CN115219923A - 一种锂离子软包电池内短路模拟装置及模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锂离子软包电池内短路模拟装置,包括软包电池及其内部的若干隔离片，电池内隔膜的若干位置上设有开孔且每处的开孔均被隔离片完全覆盖，隔离片由铷磁铁片及完全包裹铷磁铁片的高分子绝缘膜构成，模拟装置还包括位于电池外部的铷磁铁块；本发明还提供了一种锂离子软包电池内短路模拟方法，通过移动铷磁铁块，使与铷磁铁块相互吸引的隔离片也跟随移动并离开其初始位置，导致该隔离片不能覆盖其初始位置的隔膜开孔，并对软包电池施加内压力，从而导致隔膜开孔位置的正负极活性物质互相接触造成短路。本发明公开的内短路模拟装置结构简单、制备方便、成本低廉，对电池自身结构和性能影响小，对应的模拟方法简便易行，操作可控。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池安全领域，特别涉及一种锂离子软包电池的内短路模拟装置及模拟方法。
背景技术
锂离子电池广泛用于国民经济各个部门和居民生活领域。其中，锂离子软包电池通常采用铝塑膜包装内部极芯构成，并具有重量轻、容量大、内阻小、厚度薄和可灵活定制等各种优点，而越来越受到人们的重视。但是，锂离子软包电池仍然不可避免地存在安全问题，其中较为突出的安全问题是锂离子电池的内短路。由于锂离子电池自身材料和制造工艺缺陷以及外部滥用等各种因素，某种情况下锂离子电池内部的正负极片的部分区域会失去隔膜的隔离作用而互相接触，这就造成电池的内短路，带来温度升高甚至起火爆炸等不良后果。与金属壳体电池相比，软包电池的外部封装结构由很薄的铝塑膜构成，其强度十分有限，且软包电池没有危险状态下可自动开启的安全阀结构，故软包电池内短路所带来的安全问题尤为突出。
为了尽量避免内短路造成的各种负面问题并减少其危害，如中国专利CN105633489B的总结，十分有必要通过实验手段人为可控地开展锂离子软包电池的内短路模拟测试，从而评估内短路的危害程度并优化相关设计参数和制造工艺；此外，锂离子电池的内短路模拟测试技术还可以帮助人们设计和改进各种内短路监测、诊断与告警方法。然而，当前公知的各种锂离子电池内短路模拟测试技术中存在三个方面的问题：第一，结构复杂，样品制备麻烦；第二，内短路装置及其触发条件对电池自身结构和性能带来额外影响；第三，稳定性和可重复性不高。因此，亟需针对锂离子软包电池，提出新的内短路模拟装置及模拟方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、制备方便、成本低廉、操作可控、对电池自身影响小的锂离子软包电池的内短路模拟装置及模拟方法。
根据本发明的一个方面，提供一种锂离子软包电池内短路模拟装置,包括软包电池及其内部的若干隔离片，所述软包电池由浸润有电解液的极芯和位于极芯外部用于封装极芯的铝塑膜构成，所述极芯由正极片、负极片和位于正极片与负极片之间的隔膜构成，所述正极片由正极集流体和涂覆于正极集流体表面的正极活性物质构成，所述负极片由负极集流体和涂覆于负极集流体表面的负极活性物质构成，所述隔膜的若干位置上设有开孔且每处的开孔均被隔离片完全覆盖，所述隔膜上设置的开孔的数目等于软包电池内部的隔离片数目，所述隔离片由铷磁铁片及完全包裹铷磁铁片的高分子绝缘膜构成，所述锂离子软包电池的内短路模拟装置还包括位于软包电池外部的铷磁铁块。
