ES3032346T3 - Method and apparatus for testing secondary battery internal short and secondary battery used therefor - Google Patents

Method and apparatus for testing secondary battery internal short and secondary battery used therefor

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ES3032346T3 ES19830034T ES19830034T ES3032346T3 ES 3032346 T3 ES3032346 T3 ES 3032346T3 ES 19830034 T ES19830034 T ES 19830034T ES 19830034 T ES19830034 T ES 19830034T ES 3032346 T3 ES3032346 T3 ES 3032346T3
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Abstract

Se proporciona un método y un aparato para probar cortocircuitos internos mediante la simulación de una condición ambiental donde se utiliza una batería secundaria, y una batería secundaria utilizada para el método de prueba de cortocircuito interno. Un método para probar cortocircuitos internos de baterías secundarias, según la presente invención, comprende los pasos de: montar un diodo de unión PN dentro de una batería secundaria; cargar la batería secundaria; y evaluar el estado de la batería secundaria, suponiendo que se ha producido un cortocircuito interno, cuando el diodo de unión PN está activado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método y aparato para probar un cortocircuito interno en una batería secundaria y batería secundaria usada para elloSector de la técnica
La presente descripción se refiere a un método y a un aparato para evaluar la seguridad de una batería secundaria y, más en particular, a un método y a un aparato para probar un cortocircuito interno de una batería secundaria. La presente solicitud reivindica prioridad con respecto a la Solicitud de Patente Coreana n.° 10-2018-0077791 presentada el 4 de julio de 2018 en la República de Corea.
Antecedentes de la invención
A medida que el desarrollo de la tecnología y la demanda de dispositivos móviles, vehículos eléctricos, dispositivos de almacenamiento de energía y dispositivos de suministro de energía ininterrumpible aumentan, también aumenta rápidamente la demanda de baterías secundarias como fuentes de energía para satisfacer las demandas de alta potencia y alta capacidad. Por consiguiente, se está estudiando una batería secundaria capaz de lidiar con las diversas demandas. Entre los sujetos de investigación principales sobre las baterías secundarias, es más importante mejorar el rendimiento de la batería secundaria mejorando la densidad energética y mejorar la seguridad de la batería secundaria.
La batería secundaria incluye un separador entre una placa de electrodo positivo y una placa de electrodo negativo. El separador se contrae fácilmente. Por este motivo, si la batería secundaria se mantiene en un entorno de temperatura extremadamente alta durante un largo tiempo, puede ocurrir un cortocircuito interno debido al contacto físico entre la placa de electrodo positivo y la placa de electrodo negativo. Además, el separador se destruye por el polvo conductor que se adhiere a la superficie de la placa de electrodo positivo o la placa de electrodo negativo o por el metal de litio extraído de la placa de electrodo negativo, que puede conectarse eléctricamente a la placa de electrodo positivo y a la placa de electrodo negativo y, por consiguiente, provocar un cortocircuito interno. Asimismo, puede ocurrir un cortocircuito interno debido a un impacto del exterior de la batería secundaria.
Una vez que ocurre un cortocircuito interno, la porción de cortocircuito puede ampliarse aún más debido al calor Joule acompañado de la corriente de cortocircuito para generar un calentamiento anormal, que puede destruir la batería. Si ocurre un cortocircuito interno como se describió anteriormente, la alta energía eléctrica almacenada en cada placa de electrodo se conduce instantáneamente, lo cual puede tener un riesgo de explosión muy alto, a diferencia de otros accidentes de seguridad como, por ejemplo, una sobrecarga o sobredescarga.
Debido a esto, el cortocircuito interno necesita gestionarse con cuidado. Es importante evitar que el cortocircuito interno ocurra en la batería secundaria e, incluso cuando ocurre el cortocircuito interno en la batería secundaria, también es importante suprimir la destrucción como se describió más arriba y garantizar la seguridad. Además, si el rendimiento de la batería secundaria aumenta, la cantidad de energía intrínseca también aumenta, y el riesgo de accidente aumenta en la misma medida. Para este propósito, se requiere además desarrollar una técnica para aumentar la seguridad de la batería secundaria cuando ocurre un cortocircuito interno.
Mientras tanto, con el fin de garantizar la seguridad de la batería incluso cuando ocurre un cortocircuito interno en la batería secundaria, es muy importante evaluar correctamente si la seguridad se garantiza frente al cortocircuito interno durante la etapa de diseño de la batería o después de la fabricación de la batería. Los elementos de evaluación de seguridad de la batería secundaria relacionados con el cortocircuito interno en la actualidad incluyen una prueba de compresión que simula un caso donde ocurre un cortocircuito interno en la batería debido a presión externa, una prueba de colisión que simula un caso donde ocurre un incendio o una explosión en la batería debido a un cortocircuito interno cuando la batería se ve impactada por una varilla, una prueba de penetración que simula un caso donde ocurre un cortocircuito interno dado que la batería es penetrada por un clavo cuando se empaqueta y transporta, similar a la prueba de colisión, una prueba de exposición térmica (calentamiento) que evalúa la capacidad de la batería de soportar una atmósfera de temperatura a la que se expone la batería cuando la temperatura ambiente aumenta de forma anormal, etc.
Sin embargo, estas pruebas están sujetas a la aplicación de una fuerte fuerza física a la batería secundaria desde el exterior, que simulan situaciones anormales. Además, dado que la energía se aplica desde el exterior, existe un límite en la simulación de la situación de entorno de uso donde realmente se usa la batería secundaria.
Técnica anterior relevante incluye los documentos US 2006/038534 A1, US 5460902 A y US 6927615 B1.
