内短路触发电池与电池内短路触发方法与流程

本申请涉及电池技术领域，特别是涉及一种内短路触发电池与电池内短路触发方法。

背景技术：

面对环境污染与能源危机的困境，新能源汽车由于其在节能减排上的发展潜力，逐渐被认可与推广。其中，纯电动汽车在近年来得到了市场和国家的双重肯定，纯电动汽车一般使用锂离子电池。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优点，是目前纯电动汽车不可或缺的能量来源。

然而，锂离子电池非常容易出现内短路的现象。一方面，随着电池容量增大和能量密度的提高，电池的电极材料也越来越厚，隔膜则越来越薄，电池在使用时容易出现析锂的现象，导致电池内短路现象的发生，引起电池起火爆炸，威胁人身安全；另一方面，电动汽车在使用时如果发生碰撞事故，也可能会使锂离子电池发生机械变形，破坏电池隔膜，从而造成内短路，导致电池热失控事故的发生。因此，需要通过触发内短路现象对锂离子电池的内短路安全性进行评估。

目前，传统方案中，锂离子电池内短路现象触发的方法主要包括安全性实验与替代实验。

安全性实验，包括针刺、挤压等方法，是一种通过机械变形使隔膜破裂造成内短路的实验方法。这种实验的主要缺点是：只能代表由外部触发类型的内短路现象，具有局限性，偏离真实情况。因为内短路现象在实际发生时，不仅仅只有通过机械变形从外部触发的类型，还包括内部触发类型。

替代实验则是一种通过在电池内部植入温度或其他可控元件，通过外部条件触发内短路的实验方法。替代实验可以更精确控制内短路类型、大小及层级。然而，替代实验存在一个致命缺点：在电池内部植入体积、面积过大的可控元件之后，当锂离子电池充放电时，可控元件会影响电池内部的电流分布，阻碍锂离子迁移过程，使接触可控元件部分的电极材料无法实现正常的脱锂与嵌锂。此时，如果进行满电现象下的锂离子电池内短路触发实验，电池内部内短路回路中的负极材料并未处于满嵌锂现象，这会严重影响实验的准确程度，使测量的内短路热电特性偏离真实情况。

因此，需要提供一种内短路触发电池与电池内短路的触发方法，使得内短路现象在触发时，既可以代表内部触发类型内短路现象，又不会影响电池正极电极材料和/或负极电极材料正常的脱锂与嵌锂过程。

申请内容

基于此，有必要针对传统方案在触发电池内短路现象时对锂离子电池正负极材料脱锂与嵌锂过程产生影响导致实验数据不准确的问题，提供一种电池内短路触发电池与电池内短路触发方法。

一种电池内短路触发电池，包括：壳体，定义一个收纳空间；

正极电极，设置于所述收纳空间；

负极电极，设置于所述收纳空间；

内短路触发元件，设置于所述正极电极和所述负极电极之间，隔离所述正极电极和所述负极电极；

所述内短路触发元件设置为在预设温度下可以熔化。

上述电池内短路触发电池，通过在锂离子电池内设置内短路触发元件，在不对锂离子电池完整性进行破坏的基础上，避免了相变填充体对电池内部锂离子迁移可能产生的负面影响，真实有效地模拟了实际电池工作环境中的内短路现象。

在其中一实施例中，所述正极电极包括：正极集流体；以及

涂覆在所述正极集流体表面的正极电极材料，所述正极电极材料涂覆在所述正极集流体靠近所述内短路触发元件的表面；

所述负极电极包括：负极集流体；以及

涂覆在所述负极集流体表面的负极电极材料，所述负极电极材料涂覆在所述负极集流体靠近所述内短路触发元件的表面；

所述内短路触发元件设置于所述正极电极材料和所述负极电极材料之间，隔离所述正极电极材料和所述负极电极材料。

在其中一实施例中，所述内短路触发元件包括：

隔膜基体，所述隔膜基体开设有通孔；

相变填充体，贴附于所述隔膜基体的表面且覆盖所述通孔。

在其中一实施例中，所述通孔为圆形，所述相变填充体为片状，所述相变填充体的底面覆盖所述通孔。

在其中一实施例中，所述相变填充体的底面为圆形，所述相变填充体的底面直径大于所述通孔的直径。

在其中一实施例中，所述相变填充体具有泡沫多孔结构。

在其中一实施例中，所述相变填充体设置为在所述预设温度下可以熔化，所述预设温度位于40摄氏度-100摄氏度范围内。

在其中一实施例中，所述相变填充体通过电池终止胶带固定于所述隔膜基体上，以使所述相变填充体贴附于所述隔膜基体的表面且覆盖所述通孔。

上述电池内短路触发电池，通过在锂离子电池隔膜基体上制造缺孔，并在缺孔位置覆盖具有泡沫多孔结构的相变填充体，在不对锂离子电池完整性进行破坏的基础上，避免了相变填充体对电池内部锂离子迁移可能产生的负面影响，真实有效地模拟了实际电池工作环境中的内短路现象。