上述锂离子软包电池内短路模拟装置,所述隔离片的厚度为隔膜厚度的0.5倍至1.5倍。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于上述锂离子软包电池内短路模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：
步骤S1、制备锂离子软包电池内短路模拟装置，并在软包电池的铝塑膜外表面上，用记号笔标记所有隔离片在铝塑膜外表面所处平面上的投影位置，使所有隔离片在塑料膜外表面上都存在与之相对应的标记位置；
步骤S2、将电池充电至实验所需要的荷电状态，并将电池置于实验所需要的环境温度下搁置1小时以上；
步骤S3、基于步骤S1获得的标记，将铷磁铁块紧贴于铝塑膜外表面上的某个标记位置，使铷磁铁块和与该标记位置对应的隔离片相互吸引；
步骤S4、移动铷磁铁块，使与铷磁铁块相互吸引的隔离片也跟随移动并离开其初始位置，导致该隔离片不能覆盖其初始位置的隔膜开孔；
步骤S5、根据模拟实验需要重复步骤S3至步骤S4，直至电池内的所有需要移动的隔离片均离开其原来的位置；
步骤S6、在电池铝塑膜外表面的法向上对电池施加指向电池内部的压力。
上述锂离子软包电池内短路模拟方法，所述步骤S6中压力的大小在103N/m2至105N/m2之间。
优选地，步骤S1中制备锂离子软包电池内短路模拟装置时，先通过叠片或卷绕方式制备锂离子软包电池的极芯，极芯制备过程中一同完成隔膜的开孔操作和隔离片的放置；然后进行极芯的封装和电池的注液、密封和化成。
本发明的有益效果在于：
1、本发明充分利用了铷磁铁磁力强的特点，通过磁铁具有相吸能力的原理挪动原本用于隔开正负极活性物质的隔离片，内短路模拟装置结构简单、制备方便、成本低廉，对电池自身结构和性能影响小，对应的模拟方法简便易行，操作可控，重复性好。
2、本发明在原软包电池的基础上，对某些位置的隔膜进行局部开孔，并使用隔离片覆盖开孔以暂时隔离开孔位置的正负极活性物质，隔离片内部是铷磁铁片而外部完全包裹有高分子绝缘膜，隔离片的厚度为隔膜厚度的0.5倍至1.5倍，故隔离片既具有很大的磁性又能暂时代替隔膜的正负极活性物质隔离功能，这使得内短路模拟装置结构简单紧凑、制备方便、成本低廉，与正常的软包电池产品无明显的结构和功能区别。
3、本发明进行内短路模拟实验时，先移动铷磁铁块，使与铷磁铁块相互吸引的隔离片也跟随移动并离开其初始位置，导致该隔离片不能覆盖其初始位置的隔膜开孔，这为隔膜开孔位置的正负极活性物质的直接接触创造了必要的前提条件；然后再对电池施加一定的向内的压力，这进一步保证了相关隔膜开孔位置的正负极活性物质的紧密接触，造成该位置的内短路，故内短路模拟方法触发方式简单可控，重复性好，这种通过联合使用磁力和压力触发内短路的方法，对电池自身结构和性能的干扰很小。此外，内短路模拟实验时，可根据需要对电池内部的若干隔离片分次分批移动，且每个批次的移动距离可以人为控制，进而实现电池内短路严重程度的调控。
附图说明
图1为本发明锂离子实施例中软包电池内短路模拟装置的结构示意图。图中11为第一铝塑膜，12为第二铝塑膜；21为第一隔膜，22为第二隔膜，23为第三隔膜，24为第四隔膜；31 为第一负极片，32为第二负极片；4为正极片；51为第一开孔，52为第二开孔，53为第三开孔；61为第一隔离片，62为第二隔离片，63为第三隔离片；7为铷磁铁块。