Explicación de la invención
Problema técnico
La presente descripción está diseñada a resolver los problemas de la técnica relacionada y, por lo tanto, la presente descripción está dirigida a proveer un método y un aparato para probar un cortocircuito interno de una batería secundaria simulando la situación de entorno de uso donde se usa en realidad la batería secundaria.
La presente descripción también está dirigida a proveer una batería secundaria para una prueba de cortocircuito interno, que puede usarse para el método de prueba de cortocircuito interno de más arriba.
Estos y otros objetos y ventajas de la presente descripción pueden comprenderse a partir de la siguiente descripción detallada y serán aparentes de forma más completa a partir de las realizaciones a modo de ejemplo de la presente descripción.
Solución técnica
En un aspecto de la presente descripción, se provee un método para probar un cortocircuito interno de una batería secundaria, que comprende: montar un diodo de unión P-N en la batería secundaria; cargar la batería secundaria; y evaluar el estado de la batería secundaria comprobando si ocurre un cortocircuito interno en la batería secundaria cuando se enciende el diodo de unión P-N.
El diodo de unión P-N se monta de modo tal que una superficie del diodo de unión P-N está en contacto con una placa de electrodo positivo de la batería secundaria y una superficie opuesta del diodo de unión P-N está en contacto con una placa de electrodo negativo de la batería secundaria.
En este momento, el diodo de unión P-N se monta entre la placa de electrodo positivo y la placa de electrodo negativo de la batería secundaria a través de un separador de la batería secundaria.
La batería secundaria puede cargarse hasta una tensión de carga completa usando el diodo de unión P-N que tiene una tensión umbral (Vth) que corresponde a la tensión de carga completa de la batería secundaria.
A modo de otro ejemplo, la batería secundaria puede cargarse hasta una tensión objetivo experimental en un rango entre una tensión de descarga completa y una tensión de carga completa de la batería secundaria usando el diodo de unión P-N que tiene una tensión umbral (Vth) que corresponde a la tensión objetivo experimental.
Además, la tensión y temperatura de la batería secundaria pueden medirse mientras la carga continúa. La tensión de la batería secundaria se mide para comprobar si alcanza o no la tensión de carga y descarga y para comprobar un estado de funcionamiento electroquímico. La temperatura de la batería secundaria se mide para comprobar un estado de funcionamiento físico.
La etapa de montaje del diodo de unión P-N dentro de la batería secundaria implica desmontar la batería secundaria ensamblada, montar el diodo de unión P-N a la misma y luego reensamblar la batería secundaria, o ensamblar la batería secundaria para incluir el diodo de unión P-N en su interior desde el inicio.
Con el fin de llevar a cabo el método para probar un cortocircuito interno de una batería secundaria según la presente descripción, la batería secundaria para una prueba de cortocircuito interno puede usarse de la siguiente manera. La batería secundaria para una prueba de cortocircuito interno comprende una placa de electrodo positivo; una placa de electrodo negativo; un separador interpuesto entre la placa de electrodo positivo y la placa de electrodo negativo; un diodo de unión P-N montado entre la placa de electrodo positivo y la placa de electrodo negativo a través del separador; y conductores de electrodos conectados a la placa de electrodo positivo y a la placa de electrodo negativo.
En la batería secundaria para una prueba de cortocircuito interno, el diodo de unión P-N puede montarse de modo tal que una superficie del diodo de unión P-N está en contacto con la placa de electrodo positivo de la batería secundaria y una superficie opuesta del diodo de unión P-N está en contacto con la placa de electrodo negativo de la batería secundaria.
Preferiblemente, una región de semiconductor tipo P del diodo de unión P-N está en contacto con la placa de electrodo positivo, y una región de semiconductor tipo N está en contacto con la placa de electrodo negativo. Un elemento adicional puede incluirse además entre la región de semiconductor tipo P y la placa de electrodo positivo y entre la región de semiconductor tipo N y la placa de electrodo negativo para conectarlas eléctricamente mientras se reduce la resistencia del contacto eléctrico entre las mismas. Preferiblemente, la batería secundaria para una prueba de cortocircuito interno puede además comprender una capa de contacto interpuesta entre el diodo de unión P-N y la placa de electrodo positivo y entre el diodo de unión P-N y la placa de electrodo negativo.
Asimismo, el diodo de unión P-N puede tener una tensión umbral (Vth) correspondiente a una tensión de carga completa de la batería secundaria que incluye la placa de electrodo positivo, la placa de electrodo negativo y el separador.
A modo de otro ejemplo, el diodo de unión P-N puede tener una tensión umbral (Vth) correspondiente a una tensión objetivo experimental seleccionada en un rango entre una tensión de descarga completa y una tensión de carga completa de la batería secundaria que incluye la placa de electrodo positivo, la placa de electrodo negativo y el separador.
En otro aspecto de la presente descripción, también se provee un aparato para probar un cortocircuito interno de una batería secundaria, que comprende: una cámara a prueba de explosiones en la cual se coloca la batería secundaria para una prueba de cortocircuito interno como se describió más arriba; un suministro de energía conectado a un electrodo de la batería secundaria para una prueba de cortocircuito interno para aplicar una corriente de carga al electrodo; y un instrumento de medición conectado al electrodo de la batería secundaria para una prueba de cortocircuito interno para medir una tensión y configurado para medir la temperatura de la batería secundaria para una prueba de cortocircuito interno.
