CN113767517B - 包括短路诱发构件的电化学装置和使用该电化学装置的安全性评价方法 - Google Patents

包括短路诱发构件的电化学装置和使用该电化学装置的安全性评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电化学装置以及一种能够通过使用该电化学装置来评价在内部短路条件下的安全性的方法，该电化学装置包括具有穿孔线的分隔件以及短路诱发构件。当使用本发明的电化学装置时，能够在不会使能量存储设备发生物理变形的情况下容易地评价在内部短路条件下的安全性。

Description

包括短路诱发构件的电化学装置和使用该电化学装置的安全 性评价方法
技术领域
本发明涉及一种包括短路诱发构件的电化学装置和使用该电化学装置来评价由于内部短路引起的电池的安全性的方法。
该申请要求基于2019年8月9日提交的韩国专利申请10-2019-0097047号的优先权，并且该韩国专利申请的全部内容通过引用并入本文。
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正在增加，对作为能源的二次电池的需求正在快速增加。
通常，就电池的形状而言，对能够应用于诸如移动电话这样的、具有小厚度的产品的棱柱形二次电池和袋型二次电池有很大需求。就材料而言，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正电极和负电极之间的情况下被卷绕；堆叠电极组件，在该堆叠电极组件中，被切割成预定尺寸单位的多个正电极和负电极在分隔件被置于正电极和负电极之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片卷绕，在所述双电池单体或全电池单体中，预定单位的正电极和负电极在分隔件被置于正电极和负电极之间的情况下被堆叠。
另一方面，电极通过离子交换而产生电流，并且构成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，并且正电极具有由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。
分隔件位于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。
二次电池是使用能够在电流和材料之间重复多个氧化还原过程的材料制造的可再充电电池。当由电流在材料上执行还原反应时，进行充电，当在材料上执行氧化反应时，进行放电。这里，随着反复地执行充电和放电，从而产生电力。
锂二次电池在具有优异的电特性的同时，存在安全性低的问题。例如，在诸如过度充电、过度放电、暴露于高温下这样的异常操作条件下，锂二次电池由于作为电池成分的活性材料和电解质的分解反应而产生热量和气体，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，非常重要的是即使在电池中发生内部短路时也确保安全性，为此，重要的是正确地评价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2013-0209841号(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，然后铜板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，这种方法存在内部短路诱发装置的制造过程复杂并且成本高的问题，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
本发明为了解决以上问题而被发明，并且本发明的目的在于提供一种电化学装置和使用这种电化学装置的安全性评价方法，该电化学装置能够在无需物理改变二次电池、电容器或其它能量存储装置中的整个结构的情况下测试由于内部短路引起的安全性。
技术方案
用于实现以上目的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，所述分隔件具有其中形成有线性穿孔线的结构，并且设置有短路诱发构件，该短路诱发构件以与穿孔线相邻的方式被附接到所述分隔件的一侧或两侧。
此时，所述穿孔线的特征在于，该穿孔线沿着直线、曲线或由直线和曲线的组合形成的线条被形成在分隔件上。即，除了单条闭合曲线(在所述单条闭合曲线中，线条形成闭合图形，诸如圆形或多边形)的形状之外，所述线条的形状不受限制。
同时，所述穿孔线的特征在于，该穿孔线由多个贯通型狭缝或非贯通型凹槽制成。然而，在由贯通型狭缝形成的穿孔线的情况下，优选的是，所述穿孔线被形成为具有足够小宽度的线性狭缝，使得不会通过所形成的狭缝发生短路。在非贯通型凹槽的情况下，所述凹槽的尺寸或形状不受限制，诸如线性、圆形、多边形等。