图2为本发明锂离子实施例中软包电池内短路模拟装置中第一铝塑膜11的俯视图，第一铝塑膜11外表面上设有标记框。图中11为第一铝塑膜，81为第一标记框，82为第二标记框， 83为第三标记框。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种锂离子软包电池内短路模拟装置,包括软包电池及其内部的若干隔离片 6，所述软包电池由浸润有电解液的极芯和位于极芯外部用于封装极芯的铝塑膜1构成，所述极芯由正极片4、负极片3和位于正极片与负极片之间的隔膜2构成，所述正极片4由正极集流体和涂覆于正极集流体表面的正极活性物质构成，所述负极片3由负极集流体和涂覆于负极集流体表面的负极活性物质构成，所述隔膜2的若干位置上设有开孔5且每处的开孔均被隔离片6完全覆盖，所述隔膜2上设置的开孔5的数目等于软包电池内部的隔离片数目，所述隔离片6由铷磁铁片7及完全包裹铷磁铁片的高分子绝缘膜构成，所述锂离子软包电池的内短路模拟装置还包括位于软包电池外部的铷磁铁块7。
上述锂离子软包电池内短路模拟装置,所述隔离片6的厚度为隔膜5厚度的0.5倍至1.5 倍。
基于上述锂离子软包电池内短路模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：
步骤S1、制备锂离子软包电池内短路模拟装置，并在软包电池的铝塑膜1外表面上，用记号笔标记所有隔离片6在铝塑膜1外表面所处平面上的投影位置，使所有隔离片在铝塑膜 1外表面上都存在与之相对应的标记位置8，如图2所示；
步骤S2、将电池充电至实验所需要的荷电状态，并将电池置于实验所需要的环境温度下搁置1小时以上；
步骤S3、基于步骤S1获得的标记，将铷磁铁块7紧贴于铝塑膜1外表面上的某个标记位置，使铷磁铁块和与该标记位置对应的隔离片相互吸引；
步骤S4、移动铷磁铁块7，使与铷磁铁块7相互吸引的隔离片也跟随移动并离开其初始位置，导致该隔离片不能覆盖其初始位置的隔膜开孔；
步骤S5、根据模拟实验需要重复步骤S3至步骤S4，直至电池内的所有需要移动的隔离片6均离开其原来的位置；
步骤S6、在电池铝塑膜1外表面的法向上对电池施加指向电池内部的压力。
上述锂离子软包电池内短路模拟方法，所述步骤S6中压力的大小在103N/m2至105N/m2之间。
优选地，步骤S1中制备锂离子软包电池内短路模拟装置时，先通过叠片或卷绕方式制备锂离子软包电池的极芯，极芯制备过程中一同完成隔膜5的开孔操作和隔离片6的放置；然后进行极芯的封装和电池的注液、密封和化成。
实施例
某软包电池，图1给出局部结构示意图，为了便于观察，图1中对构成该软包电池的各层结构的间隙进行了放大显示，实际上构成该软包电池的各层结构为互相紧贴的关系。图1 中的软包电池由浸润有电解液的极芯和位于极芯外部用于封装极芯的第一铝塑膜11和第二铝塑膜12构成，极芯由正极片、负极片和位于正极片与负极片之间的隔膜构成，正极片由正极集流体和涂覆于正极集流体表面的正极活性物质构成，所述负极片由负极集流体和涂覆于负极集流体表面的负极活性物质构成，为了使正负极活性物质附着于集流体上并保证其导电效果，正极活性物质以磷酸铁锂为主体并添加必要的粘结剂和导电剂组成，负极活性物质以石墨为主体并添加必要的粘结剂和导电剂组成。
本实施例中，软包电池的正极片数目为1，为正极片4。负极片的数目为2，从上到下分别为第一负极片31和第二负极片32。隔膜的数目为4，从上到下分别为第一隔膜21、第二隔膜22、第三隔膜23和第四隔膜24，其中第一负极片31和正极片4之间设有第二隔膜22，第二负极片32和正极片4之间设有第三隔膜23。隔膜上的开孔数目为3，分别为第一开孔 51，位于第二隔膜22上；第二开孔52，位于第三隔膜23上；第三开孔53，位于第三隔膜23 上。隔离片的数目为3，分别为第一隔离片61，用于覆盖第一开孔51；第二隔离片62，用于覆盖第二开孔52；第三隔离片63，用于覆盖第三开孔53。
