧化还原反应。然而，在具有如上所述的传统短路诱发构件的电池的情况下，因为在安设有短路诱发构件的部分中，锂离子由于铝板和铜板而不能移动，所以形成了未反应区域。由于未反应区域，所以与传统电池相比，诸如容量这样的电池性能降低，并且由于当发生内部短路时难以模拟电池的正确行为，所以安全性评价的准确性降低。另外，在传统内部短路诱发装置的情况下，制造成本高，并且电池单体应当被拆解并且重新组装以包括所述短路诱发装置的结构，以在将其插入用于组装和测试的电池单体之后重复使用。然而，在重新组装过程期间，组装对准可能失真，或者电池单体结构可能发生变形，这可能导致意外的安全性问题。
除了上述方法之外，存在一种使用形状记忆合金的用于电池单体的内部短路的测试方法。然而，这也具有限制，即，电池应当被加热到一定温度或更高，并且由于插入电池单体内部的形状记忆合金的形状发生变形，因此存在电池单体的除分隔件之外的其它部件可能发生扭曲的风险。
其它已知的方法包括钉刺测试和挤压测试。然而，它们不可逆地使电池单体本身发生永久变形，并且存在的问题在于每次测试都应该制造新的电池单体。
在本发明中，所述电化学装置能够不受限制地用在能量存储装置(诸如电容器以及包括正电极、负电极和分隔件的二次电池)中，并且是对现有技术的进一步改进。
具体地，本发明的电化学装置能够用在锂二次电池的电池单体内部的电极组件中，并且对诸如圆柱形电池、袋型电池、棱柱形电池或硬币型电池的电池形状没有限制，但是在本发明的实施例中，使用袋型电池。
所述电极组件具有这样的结构：负电极和正电极被交替地堆叠，分隔件被置于所述电极之间，并由锂盐非水电解质浸渍。可以通过将包含电极活性材料的电极混合物施加在集电器上然后干燥该电极混合物来制造用于二次电池的电极。在必要时，所述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，所述正电极集电器通常具有3微米到500微米的厚度。所述正电极集电器不受特别限制，只要它具有高导电性且不引起电池中的化学变化即可。所述正电极集电器的示例包括：不锈钢；铝；镍；钛；烧结碳；或其表面已经用碳、镍、钛、银等处理过的铝或不锈钢。另外，为了增加正电极活性材料的粘附性，所述集电器可以在其表面上具有微细的不平整处，并且诸如膜、片、箔、网、多孔体、泡沫和非织造物的各种形式都是可能的。
用于所述负电极集电器的片材通常具有3微米到500微米的厚度。所述负电极集电器不受特别限制，只要它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；铜；或其表面已经用碳、镍、钛、银等处理过的不锈钢；铝镉合金等。另外，类似于所述正电极集电器，可以在表面上形成微细的不平整处，以增强负电极活性材料的结合力，并且能够以诸如膜、片、箔、网、多孔体、泡沫和非织造物的各种形式使用负电极集电器。
在本发明中，所述正电极活性材料是能够引起电化学反应的材料并且是锂过渡金属氧化物，并且包含两种或更多种过渡金属。其示例包括：用一种或多种过渡金属取代的层状化合物，诸如钴酸锂(LiCoO2)和镍酸锂(LiNiO2)；用一种或多种过渡金属取代的锂锰氧化物；由化学式LiNi1-yMyO2表示的锂镍氧化物(其中M＝Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B、Cr、Zn或Ga，并且包含以上元素中的至少一种，0.01≤y≤0.7)；由化学式Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae(诸如Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2、Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2等)表示的锂镍钴锰复合氧化物(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)；由化学式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)。
所述负电极活性材料的示例包括：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、元素周期表的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；和Li-Co-Ni类材料。