所述短路诱发构件的特征在于，该短路诱发构件包含选自由Fe、Ni和Co中的一种或两种或更多种类型的磁性材料，由此通过在与电化学装置分离的位置处施加的磁场，所述短路诱发构件可以移动。
另外，随着所述短路诱发构件的移动，其上形成有穿孔线的分隔件发生破裂，并且正电极和负电极通过破裂部分直接地彼此接触，从而引起电化学装置的内部短路。
然而，由于所述短路诱发构件中所包括的磁性材料可能在与正电极或负电极接触时引起短路，因此外周表面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。
另一方面，由于本发明的短路诱发构件通过在由磁场移动的同时沿着穿孔线剥离分隔件而诱发短路，因此该短路诱发构件应当被物理地连接到分隔件。因此，为此目的，所述短路诱发构件可以由粘合剂附接到分隔件。
所述粘合剂可以包含选自如下材料中的一种或多种：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、苯乙烯丁二烯橡胶或以上材料的共聚物，并且还可以在能够附接分隔件的已知粘合剂中选择性地使用粘合剂。
同时，根据使用电化学装置的内部短路的安全性评价方法能够不受限制地用在包括正电极、负电极和分隔件的能量存储装置中，诸如用于二次电池的电池单体和电容器，并且具体地能够通过以下步骤执行：
制备其上形成有穿孔线的分隔件；
在与穿孔线相邻的位置处附接包括磁性材料的短路诱发构件；
将磁场施加到短路诱发构件；以及
移动短路诱发构件，以使分隔件的穿孔线部分发生破裂。
当根据上述步骤移动短路诱发构件以使分隔件破裂时，正电极和负电极通过破裂部分直接接触，从而诱发内部短路。
有利效果
本发明的包括短路诱发构件的电化学装置改进了在内部短路评价测试之后能量存储装置(诸如电池单体和电容器)的物理不可逆变形的问题，这是传统方法的最大问题。除了所述分隔件发生部分地破裂之外，本发明的电化学装置不发生结构变形，并且可以在各种状态和环境下诱发内部短路。另外，由于能够在不拆解和重新组装的情况下进行实验和评价，所以过程简单，并且能够节省时间和成本。
附图说明
图1示意性地示出根据本发明实施例的包括短路诱发构件的电化学装置和包括该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另一实施例的包括短路诱发构件的电化学装置和包括该电化学装置的电池单体的结构。
图3是顺序地示出根据本发明实施例的通过使用磁体和包括具有短路诱发构件的电化学装置的电池单体来在电池单体的内部引起短路的过程的示意图。
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，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在另一个部分“上”时，这不仅包括该部分“直接地”在另一个部分“上”的情况，还包括进一步的另一个部分被置于其间的情况。在另一个方面，当诸如层、膜、区域、板等的一部分被称为“在”另一个部分“下”时，这不仅包括该部分“直接地”在另一个部分“下”的情况，还包括进一步的另一个部分被置于其间的情况。另外，在本申请中，“置放在……上”可以包括置放在底部处以及顶部处的情况。
以下，将详细描述本发明。
内部短路测试是电池的安全性测试中用于评价内部短路耐受性的测试，并且是模拟在电池的内部正电极和负电极发生短路时的测试。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，然后评价电池的行为。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没有设置蜡层的部分，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短路诱发装置的结构，从而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。
包括根据本发明的短路诱发构件的电化学装置是对现有技术的进一步改进，并且短路诱发构件包括磁性材料，并且随着短路诱发构件移动，分隔件被剥离。
根据本发明的电化学装置具体地包括包含正电极、负电极、分隔件和短路诱发构件，并且被应用于二次电池、电容器和各种能量存储装置，以执行内部短路测试。
具体地，在锂二次电池的情况下，包括所述电化学装置的电极组件可以具有内置于电池壳体中的结构，并且根据二次电池的形状，它能够被应用于大多数二次电池，诸如圆柱形电池、袋型电池、棱柱型电池或硬币型电池，但是在本发明的一个实施例中，使用袋型电池。
所述电极组件具有这样的结构：在分隔件被置于负电极和正电极之间并且由锂盐非水电解质浸渍的情况下，所述负电极和正电极被交替地堆叠。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，并且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、从而使得所述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。