Efectos ventajosos
El método de prueba de cortocircuito interno según la presente descripción no simula situaciones anormales, diferentes de la prueba de compresión, la prueba de colisión, la prueba de penetración y la prueba de exposición térmica (calentamiento) de la técnica anterior, y tampoco simula una situación donde una energía se aplica desde el exterior distinta de la corriente de carga. Por consiguiente, según la presente descripción, es posible provocar un cortocircuito interno en condiciones similares a los entornos de uso donde se usa en realidad la batería secundaria y, por tanto, evaluar la seguridad de la batería secundaria en ese momento.
El método de prueba de cortocircuito interno según la presente descripción puede usarse durante el estado de diseño de la batería o después de la etapa de verificación después del ensamblado. Dado que el estado de la batería secundaria se evalúa en un estado donde la situación de cortocircuito interno de la batería secundaria se simula con precisión, es posible llevar a cabo una evaluación de seguridad práctica del diseño de la batería y también verificar y modificar nuevos criterios de diseño.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos anexos ilustran una realización preferida de la presente descripción y, junto con la descripción anterior, sirven para proveer una mayor comprensión de las características técnicas de la presente descripción y, por consiguiente, la presente descripción no se interpreta como limitada a los dibujos.
La FIG. 1 es un diagrama de flujo para ilustrar un método para probar un cortocircuito interno de una batería secundaria según una realización de la presente descripción.
La FIG. 2 muestra, de forma esquemática, un estado donde un diodo de unión P-N se monta en la batería secundaria.
La FIG. 3 es un gráfico I-V que muestra una tensión umbral (Vth) del diodo de unión P-N.
La FIG. 4 es un diagrama de flujo para ilustrar un método para fabricar una batería secundaria para una prueba de cortocircuito interno, que puede usarse para llevar a cabo el método de la FIG. 1.
La FIG 5 es un diagrama para ilustrar cada etapa del proceso del diagrama de flujo de la FIG. 4.
La FIG. 6 es un diagrama que muestra el cambio de una situación interna de la batería secundaria a medida que se carga la batería secundaria para una prueba de cortocircuito interno.
La FIG. 7 es un diagrama que muestra un aparato para probar un cortocircuito interno de una batería secundaria según una realización de la presente descripción.
Explicación de la invención
De aquí en adelante, la presente descripción se describirá en detalle con referencia a los dibujos anexos.
La FIG 1 es un diagrama de flujo para ilustrar un método para probar un cortocircuito interno de una batería secundaria según una realización de la presente descripción.
Con referencia a la FIG 1, un diodo de unión P-N se monta en una batería secundaria (Etapa e1).
El estado en el que el diodo de unión P-N se monta en la batería secundaria puede encontrarse en la FIG. 2. Con referencia a la FIG 2, dentro de la batería secundaria que incluye un separador 30 entre una placa 10 de electrodo positivo y una placa 20 de electrodo negativo, un diodo 5 de unión P-N se monta entre la placa 10 de electrodo positivo y la placa 20 de electrodo negativo. La placa 10 de electrodo positivo se prepara formando una capa 14 de material activo de electrodo positivo en un colector 12 de corriente de electrodo positivo. La placa 20 de electrodo negativo se prepara formando una capa 24 de material activo de electrodo negativo en un colector 22 de corriente de electrodo negativo. El diodo 5 de unión P-N se monta preferiblemente de modo tal que su superficie contacta con la placa 10 de electrodo positivo y la otra superficie contacta con la placa 20 de electrodo negativo. En este momento, el diodo 5 de unión P-N se monta preferiblemente entre la placa 10 de electrodo positivo y la placa 20 de electrodo negativo a través del separador 30.
En general, el diodo de unión P-N se prepara básicamente uniendo un semiconductor tipo P y un semiconductor tipo N y tiene una unión P-N como una forma de un elemento de semiconductor más básico. Se conoce que el diodo de unión P-N forma una trayectoria de corriente unidireccional solo por encima de una tensión umbral (Vth). Como ejemplos representativos del diodo de unión P-N, se conocen los diodos de germanio, diodos de selenio, diodos de silicio y diodos de arseniuro de galio.
La FIG. 3 es un gráfico I-V que muestra la tensión umbral (Vth) del diodo de unión P-N, que representa una tensión umbral de un diodo de silicio comercial común como un ejemplo.
Con referencia a la FIG. 3, si una polarización directa (V+) se aplica al diodo de silicio comercial, fluye una corriente. En particular, si la tensión alcanza aproximadamente 0,7 V que es la tensión umbral (Vth), una corriente directa aumenta rápidamente. En la polarización inversa (V-), solo hay una pequeña corriente de fuga (hasta que ocurre la ruptura) y no fluye ninguna corriente. En otras palabras, la corriente fluye bien a la tensión directa por encima de la tensión umbral (Vth), y si se aplica la tensión inversa, solo fluye una corriente de fuga muy pequeña, y si la tensión alcanza la tensión de ruptura, la corriente inversa fluye. Otros tipos de diodos de unión P-N exhiben un comportamiento I-V similar al diodo de silicio comercial, aunque sus tensiones umbrales son diferentes.
En general, el diodo de unión P-N controla la región de agotamiento en la unión de la región de semiconductor tipo P y la región de semiconductor tipo N ajustando la concentración de dopaje de las regiones de semiconductores tipo P y tipo N formadas en el sustrato, estableciendo de este modo la tensión umbral (Vth) en un nivel deseado. Si la concentración de dopaje aumenta, la tensión umbral tiende a aumentar. La tensión umbral también cambia dependiendo de las propiedades materiales del propio sustrato. Por ejemplo, un diodo de arseniuro de galio tiene una tensión umbral más alta que el diodo de silicio.