所有隔膜的厚度均为20μm，所有隔膜开孔的尺寸均为1mm×1mm，所有隔离片的尺寸均为1.5mm×1.5mm×15μm，即隔离片可以完全覆盖隔膜开孔且其厚度略小于隔膜厚度。
本实施例中，所有隔离片的磁极性方向均相同，即N极向上、S极向下。
模拟实验开始前，制备锂离子软包电池内短路模拟装置，先通过叠片方式制备锂离子软包电池的极芯，极芯制备过程中一同完成隔膜的开孔操作和隔离片的放置；然后进行极芯的封装和电池的注液、密封和化成。
然后，如图2所示，在软包电池的第一铝塑膜11的外表面上，用记号笔标记所有隔离片在铝塑膜外表面所处平面上的投影位置，使所有隔离片在塑料膜外表面上都存在与之相对应的标记位置，其中，第一标记框81对应第一隔离片61的位置，第二标记框82对应第二隔离片 62的位置，第三标记框83对应第三隔离片63的位置。将电池充满电，并将电池置于25±1℃的环境温度下搁置2小时。
此后，将电池外部的铷磁铁块7紧贴于第一铝塑膜11外表面上的第一标记框81上，使铷磁铁块7和与该标记位置对应的第一隔离片61相互吸引，并移动铷磁铁块7，移动距离为 3mm，使与铷磁铁块7相互吸引的第一隔离片61也跟随移动并完全离开其初始位置，导致第一隔离片61完全不能覆盖其初始位置的隔膜上的第一开孔51；
接着，将电池外部的铷磁铁块7紧贴于第一铝塑膜11外表面上的第二标记框82上，使铷磁铁块7和与该标记位置对应的第二隔离片62相互吸引，并移动铷磁铁块7，移动距离为 3mm，使与铷磁铁块7相互吸引的第二隔离片62也跟随移动并完全离开其初始位置，导致第二隔离片62完全不能覆盖其初始位置的隔膜上的第二开孔52；
接着，将电池外部的铷磁铁块7紧贴于第一铝塑膜11外表面上的第三标记框83上，使铷磁铁块7和与该标记位置对应的第三隔离片63相互吸引，并移动铷磁铁块7，移动距离为 3mm，使与铷磁铁块7相互吸引的第三隔离片63也跟随移动并完全离开其初始位置，导致第三隔离片63完全不能覆盖其初始位置的隔膜上的第三开孔53。
最后，在电池第一铝塑膜11外表面的法向上对电池施加指向电池内部的压力，压力大小为2×103N/m2。
由此，实现了该锂离子软包电池内短路的实验模拟，实验过程中可根据需要对电池进行电压和温度分布等信息的数据采集。
需要指出的是，本实施例中所有隔离片的磁极性放置方向均相同，且在模拟实验过程中先移动所有隔离片再对电池加压。事实上，也可以根据实验模拟研究需要，让隔离片的磁极性放置方向有所不同，并在铷磁铁块移动过程中灵活翻转以调整铷磁铁块的磁极性方向，利用磁铁同性相吸异性相斥原理选择性地控制所需要吸引和移动的隔离片。此外，还可根据需要对电池内部的隔离片分次分批移动，且每个批次的移动距离可以人为控制，让某些隔离片移动后能部分覆盖其对应的隔膜开孔，而某些隔离片完全远离其对应的隔膜开孔的位置，同时根据需要调整电池铝塑膜外表面的压力大小，进而灵活实现电池内短路严重程度及其发展进程的调控。