具体地，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。所述分隔件具有形成有线性穿孔线的结构，并且包括短路诱发构件，该短路诱发构件以与所述穿孔线相邻的方式被附接到所述分隔件的一侧或两侧。
此时，所述穿孔线的特征在于，该穿孔线沿着直线、曲线或由直线和曲线的组合形成的线条形成在所述分隔件上。即，除了单条闭合曲线(其中，所述线条形成闭合图形，诸如圆形或多边形)的形状之外，所述线条的形状不受限制。尽管即使当形成单条闭合曲线的图形时也不是不可以应用，但是所述线条优选地形成为开放线性形状，以便随着所述短路诱发构件在一个方向上的移动而容易地引起剥离。
同时，所述穿孔线的特征在于，该穿孔线由多个贯通型狭缝或非贯通型凹槽制成。然而，在由所述贯通型狭缝制成的穿孔线的情况下，如果通过所形成的狭缝导致的分隔件的开口的宽度较宽，则在正电极和负电极形成彼此接触以诱发短路之前就可能发生短路的问题。因此，当形成贯通型狭缝时，它优选为线性，但是优选的是，宽度足够窄，使得正电极和负电极不接触。在这种情况下，可以使用线性切割器来形成狭缝。
另外，在非贯通型凹槽的情况下，所述凹槽的尺寸或形状不受限制，诸如线性、圆形、多边形等。在这种情况下，可以通过沿着所要创建的线条使用挤压装置将所述分隔件挤压成凹槽形突起来形成所述凹槽。
所述短路诱发构件的特征在于，该短路诱发构件包含选自Fe、Ni和Co中的一种或两种或更多种类型的磁性材料，由此通过在与电化学装置分离的位置处施加的磁场，可以使得所述短路诱发构件发生移动。
另外，随着所述短路诱发构件的移动，其上形成有穿孔线的分隔件发生破裂，并且正电极和负电极通过破裂部分而直接地彼此接触，从而引起电化学装置的内部短路。
然而，由于所述短路诱发构件中所包括的磁性材料可能在与正电极或负电极接触时引起短路，因此外周表面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。
同时，所述短路诱发构件中的一个或多个可以通过粘合剂被附接到盖单元的端部。磁性部件用于通过从电池单体的外部施加的磁场来移动所述短路诱发构件，并且当所述短路诱发构件根据磁场的方向而移动时，所述分隔件可以沿着穿孔线被剥离。因此，由于暴露的正电极和负电极能够直接接触，所以发生电池单体的内部短路。即，通过将如上所述的短路诱发构件附接到分隔件，当在与包括所述短路诱发构件的电化学装置间隔开的位置处施加磁场时，在根据磁场的方向移动短路诱发构件的位置时，所述分隔件沿着穿孔线被剥离。
如果用于将所述短路诱发构件附接到所述分隔件的粘合剂被设计成：该粘合剂不影响所述分隔件和短路诱发构件的电极层，并且当由于所述短路诱发构件而发生短路时，该粘合剂防止电极之间的导通，则对化学品的类型没有具体限制，并且可以使用环氧树脂组合物，只要粘附力不被内部电解质降低即可。
这种粘合剂可以由选自：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、苯乙烯丁二烯橡胶或以上材料的共聚物。
特别地，化学品中的聚偏二氟乙烯(PVDF)是一种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和良好的机械性能、热性能和电性能，这是氟树脂的优点。这样，它在维持短路诱发构件和分隔件之间的粘附的同时不会干扰电池单体内部的电连接。
同时，根据使用电化学装置的内部短路的安全性评价方法能够不受限制地用在包括正电极、负电极和分隔件的能量存储装置中，诸如用于二次电池的电池单体和电容器，并且具体地能够通过以下步骤执行：
制备其上形成有穿孔线的分隔件；
将包括磁性材料的短路诱发构件附接在与所述穿孔线相邻的位置处；
将磁场施加到所述短路诱发构件；以及
移动所述短路诱发构件，以使所述分隔件的穿孔线的部分发生破裂。
当根据上述步骤移动所述短路诱发构件以使所述分隔件破裂时，正电极和负电极通过破裂部分直接接触，从而诱发内部短路。根据本发明的实施例，通过制造包括电化学装置的电池单体，可以诱发所述二次电池内部的内部短路。
在下文中，参考附图，将更详细地描述包括根据本发明的短路诱发构件的电化学装置和包括该电化学装置的电池单体结构以及安全性评价方法。
图1示出包括作为根据本发明实施例的电化学装置的电池单体100的结构。所述电池单体100可以包括正电极110、负电极120以及被置于正电极和负电极之间的分隔件130，并且所述正电极110和负电极120以及分隔件130可以被容纳在袋型壳体140中。