La batería secundaria tiene un límite superior que le permite cargarse físicamente y un límite inferior que le permite descargarse físicamente. Sin embargo, en el entorno de uso real, la batería secundaria no se carga y descarga hasta los límites físicos superior e inferior. En su lugar, un rango de uso se establece de manera apropiada dentro de los límites superior e inferior de la batería secundaria según la seguridad, vida útil y eficiencia energética de la batería secundaria, y la batería secundaria se carga y descarga solo dentro del rango de uso. Es decir, el límite inferior del rango de uso se establece más alto que un punto límite de descarga físico, y el límite superior del rango de uso se establece más bajo que un punto límite de carga físico. El rango de uso puede establecerse de forma variada según las características de la batería secundaria, los entornos de uso, la capacidad de carga/descarga requerida, la salida de energía, y similares. Si el estado de la batería secundaria alcanza el límite inferior del rango de uso establecido mientras la batería secundaria se está cargando, ello significa que la batería secundaria está completamente descargada o totalmente descargada. Además, si el estado de la batería secundaria alcanza el límite superior del rango de uso establecido mientras la batería secundaria se está cargando, ello significa que la batería secundaria está completamente cargada o totalmente cargada. La tensión de carga completa se refiere a la tensión de la batería cuando el estado de la batería secundaria alcanza el límite superior del rango de uso establecido en el proceso de carga de la batería secundaria. Dependiendo de las especificaciones de la batería secundaria, la tensión de descarga completa y la tensión de carga completa pueden variar y, por ejemplo, la tensión de carga completa puede ser de 4,2 V.
En una realización preferida, la tensión umbral (Vth) del diodo de unión P-N puede tener un valor correspondiente a la tensión de carga completa de la batería secundaria que se probará.
La batería secundaria que se probará puede estar en un estado de descarga completa dado que se ensambla de manera reciente, o puede estar parcialmente descargada dado que se está probando o usando. Por consiguiente, la batería secundaria al inicio de la carga (para la prueba de cortocircuito interno) puede o puede no tener una tensión de descarga completa. La batería recientemente ensamblada tiene una tensión de 0 V, pero la tensión de descarga completa puede no ser de 0 V sino ser cualquier valor entre 0 V y la tensión de descarga completa, por ejemplo, 2,1 V, dependiendo del rango de uso establecido. En cualquier caso, la tensión umbral (Vth) del diodo de unión P-N puede tener un valor correspondiente a la tensión de carga completa de la batería secundaria que se probará.
A modo de otro ejemplo, la tensión umbral (Vth) del diodo de unión P-N puede tener un valor correspondiente a una tensión objetivo experimental seleccionada dentro del rango entre la tensión de descarga completa y la tensión de carga completa de la batería secundaria que se probará. Por ejemplo, además de probar un cortocircuito interno a una tensión de carga completa, también puede ser necesario probar un cortocircuito interno dentro del rango de uso de la batería secundaria. Por ejemplo, aunque la tensión de carga completa sea de 4,2 V, también puede ser necesario probar un cortocircuito interno a 3,4 V, que es una tensión de batería dentro del rango de uso. En este caso, el diodo de unión P-N puede tener la tensión umbral (Vth) de 3,4 V. Dado que la tensión de batería en el extremo inferior del rango de uso es la tensión de descarga completa y la tensión de batería en el extremo superior del rango de uso es la tensión de carga completa, si un cortocircuito interno se prueba dentro del rango de uso, una tensión objetivo experimental se selecciona dentro del rango entre la tensión de descarga completa y la tensión de carga completa de la batería secundaria que se probará, y la tensión umbral (Vth) del diodo de unión P-N tiene un valor correspondiente a la misma.
El diodo de unión P-N que tiene una tensión umbral (Vth) deseada puede prepararse controlando el material del sustrato, el tipo de impureza, la concentración de dopaje, o similares. El diodo 5 de unión P-N es como se describe más arriba y se monta dentro de la batería secundaria como se muestra en la FIG 2. En este estado, se ejecuta la Etapa e1.
Preferiblemente, la región de semiconductor tipo P del diodo 5 de unión P-N está en contacto con la placa 10 de electrodo positivo, y la región de semiconductor tipo N está en contacto con la placa 20 de electrodo negativo. Un elemento adicional puede incluirse además entre la región de semiconductor tipo P y la placa 10 de electrodo positivo y entre la región de semiconductor tipo N y la placa 20 de electrodo negativo para conectarlas eléctricamente entre sí mientras se reduce la resistencia del contacto eléctrico. Por ejemplo, una capa de contacto óhmico para la conexión eléctrica puede incluirse además como un elemento que no afecta el rendimiento de la batería de la batería secundaria. Preferiblemente, la capa de contacto óhmico puede incluir al menos uno de Ni, Pt, Pd, Rh, W, Ti, Al, Ag y Au.
En la Etapa e1, la batería secundaria ensamblada puede desmontarse y luego reensamblarse después de que el diodo 5 de unión P-N se monte a la misma. De manera alternativa, la batería secundaria puede ensamblarse de modo tal que el diodo 5 de unión P-N se incluye en la misma desde el inicio. La batería secundaria que incluye el diodo 5 de unión P-N en la misma es una batería secundaria para una prueba de cortocircuito interno según la presente descripción, y la batería secundaria se describirá en mayor detalle después de describir el método de prueba de cortocircuito interno.