基于包括正电极活性材料的混合物的总重量，通常以1重量％到30重量％的量添加导电材料。这种导电材料不受特别限定，只要它具有导电性且不在电池中引起化学变化即可，并且其示例包括：石墨，诸如天然石墨和人造石墨；炭黑类，诸如炭黑、乙炔黑、科琴黑、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，诸如氟化碳、铝和镍粉；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；和导电材料，诸如聚亚苯基衍生物等。
基于包含正电极活性材料的混合物的总重量，以1重量％到30重量％的量添加粘合剂，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。
可选择地使用填料作为用于抑制电极的膨胀的成分，所述填料不受特别限制，只要它是纤维状材料且不会在电池中引起化学变化即可。所述填料的示例包括：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。
可以可选择地或以两种或更多种的组合进一步包括其它成分，诸如粘度调节剂、粘附促进剂等。所述粘度调节剂是调节电极混合物的粘度、从而使得电极混合物的混合过程和其在集电器上的涂覆过程可以很容易的成分，并且基于所述负电极混合物的总重量，可以将所述粘度调节剂添加至30重量％。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。在某些情况下，上述溶剂可以用作粘度调节剂。
所述粘附促进剂是为了提高活性材料到集电器的粘附性而添加的辅助成分，并且与粘合剂相比，可以以小于10重量％的量添加，并且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。
所述分隔件被置于正电极和负电极之间，并且使用具有高离子渗透性和机械强度的绝缘薄膜。所述分隔件的孔径通常为0.01微米到10微米，并且厚度通常为5微米到300微米。这样的分隔件的示例包括：具有化学耐受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非织造物。
含锂盐的非水电解质溶液由电解质和锂盐组成。并且使用非水有机溶剂、有机固体电解质、无机固体电解质等作为电解质溶液。
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、四氢呋喃、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、聚海藻酸盐赖氨酸、聚酯硫化物、聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯、包括离子解离基团的聚合剂等。
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-苯基硼酸锂、酰亚胺等。
为了改善充电/放电特性、阻燃性等，可以将吡啶、亚磷酸三乙酯、三乙醇胺、环醚、乙二胺、(缩)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、三氯化铝等添加到电解质。在某些情况下，可以进一步添加诸如四氯化碳或三氟乙烯的含卤素溶剂以赋予不燃性，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(氟代碳酸亚乙酯)、PRS(丙烯磺酸内酯)等。
在一个优选示例中，可以将诸如LiPF6、LiClO4、LiBF4和LiN(SO2CF3)的锂盐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。
为了实现以上目的，根据本发明的电化学装置包括正电极、分隔件和负电极被顺序地堆叠的结构。这里，所述分隔件具有形成至少一个通孔的结构，所述至少一个通孔在正电极和负电极之间连通。此外，在正电极和分隔件之间以及在负电极和分隔件之间的至少一个界面可以包括间隔件，该间隔件被形成在不与通孔重叠的位置处，并且其上设置有间隔件的界面可以包括通孔覆盖材料，该通孔覆盖材料包含磁性材料。
所述通孔覆盖材料与形成在分隔件中的通孔重叠并完全覆盖通孔，从而物理地阻挡在正电极和负电极之间通过通孔的接触。另外，可以以不与通孔重叠的形式在正电极和分隔件之间或负电极和分隔件之间的界面中包括一个或多个间隔件，并且所述间隔件可以用于确保空间，使得所述通孔覆盖材料能够在所述电化学装置的内部移动。
所述间隔件用于支撑正电极或负电极与分隔件之间的界面，并且同时用于确保如下空间：所述通孔覆盖材料能够容易地在该空间内移动。因此，所述间隔件的厚度优选地等于或大于所述通孔覆盖材料的厚度。