“C”形的穿孔线131被形成在所述分隔件130上，并且所述穿孔线可以被形成为多个线性狭缝或线性凹槽。在狭缝的情况下，可以使用切割器，并且在凹槽的情况下，可以使用加压夹具，但是形成所述穿孔线131的方法不限于此。同时，所述短路诱发构件132被附接成与所述穿孔线相邻，并且随着所述短路诱发构件132的移动，位于附接有所述短路诱发构件132的部分处的分隔件发生移动，并且沿着所述穿孔线131发生破裂(剥离)。
图2示出包括作为根据本发明另一实施例的电化学装置的另一电池单体200的结构。所述电池单体200具有类似于图1的实施例的结构，并且可以包括正电极210、负电极电极220以及被置于正电极和负电极之间的分隔件230。所述正电极210和负电极220以及分隔件230可以被容纳在袋240型壳体中。
“<”形的穿孔线231被形成在所述分隔件230上，并且所述穿孔线可以被形成为多个线性狭缝或线性凹槽。在狭缝的情况下，可以使用切割器，并且在凹槽的情况下，可以使用加压夹具，但是形成所述穿孔线231的方法不限于此。同时，所述短路诱发构件232被附接成与所述穿孔线相邻，并且随着所述短路诱发构件232的移动，位于附接有所述短路诱发构件232的部分处的分隔件发生移动，并且沿着所述穿孔线231发生破裂(剥离)。所述“<”形穿孔线被设计成：随着所述短路诱发构件232的移动，逐渐加宽破裂部分的宽度，并且所述穿孔线被形成为容易以小的作用力引起所述分隔件破裂(剥离)的形状。
在图3中，示意性地示出了通过在距电化学装置一定距离处施加磁场来诱发短路的过程。
参考图3以更详细地描述诱发内部短路的过程，首先，如在图3(a)中，通过使用永久磁体10或能够施加磁场的装置，磁场从电池单体的外部被施加到被附接到电化学装置的短路诱发构件。
磁场被施加到所述短路诱发构件中所包括的磁性材料，并且可以沿着由箭头指示的没有形成穿孔线的方向被施加，使得所述分隔件可以沿着所述穿孔线破裂。
接下来，参考图3(b)，所述短路诱发构件根据从外部施加的磁场在电池单体内部移动，由此位于附接有所述短路诱发构件的区域中的分隔件发生移动，并且所述分隔件沿着穿孔线发生破裂。结果，破裂部分的正电极和负电极形成直接接触，从而造成短路，并且变得能够评价诱发了内部短路的电池单体的安全性。
<附图标记说明>
10：永久磁体
100：电池单体
110：正电极
120：负电极
130：分隔件
131：穿孔线
132：短路诱发构件
140：电池壳体
200：电池单体
210：正电极
220：负电极
230：分隔件
231：穿孔线
232：短路诱发构件
240：电池壳体

Claims (9)

1.一种用于内部短路测试的电化学装置，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，所述分隔件包括线性穿孔线，并且
其中，短路诱发构件被设置在与所述穿孔线相邻的所述分隔件的一侧或两侧上，
其中，所述短路诱发构件通过从与所述电化学装置间隔开的位置施加的磁场而移动，
其中，当根据所述磁场的方向而移动所述短路诱发构件的位置时，所述穿孔线根据所述短路诱发构件的移动而发生破裂，并且所述分隔件沿着所述穿孔线被剥离。
2.根据权利要求1所述的用于内部短路测试的电化学装置，其中，所述分隔件上包括沿着直线、曲线或由直线和曲线的组合形成的线条的所述穿孔线。
3.根据权利要求1所述的用于内部短路测试的电化学装置，其中，所述穿孔线包括多个贯通型狭缝或非贯通型凹槽。
4.根据权利要求1所述的用于内部短路测试的电化学装置，其中，所述短路诱发构件包括选自Fe、Ni和Co中的一种或多种磁性材料。
5.根据权利要求4所述的用于内部短路测试的电化学装置，其中，所述磁性材料的外周表面由绝缘材料包围。
6.根据权利要求5所述的用于内部短路测试的电化学装置，其中，所述绝缘材料包括多孔聚合物膜。
7.根据权利要求1所述的用于内部短路测试的电化学装置，其中，所述短路诱发构件由粘合剂附接到所述分隔件。
8.根据权利要求7所述的用于内部短路测试的电化学装置，其中，所述粘合剂包含以下材料中的一种或多种：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、EPDM、磺化EPDM、苯乙烯丁二烯橡胶或以上材料的共聚物。
9.一种用于根据电池的内部短路来评价安全性的方法，所述方法包括如下步骤：
顺序地堆叠正电极、分隔件和负电极来形成用于内部短路测试的电化学装置；
制备其上形成有穿孔线的分隔件；
将包括磁性材料的短路诱发构件附接在与所述穿孔线相邻的位置处；
将磁场施加到所述短路诱发构件；以及
通过从与所述电化学装置间隔开的位置施加的磁场而移动所述短路诱发构件，以暴露所述穿孔线的部分，
当根据所述磁场的方向而移动所述短路诱发构件的位置时，使得所述穿孔线根据所述短路诱发构件的移动而发生破裂，并且沿着所述穿孔线剥离所述分隔件。
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