Si la batería secundaria se prepara llevando a cabo la Etapa e1, se inicia para cargar la batería secundaria (Etapa e2). En la FIG 1 y en la siguiente descripción sobre el método, se explicará principalmente en base al caso donde la tensión umbral (Vth) del diodo de unión P-N tiene un valor correspondiente a la tensión de carga completa de la batería secundaria. Sin embargo, el método de más arriba se aplica de forma idéntica al caso donde la tensión umbral (Vth) del diodo de unión P-N tiene un valor correspondiente a la tensión objetivo experimental dentro del rango de uso de la batería secundaria.
La batería secundaria se carga conectando un suministro de energía de carga a la batería secundaria y procediendo según un protocolo de carga establecido, por ejemplo, como carga CC-CV. Si la batería secundaria está cargada, aumenta la tensión.
Después de eso, la carga continúa hasta que la tensión de la batería secundaria alcanza la tensión de carga completa (Etapa e3). Si la tensión umbral (Vth) del diodo de unión P-N tiene un valor correspondiente a la tensión objetivo experimental, la carga puede continuar hasta alcanzar la tensión objetivo experimental.
Mientras la carga continúa, la tensión y temperatura de la batería secundaria pueden medirse. La tensión de la batería secundaria se mide para comprobar si se alcanza la tensión de carga y descarga y para comprobar un estado de funcionamiento electroquímico. La medición puede llevarse a cabo usando un medidor de corrientetensión. La temperatura de la batería secundaria se mide para comprobar un estado de funcionamiento físico. La medición puede llevarse a cabo usando un termopar o similar.
Si el diodo 5 de unión de P-N se enciende como resultado de la carga continuada, se considera que un cortocircuito interno ocurre en la batería secundaria, y se evalúa el estado de la batería secundaria (Etapa e4).
Si la tensión de la batería secundaria es igual a la tensión umbral (Vth) del diodo de unión P-N a medida que se carga la batería secundaria, como se muestra en la FIG. 3, una gran corriente directa fluye de manera instantánea a través del diodo 5 de unión P-N. A medida que el diodo 5 de unión P-N se enciende de modo tal que fluye una gran corriente, la placa 10 de electrodo positivo y la placa 20 de electrodo negativo se conectan eléctricamente, lo cual es idéntico a la situación de cortocircuito interno.
Según la presente descripción, la situación de cortocircuito interno puede simularse solo mediante la carga como un estado de uso de batería real, sin aplicar una energía como, por ejemplo, choque o calor del exterior. En otras palabras, sin aplicar una fuerte fuerza física o aplicando una energía diferente de la corriente de carga a la batería secundaria del exterior, la situación de cortocircuito interno puede generarse naturalmente según la carga. Como se describió anteriormente, según la presente descripción, puede generarse un cortocircuito interno simulando una situación de entorno de uso de batería real, sin simular una situación anormal como, por ejemplo, un choque físico del exterior.
La FIG. 4 es un diagrama de flujo para ilustrar un método para fabricar una batería secundaria para una prueba de cortocircuito interno, que puede usarse para llevar a cabo el método de la FIG. 1. La FIG. 5 es un diagrama para ilustrar cada etapa del proceso del diagrama de flujo de la FIG. 4.
La batería secundaria para una prueba de cortocircuito interno y un método de fabricación de la misma se describirán en detalle con referencia a las FIGS. 4 y 5.
En primer lugar, se prepara el diodo 5 de unión P-N (Etapa e10 de la FIG. 4).
El diodo 5 de unión P-N puede comprenderse a partir de la descripción de la realización anterior.
A continuación, se fabrica la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno, a la cual se monta el diodo 5 de unión P-N, (Etapa e20 de la FIG 4). Esta etapa puede incluir etapas detalladas como se describe a continuación.
La batería secundaria se basa originalmente en un conjunto de electrodos fabricado mediante la disposición de un separador entre una placa de electrodo positivo y una placa de electrodo negativo. Por consiguiente, se requieren una etapa de preparación de placa de electrodo positivo (Etapa e21 de la FIG. 4), una etapa de preparación de placa de electrodo negativo (Etapa e22 de la FIG. 4), y una etapa de preparación de separador (Etapa e23 de la FIG. 4). Con referencia también a la porción (a) de la FIG. 5, en primer lugar, en la etapa de preparación de placa de electrodo positivo (Etapa e21), la placa 10 de electrodo positivo puede prepararse recubriendo una capa 14 de material activo de electrodo positivo que incluye NCM, que es un óxido metálico de litio que contiene Ni, Co y Mn, como un material activo de electrodo positivo en un colector 12 de corriente de electrodo positivo como, por ejemplo, aluminio, y luego secando y laminando de la misma.
A continuación, en la etapa de preparación de placa de electrodo negativo (Etapa e22), la placa 20 de electrodo negativo puede prepararse recubriendo una capa 24 de material activo de electrodo negativo que contiene grafito como un material activo de electrodo negativo en un colector 22 de corriente de electrodo negativo como, por ejemplo, cobre, y luego secando y laminando la misma.
El colector 12 de corriente de electrodo positivo y el colector 22 de corriente de electrodo negativo tienen una porción no recubierta, que no está recubierta con una capa de material activo, y una lengüeta de electrodos (no se muestra) se forma en la porción no recubierta. Las lengüetas de electrodos pueden sobresalir en ambas direcciones para mirarse entre sí, o pueden sobresalir en una dirección una al lado de la otra.