另外，为了最小化对离子传导性的影响，所述间隔件的材料优选地由多孔材料制成。即，能够应用多孔网或聚合物材料。分隔件可以用作所述间隔件的材料。在这种情况下，如在图3中所示的另一实施例中，还可以通过以多层将其层压至期望的预定厚度来制造分隔件。
另一方面，所述通孔覆盖材料的形状不受限制，只要它能够覆盖通孔即可，但是优选的是，所述通孔覆盖材料具有板形，以在能够在间隔件内部移动的同时使空间效率最大化。
另外，所述通孔覆盖材料可以包括选自Fe、Ni和Co中的一种或多种磁性材料。通过在所述通孔覆盖材料中包括磁性材料，能够根据在与电化学装置间隔开的位置处施加的磁场来移动所述通孔覆盖材料。
此时，当所述通孔覆盖材料具有板形时，磁性材料同样可以具有板形，并且可以被形成为环形，以最小化对离子传导性的影响。应当包括磁性材料，从而通过磁场来移动所述通孔覆盖材料。然而，其中嵌入有电化学装置的能量存储装置可能例如成为抑制离子在电池单体内的移动的元件。因此，为了最小化由磁性材料占据的区域，所述磁性材料可以呈沿着所述通孔覆盖材料的每一端形成的环形，更优选是多孔材料。
如上所述，由于所述磁性材料可以包括导电金属，因此它可以通过同时接触正电极或负电极而引起短路。因此，所述磁性材料的外周表面的一部分或全部可以由绝缘材料包围。在这种情况下，所述绝缘材料可以是多孔聚合物膜，并且更具体地，可以是与分隔件相同的材料。
当与电化学装置的正电极、负电极和分隔件被堆叠的方向正交的方向被称为水平方向时，所述通孔覆盖材料的水平截面面积大于形成在分隔件中的通孔的面积。即，基于水平方向上的截面面积，所述通孔覆盖材料应当大于通孔的面积，使得在所述通孔覆盖材料与通孔重叠的位置处，所述通孔覆盖材料能够完全覆盖通孔，并且所述通孔覆盖材料的形状没有限制，但是通孔覆盖材料应当具有能够完全阻挡通孔的形状。
另外，所述间隔件内部的水平截面面积大于通孔覆盖材料的水平截面面积。因此，所述通孔覆盖材料能够在所述间隔件内部移动。
另一方面，所述通孔覆盖材料可以通过从电化学装置外部施加的磁场而被移动。因此，能够通过与通孔重叠来完全覆盖通孔，并且通过暴露所述通孔，还能够通过在正电极和负电极之间的直接接触而引起短路。能够使得该位置移动可逆。
即，根据本发明的用于使用电化学装置来评价内部短路的方法可以按照以下步骤执行。
首先，执行制造电化学装置的步骤，该电化学装置包括正电极、负电极、具有通孔的分隔件、被置于正电极和分隔件之间或负电极和分隔件之间的至少一个界面上的间隔件以及覆盖通孔的通孔覆盖材料。
然后，在与电化学装置间隔开的位置处将磁场施加到所述通孔覆盖材料。此时，包含磁性材料的所述通孔覆盖材料可以根据所施加的磁场的强度和方向被移动。
当通孔覆盖材料被移动以暴露通孔时，由所述通孔覆盖材料覆盖的分隔件通孔被暴露。由此，正电极和负电极能够直接物理接触，并且能够诱发内部短路。
通过以上过程，通过观察已经发生内部短路的能量存储装置(诸如二次电池和电容器)中的变化，能够根据内部短路来评价安全性。
另外，如果能量存储装置的内部结构没有由于内部短路而发生变形，则能够再次移动所述通孔覆盖材料，以在与通孔重叠的位置处覆盖通孔。因此，能够在不单独拆解或重新组装的情况下仅通过移动所述通孔覆盖材料来重复地执行内部短路评价。
参考附图，将更详细地描述根据本发明的短路诱发构件以及用于使用该短路诱发构件来评价电池的安全性的方法。
图1示意性地示出包括根据本发明实施例的电化学装置的电池单体100的结构。
参考图1，包括根据本发明的电化学装置的电池单体100可以包括正电极110、负电极120、分隔件130、间隔件140和电池壳体150。所述间隔件140可以被置于正电极110或负电极120与分隔件130之间的界面处，并且所述间隔件140的内部空间141可以包括通孔覆盖材料10。同时，通孔131被形成在分隔件130中，并且所述通孔覆盖材料10与所述通孔131重叠，以完全覆盖通孔131。
所述通孔覆盖材料10的实施例在图2中示出。根据图2的实施例，所述通孔覆盖材料10中包括磁性材料11，并且所述磁性材料11可以具有多孔环形状。另外，绝缘膜12和13可以被设置在所述磁性材料11的上表面和下表面上，使得不会由于所述磁性材料11与电化学装置的正电极和负电极之间的接触而发生短路。
另一方面，图3示出包括根据本发明另一实施例的电化学装置的电池单体200的结构。
参考图3，包括根据本发明的电化学装置的电池单体200可以包括正电极210、负电极220、分隔件230、间隔件240和电池壳体250。所述间隔件240可以被置于正电极210或负电极220与分隔件230之间的界面处，并且所述间隔件240的内部空间241可以包括通孔覆盖材料10。在本实施例中，所述间隔件240可以通过堆叠多个分隔件而形成，并且可以通过将所述分隔件堆叠到足以使得所述通孔覆盖材料10能够容易地移动的厚度来制造。