本实施例提供的锂离子软包电池内短路模拟装置，充分利用了铷磁铁磁力强的特点，通过磁铁具有相吸能力的原理挪动原本用于隔开正负极活性物质的隔离片，内短路模拟装置结构简单、制备方便、成本低廉，对电池自身结构和性能影响小，对应的模拟方法简便易行，操作可控，重复性好；本实施例在原完好的软包电池的基础上，对某些位置的隔膜进行局部开孔，并使用隔离片覆盖开孔以暂时隔离开孔位置的正负极活性物质，隔离片内部是铷磁铁片而外部完全包裹有高分子绝缘膜，隔离片的厚度为隔膜厚度的0.5倍至1.5倍，故隔离片既具有很大的磁性又能暂时代替隔膜的正负极活性物质隔离功能，这使得内短路模拟装置结构简单紧凑、制备方便、成本低廉，与正常的软包电池产品无明显的结构和功能区别。本实施例进行内短路模拟实验时，先移动铷磁铁块，使与铷磁铁块相互吸引的隔离片也跟随移动并离开其初始位置，导致该隔离片不能覆盖其初始位置的隔膜开孔，这为隔膜开孔位置的正负极活性物质的直接接触创造了必要的前提条件；然后再对电池施加一定的向内的压力，这进一步保证了相关隔膜开孔位置的正负极活性物质的紧密接触，造成该位置的内短路，故内短路模拟方法触发方式简单可控，重复性好，这种通过联合使用磁力和压力触发内短路的方法，对电池自身结构和性能的干扰很小。此外，内短路模拟实验时，可根据需要对电池内部的若干隔离片分次分批移动，且每个批次的移动距离可以人为控制，进而灵活实现电池内短路严重程度及其发展进程的调控。
Claims (4)
1.一种锂离子软包电池内短路模拟装置,其特征在于，包括软包电池及其内部的若干隔离片，所述软包电池由浸润有电解液的极芯和位于极芯外部用于封装极芯的铝塑膜构成，所述极芯由正极片、负极片和位于正极片与负极片之间的隔膜构成，所述正极片由正极集流体和涂覆于正极集流体表面的正极活性物质构成，所述负极片由负极集流体和涂覆于负极集流体表面的负极活性物质构成，所述隔膜的若干位置上设有开孔且每处的开孔均被隔离片完全覆盖，所述隔膜上设置的开孔的数目等于软包电池内部的隔离片数目，所述隔离片由铷磁铁片及完全包裹铷磁铁片的高分子绝缘膜构成，所述锂离子软包电池的内短路模拟装置还包括位于软包电池外部的铷磁铁块。
2.权利要求1所述的锂离子软包电池内短路模拟装置,其特征在于，所述隔离片的厚度为隔膜厚度的0.5倍至1.5倍。
3.基于权利要求1至2任意一项所述锂离子软包电池内短路模拟装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、制备锂离子软包电池内短路模拟装置，并在软包电池的铝塑膜外表面上，用记号笔标记所有隔离片在铝塑膜外表面所处平面上的投影位置，使所有隔离片在塑料膜外表面上都存在与之相对应的标记位置；
步骤S2、将电池充电至实验所需要的荷电状态，并将电池置于实验所需要的环境温度下搁置1小时以上；
步骤S3、基于步骤S1获得的标记，将铷磁铁块紧贴于铝塑膜外表面上的某个标记位置，使铷磁铁块和与该标记位置对应的隔离片相互吸引；
步骤S4、移动铷磁铁块，使与铷磁铁块相互吸引的隔离片也跟随移动并离开其初始位置，导致该隔离片不能覆盖其初始位置的隔膜开孔；
步骤S5、根据模拟实验需要重复步骤S3至步骤S4，直至电池内的所有需要移动的隔离片均离开其原来的位置；
步骤S6、在电池铝塑膜外表面的法向上对电池施加指向电池内部的压力。
4.权利要求3所述锂离子软包电池内短路模拟方法，其特征在于，所述步骤S6中压力的大小在103N/m2至105N/m2之间。
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| Title |
|---|
| 吴祎;王友仁;: "锂离子电池内短路研究综述", 机械制造与自动化, no. 04, 13 August 2020 (2020-08-13) * |
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