El separador 30 es una película aislante porosa para aislar eléctricamente las placas 10, 20 de electrodos mientras permiten la transferencia de iones de litio. En la etapa de preparación de separador (Etapa e23), el separador 30 puede emplear una hoja o tela no tejida hecha de, por ejemplo, un polímero basado en olefina como, por ejemplo, polipropileno, fibra de vidrio o polietileno, que tiene propiedades de resistencia química e hidrofóbicas, pero no se limita a ello. Preferiblemente, la superficie del separador 30 puede recubrirse con partículas inorgánicas.
En este momento, un orificio 32 se crea de manera artificial, en particular, en el separador 30. El orificio 32 se provee para montar el diodo 5 de unión P-N y se prepara teniendo en cuenta el tamaño y la posición de montaje del diodo 5 de unión P-N. Una máquina perforadora puede usarse para formar el orificio 32.
A continuación, después de que el diodo 5 de unión P-N se monta dentro del orificio 32 como se muestra en la porción (b) de la FIG. 5, las placas 10, 20 de electrodos se disponen para colocarse en las porciones superior e inferior del separador 30 (Etapa e24 de la FIG. 4), de modo tal que ambas superficies laterales del diodo 5 de unión P-N están en contacto con las placas 10, 20 de electrodos, respectivamente. También es importante sellar el orificio 32 y el diodo 5 de unión P-N de la periferia, de modo que las placas 10, 20 de electrodos no contacten directamente entre sí a través del orificio 32 más adelante.
Después de eso, según el diseño deseado, el conjunto 40 de electrodos se fabrica de manera adecuada como, por ejemplo, una forma apilada, una forma plegada, una forma apilada-plegada, una forma de lámina enrollada, o similares (es preciso ver la Etapa e25 de la FIG. 4 y la porción (c) de la FIG. 5). Después de eso, un conductor 56 de electrodos al que se fija una cinta 54 de sellado se conecta a cada lengüeta 52 de electrodos, y luego el conjunto 40 de electrodos se aloja en una caja 50 de batería apropiada. Después de que un electrolito se inyecte en la caja 50 de batería, la caja 50 de batería se sella, fabricando completamente de este modo la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno (es preciso ver la Etapa e26 de la FIG. 4 y la porción (d) de la FIG. 5).
El conjunto 40 de electrodos incluye múltiples unidades de celda. La unidad de celda tiene una estructura en la cual se apilan una placa de electrodo positivo, un separador y una placa de electrodo negativo. Preferiblemente, al menos una de las múltiples unidades de celda tiene la estructura descrita más arriba (a saber, la porción (b) de la FIG. 5). Si el conjunto 40 de electrodos se fabrica en forma de lámina enrollada, la unidad de celda equipada con el elemento de semiconductor de unión P-N se pliega continuamente en una dirección para tener una estructura de lámina enrollada conocida en la técnica. El método de fabricación del conjunto 40 de electrodos en varios tipos es ampliamente conocido en la técnica y, por consiguiente, no se describirá en detalle aquí.
Aunque los dibujos ilustran un ejemplo donde la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno se fabrica en forma de bolsa que usa una caja de batería hecha de una hoja laminada de aluminio y que se fusiona térmicamente con el borde la caja de batería, la presente descripción no se limita a ello.
Mientras tanto, la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno puede incluir un medio de bloqueo de corriente (por ejemplo, un fusible o una estructura de ventilación de gas conectada entre la lengüeta de electrodos y el conductor de electrodos) para suprimir la destrucción de la batería incluso si ocurre un cortocircuito interno, con antelación. Además, el método de prueba de cortocircuito interno según la presente descripción puede usarse para probar si el medio de bloqueo de corriente es adecuado.
Por otro lado, la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno puede fabricarse llevando a cabo las etapas excepto por las etapas relacionadas con el diodo 5 de unión P-N en las Etapas e21 a e26 de más arriba para ensamblar completamente la batería secundaria de manera usual, luego desmontando la batería secundaria para formar el orificio 32 en el separador 30 de modo tal que el diodo 5 de unión P-N se monta en la misma, y luego reensamblando la batería secundaria. En otras palabras, el diodo 5 de unión P-N puede montarse a la batería secundaria completada más adelante o después del ensamblado o puede incluirse desde el inicio cuando se ensambla la batería secundaria.
De cualquier manera, la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno fabricada como se describe más arriba incluye la placa 10 de electrodo positivo, la placa 20 de electrodo negativo, el separador 30 interpuesto entre la placa 10 de electrodo positivo y la placa 20 de electrodo negativo, el diodo 5 de unión P-N montado entre la placa 10 de electrodo positivo y la placa 20 de electrodo negativo a través del separador 30, y los conductores 56 de electrodos conectados a la placa 10 de electrodo positivo y a la placa 20 de electrodo negativo. En otras palabras, el separador 30 se provee entre la placa 10 de electrodo positivo y la placa 20 de electrodo negativo para aislar eléctricamente las placas 10, 20 de electrodos entre sí y mantener el electrolito en las mismas, y el diodo 5 de unión P-N se monta entre la placa 10 de electrodo positivo y la placa 20 de electrodo negativo. Además, los conductores 56 de electrodos se conectan a la placa 10 de electrodo positivo y a la placa 20 de electrodo negativo de la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno a través de las lengüetas 52 de electrodos, y los conductores 56 de electrodos se extraen de la caja 50 de batería.
Como se describió anteriormente, la tensión umbral (Vth) del diodo 5 de unión P-N puede ser, por ejemplo, un valor correspondiente a la tensión de carga completa, por ejemplo, en una batería secundaria que se evaluará provocando una situación de cortocircuito interno. Además, la tensión umbral (Vth) del diodo 5 de unión P-N puede ser, por ejemplo, un valor correspondiente a una tensión experimental objetivo seleccionada dentro del rango de uso de la batería secundaria que se evaluará provocando una situación de cortocircuito interno. Si la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno se fabrica para que incluya el diodo 5 de unión P-N que tiene la tensión umbral (Vth) de un nivel deseado, es posible simular la ocurrencia de un cortocircuito interno en el instante en el que el diodo 5 de unión P-N se enciende cuando la tensión de la batería aumenta por la carga de la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno.