同时，通孔231被形成在所述分隔件230中，并且所述通孔覆盖材料10与所述通孔231重叠，以完全覆盖所述通孔231。
图4中详细示出了用于评价由于通孔覆盖材料通过磁场移动和据此产生的内部短路而引起的安全性的方法。
参考图4，如在图4(a)的步骤中，从配备有本发明的电化学装置的、诸如电池单体或电容器这样的能量存储装置的外表面施加磁场。此时，所述通孔覆盖材料完全覆盖分隔件的通孔，并且正电极和负电极由覆盖所述通孔的所述通孔覆盖单元物理阻挡，并且不直接接触。
当磁场被施加到所述通孔覆盖材料的磁性材料时，可以通过诸如钕这样的永久磁体20来施加所述磁场，但是施加磁场的方法不限于此。
参考图4(b)的步骤，所述通孔覆盖材料根据从外部施加的磁场而移动，使得所述分隔件的通孔被暴露。通过该通孔，正电极和负电极形成直接接触，从而引起内部短路。
同时，在图4(c)的步骤中，将磁场再次施加到所述通孔覆盖材料，以使得所述通孔覆盖材料在所述通孔的方向上移动。在图4(d)的步骤中，所述通孔覆盖材料可以被移动到与所述通孔重叠的位置，以完全覆盖所述通孔。因此，在图4(d)的步骤之后，可以再次重复图4(a)到图4(d)的步骤，使得如果能量存储装置不被损坏，则能够在不拆解和重新组装的情况下重复地执行安全性评价。
<附图标记说明>
10：通孔覆盖材料
11：磁性材料
12：绝缘膜
13：绝缘膜
100：电池单体
110：正电极
120：负电极
130：分隔件
131：通孔
140：间隔件
141：间隔件的内部空间
150：电池壳体
200：电池单体
210：正电极
220：负电极
230：分隔件
231：通孔
240：间隔件
241：间隔件的内部空间
250：电池壳体

Claims (8)

1.一种电化学装置，所述电化学装置包括被顺序地堆叠的正电极、分隔件和负电极，
其中，所述分隔件具有至少一个通孔，所述至少一个通孔在所述正电极和所述负电极之间连通，
其中，所述正电极和所述分隔件之间或者所述负电极和所述分隔件之间的至少一个界面包括间隔件，所述间隔件通过堆叠多个分隔件而形成，并且所述间隔件被放置在不与所述通孔重叠的位置处，并且
其中，其上放置有所述间隔件的所述界面包括通孔覆盖材料，所述通孔覆盖材料包含磁性材料，所述磁性材料的外周表面由绝缘材料包围，所述通孔覆盖材料与所述通孔重叠，以完全覆盖所述通孔，
所述通孔覆盖材料能够根据从外部施加的磁场而移动，使得所述分隔件的所述通孔被暴露，从而所述正电极和负电极形成直接接触，以引起内部短路，所述通孔覆盖材料还能够根据所述磁场而移动至与所述通孔重叠的位置，以完全覆盖所述通孔。
2.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述通孔覆盖材料为板形。
3.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述通孔覆盖材料包括选自Fe、Ni和Co中的一种或多种磁性材料。
4.根据权利要求3所述的电化学装置，其中，所述磁性材料为板形或环形。
5.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述绝缘材料是多孔聚合物膜。
6.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述通孔覆盖材料的水平截面面积大于形成在所述分隔件中的所述通孔的面积。
7.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述间隔件内部的水平截面面积大于所述通孔覆盖材料的水平截面面积。
8.一种用于根据电池的内部短路来评价安全性的方法，所述方法包括：
制造电化学装置，所述电化学装置包括正电极、负电极、具有通孔的分隔件、被置于所述正电极和所述分隔件之间或所述负电极和所述分隔件之间的至少一个界面上的间隔件以及覆盖所述通孔的通孔覆盖材料，所述间隔件通过堆叠多个分隔件而形成，所述通孔覆盖材料包含磁性材料，所述磁性材料的外周表面由绝缘材料包围，所述通孔覆盖材料与所述通孔重叠，以完全覆盖所述通孔；
在与所述电化学装置间隔开的位置处将磁场施加到所述通孔覆盖材料；
通过从所述通孔移除所述通孔覆盖材料来暴露所述通孔，从而所述正电极和负电极形成直接接触，以引起内部短路；以及
利用所述通孔覆盖材料来覆盖所述通孔，以再次覆盖所述通孔。
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