El método para probar un cortocircuito interno de una batería secundaria según la presente descripción incluye una etapa de carga de la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno preparada como se describió más arriba. Si la tensión de la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno corresponde la tensión umbral (Vth) del diodo 5 de unión P-N debido a la carga, se considera que ocurre un cortocircuito interno y, por consiguiente, el estado de la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno puede evaluarse.
La FIG. 6 es un diagrama que muestra una situación interna de la batería secundaria a medida que se carga la batería secundaria para una prueba de cortocircuito interno.
Por ejemplo, si la batería secundaria tiene una tensión de carga completa de 4,2 V, para una prueba de cortocircuito interno a la tensión de carga completa, la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno se prepara de modo tal que la tensión umbral (Vth) del diodo 5 de unión P-N es de 4,2 V.
La porción (a) de la FIG 6 muestra un estado de carga inicial de la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno. Por ejemplo, si la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno se carga parcialmente de modo tal que su tensión aumenta hasta 3,0 V, la tensión es menor que 4,2 V, que es la tensión umbral (Vth) del diodo 5 de unión P-N. Por consiguiente, el diodo 5 de unión P-N no se enciende y la corriente no fluye a través del diodo 5 de unión P-N.
La porción (b) de la FIG 6 muestra un caso donde la carga se continúa de modo tal que la tensión de la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno alcanza 4,2 V, que es la tensión de carga completa. En este momento, dado que el diodo 5 de unión P-N se enciende al alcanzar 4,2 V que es la tensión umbral (Vth) del diodo 5 de unión P-N, se forma una trayectoria de corriente unidireccional de la placa 10 de electrodo positivo a la placa 20 de electrodo negativo, y esto puede considerarse una situación de cortocircuito interno. De esta manera, puede generarse un cortocircuito interno simulando el entorno de uso de la batería real.
Con el fin de llevar a cabo el método para probar un cortocircuito interno de una batería secundaria de manera más apropiada, puede usarse el aparato para probar un cortocircuito interno de una batería secundaria como se muestra en la FIG 7.
Con referencia a la FIG. 7, el aparato 100 para probar un cortocircuito interno de una batería secundaria incluye una cámara 70 a prueba de explosiones, un suministro 80 de energía y un instrumento 90 de medición.
La cámara 70 a prueba de explosiones permite que la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno se coloque en un espacio interior de la misma. La cámara 70 a prueba de explosiones puede ser una cámara de muestra con una puerta de seguridad. La cámara 70 a prueba de explosiones se provee para bloquear el exterior y el interior para proteger a un trabajador y el área circundante donde ocurre el incendio o la explosión en la batería secundaria. Si la batería secundaria explota o se genera gas tóxico según la prueba de cortocircuito interno para la batería secundaria dentro de la cámara 70 a prueba de explosiones, el interior de la cámara 70 a prueba de explosiones se sella preferiblemente de modo tal que no se fugue gas tóxico fuera de la cámara 70 a prueba de explosiones. También es necesario proveer además una configuración para descargar y purificar el gas tóxico. Puede proveerse una ventana de observación por separado para permitir la observación al interior, o la cámara 70 a prueba de explosiones puede ser parcial o totalmente transparente. El tamaño de la cámara 70 a prueba de explosiones puede diseñarse teniendo en cuenta el espacio que ocupa el aparato 100 para probar un cortocircuito interno de una batería secundaria.
El suministro 80 de energía se conecta al conductor 56 de electrodos de la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno para aplicar una corriente de carga. El instrumento 90 de medición se conecta al conductor 56 de electrodos de la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno para medir una tensión y también para medir una temperatura de la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno.
Mientras tanto, una unidad de control adecuada (no se muestra) para el funcionamiento conveniente y efectivo del suministro 80 de energía, el instrumento 90 de medición y similares puede incluirse además por separado o integralmente para cada componente. La unidad de control es normalmente un ordenador, que incluye software para accionar y controlar los componentes y para establecer y memorizar varios valores de datos. Un medio de visualización como, por ejemplo, un monitor, un medio de entrada de usuario como, por ejemplo, un teclado, y varios dispositivos de interfaces pueden también incluirse además en el aparato 100 para probar un cortocircuito interno de una batería secundaria. Estos pueden implementarse usando productos comerciales comunes. Por ejemplo, un monitor puede usarse para comprobar información como, por ejemplo, situación de prueba actual y cantidad de prueba, y el instrumento 90 de medición puede emitir un resultado medido a la unidad de control de modo tal que el resultado medido se emita en el monitor.
En el método de evaluación de cortocircuito interno que usa el aparato 100 para probar un cortocircuito interno de una batería secundaria, la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno se coloca en la cámara 70 a prueba de explosiones. El suministro 80 de energía se conecta al conductor 56 de electrodos de la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno para iniciar la carga. Durante la carga, el instrumento 90 de medición se usa para medir la tensión (V) y la temperatura (T) de la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno. Si la tensión de la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno corresponde a la tensión umbral (Vth) del diodo 5 de unión P-N como resultado de la carga continuada, se simula la situación de cortocircuito interno. En este momento, se comprueba si la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno explota o se prende fuego. Después de la prueba, si la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno se estabiliza, la batería 60 secundaria se recoge de la cámara 70 a prueba de explosiones y se desmonta para analizar sus componentes internos.
Si la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno no explota o se prende fuego como resultado de la simulación del cortocircuito interno mediante el uso del diodo 5 de unión P-N, se determina que la batería secundaria fabricada que incluye la placa 10 de electrodo positivo, la placa 20 de electrodo negativo, el separador 30 y el electrolito de la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno es adecuada. Si la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno está provista de un medio de bloqueo de corriente o similar que puede suprimir la destrucción de la batería incluso si ocurre un cortocircuito interno, se determina que el medio de bloqueo de corriente o similar se ha operado de manera apropiada.
Por el contrario, si la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno explota o se prende fuego como resultado de la simulación del cortocircuito interno, la batería secundaria fabricada que incluye la placa 10 de electrodo positivo, la placa 20 de electrodo negativo, el separador 30 y el electrolito de la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno no es adecuada. Además, si la batería 60 secundaria para una prueba de cortocircuito interno está provista de un medio de bloqueo de corriente que puede suprimir la destrucción de la batería incluso si ocurre un cortocircuito interno, se determina que el medio de bloqueo de corriente no es apropiado. Por consiguiente, se determina que los elementos de la batería secundaria necesitan cambiarse o las condiciones de diseño como, por ejemplo, los medios de bloqueo de corriente, necesitan cambiarse, y entonces se toma una medida adecuada.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Un método para probar un cortocircuito interno de una batería (60) secundaria, que comprende:
- (E1) montar un diodo (5) de unión P-N en la batería (60) secundaria de modo tal que una superficie del diodo (5) de unión P-N está en contacto con una placa (10) de electrodo positivo de la batería (60) secundaria y una superficie opuesta del diodo (5) de unión P-N está en contacto con una placa (20) de electrodo negativo de la batería (60) secundaria;
- (E2) cargar la batería (60) secundaria; y
- (E4) evaluar un estado de la batería (60) secundaria comprobando si ocurre un cortocircuito interno en la batería (60) secundaria cuando el diodo (5) de unión P-N se enciende,
en donde el diodo (5) de unión P-N se monta a través de un separador (30) de la batería (60) secundaria.
2. El método para probar un cortocircuito interno de una batería (60) secundaria según la reivindicación 1, en donde la batería (60) secundaria se carga hasta una tensión de carga completa usando el diodo (5) de unión P-N que tiene una tensión umbral (Vth) que corresponde a la tensión de carga completa de la batería (60) secundaria.
3. El método para probar un cortocircuito interno de una batería (60) secundaria según la reivindicación 1, en donde la batería (60) secundaria se carga hasta una tensión objetivo experimental en un rango entre una tensión de descarga completa y una tensión de carga completa de la batería (60) secundaria usando el diodo (5) de unión P-N que tiene una tensión umbral (Vth) que corresponde a la tensión objetivo experimental.
4. Una batería (60) secundaria para una prueba de cortocircuito interno, que comprende:
una placa (10) de electrodo positivo;
a placa (20) de electrodo negativo;
un separador (30) interpuesto entre la placa (10) de electrodo positivo y la placa (20) de electrodo negativo;
un diodo (5) de unión P-N montado entre la placa (10) de electrodo positivo y la placa (20) de electrodo negativo a través del separador (30); y
conductores (56) de electrodos conectados a la placa (10) de electrodo positivo y a la placa (20) de electrodo negativo.
5. La batería (60) secundaria para una prueba de cortocircuito interno según la reivindicación 4,
en donde el diodo (5) de unión P-N se monta de modo tal que una superficie del diodo (5) de unión P-N está en contacto con la placa (10) de electrodo positivo de la batería (60) secundaria y una superficie opuesta del diodo (5) de unión P-N está en contacto con la placa (20) de electrodo negativo de la batería (60) secundaria.
6. La batería (60) secundaria para una prueba de cortocircuito interno según la reivindicación 5, que además comprende:
una capa de contacto interpuesta entre el diodo (5) de unión P-N y la placa (10) de electrodo positivo y entre el diodo (5) de unión P-N y la placa (20) de electrodo negativo.
7. La batería (60) secundaria para una prueba de cortocircuito interno según la reivindicación 4,
en donde el diodo (5) de unión P-N tiene una tensión umbral (Vth) correspondiente a una tensión de carga completa de la batería (60) secundaria que incluye la placa (10) de electrodo positivo, la placa (20) de electrodo negativo y el separador (30).
8. La batería (60) secundaria para una prueba de cortocircuito interno según la reivindicación 6,
en donde el diodo (5) de unión P-N tiene una tensión umbral (Vth) correspondiente a una tensión objetivo experimental seleccionada en un rango entre una tensión de descarga completa y una tensión de carga completa de la batería (60) secundaria que incluye la placa (10) de electrodo positivo, la placa (20) de electrodo negativo y el separador (30).
9. Un aparato (100) para probar un cortocircuito interno de una batería (60) secundaria, que comprende:
una cámara (70) a prueba de explosiones en la cual se coloca la batería (60) secundaria para una prueba de cortocircuito interno según la reivindicación 6;
un suministro (80) de energía conectado a un electrodo (56) de la batería (60) secundaria para una prueba de cortocircuito interno para aplicar una corriente de carga al electrodo (56); y
un instrumento (90) de medición conectado al electrodo (56) de la batería (60) secundaria para una prueba de cortocircuito interno para medir una tensión y configurado para medir una temperatura de la batería (60) secundaria para una prueba de cortocircuito interno.
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