一种电池内短路触发方法，应用于上述内容提及的内短路触发电池，包括：

获取电池中的电池电芯；

切割所述电池电芯中的隔膜基体，产生至少一个通孔；

加工至少一个相变填充体，并将所述相变填充体的贴附于所述隔膜基体的表面且覆盖所述通孔；

将所述电池电芯再次卷绕或叠片，封装成所述内短路触发电池；

对所述内短路触发电池充电；

对充电后的所述内短路触发电池加热，加热温度为所述相变填充体的熔点；

测量所述内短路触发电池的温度数据和电压数据，判断所述内短路触发电池是否触发内短路现象。

在其中一实施例中，所述切割所述电池电芯中的隔膜基体，产生至少一个通孔的步骤还包括：

使用n-甲基吡咯烷酮擦除所述电池电芯中与所述通孔位置对应的部分正极电极材料和/或部分负极电极材料。

上述电池内短路触发方法，通过切割电池电芯中的隔膜基体使其产生通孔，设置相变填充体贴附所述隔膜基体的表面，并使得所述相变填充体覆盖所述通孔，在封装内短路触发电池后对封装后的所述内短路触发电池充电与加热，实现内短路触发现象的产生，在不对锂离子电池完整性进行破坏的基础上，避免了相变填充体对电池内部锂离子迁移可能产生的负面影响，真实有效地模拟了实际电池工作环境中的内短路现象。

附图说明

图1为本申请一实施例中提供的内短路触发电池的结构示意图；

图2为本申请一实施例中提供的内短路触发电池的结构示意图；

图3为本申请一实施例中提供的电池内短路触发池中相变填充体的微观结构示意图；

图4为本申请一实施例中提供的电池内短路触发方法的流程示意图。

附图标记：

100电池电芯

110壳体

120收纳空间

130正极电极

131正极集流体

132正极电极材料

140负极电极

141负极集流体

142负极电极材料

150内短路触发元件

151隔膜基体

152通孔

153相变填充体

具体实施方式

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本申请提供一种内短路触发电池与电池内短路触发方法。

需要说明的是，本申请提供的内短路触发电池与电池内短路触发方法不限制电池的种类与触发场景。任何电池的种类与触发场景均可采用本申请提供的内短路触发电池与电池内短路触发方法。可选地，本申请提供的内短路触发电池的电池种类为锂离子电池。

所述内短路触发电池与电池内短路触发方法可以应用于电池内短路安全性的评估，指导电池的设计与研发和电池内短路机理研究中的一种或多种。

如图1所示，在本申请的一实施例中，提供了一种内短路触发电池。

所述内短路触发电池包括壳体110，正极电极130，负极电极140和内短路触发元件150。在本申请的一实施例中，上述内短路触发电池包括的部分为所述内短路触发电池中电池电芯100的组成部分。

在本申请的一实施例中，所述内短路触发电池为可充电的锂离子电池。所述内短路触发电池包括所述电池电芯100和保护电路板。所述电池电芯100为所述内短路触发电池在正常使用过程中的核心部分。所述电池电芯100是所述内短路触发电池的蓄电部分。所述电池电芯100的质量直接决定了所述内短路触发电池的质量。

所述电池电芯100包括壳体110，正极电极130，负极电极140和内短路触发元件150。所述电池电芯100通过卷绕或叠片的方式封装成为完整的所述内短路触发电池。

在本申请的一实施例中，所述壳体110定义一个所述收纳空间120。所述壳体110的材料可以是铝合金，铁碳合金和聚合物中的一种。所述聚合物可以是铝塑膜。

在新能源汽车领域，所述电池电芯100以所述壳体110的材料差异作为锂离子电池的分类标准。所述电池电芯100分为铝壳电芯，软包电芯和圆柱电芯。所述铝壳电芯的所述壳体110的材料为铝合金。所述软包电芯又称为聚合物电芯。所述软包电芯的所述壳体110的材料为聚合物。所述聚合物可以是铝塑膜。所述圆柱电芯的所述壳体110的材料为铁碳合金。所述铁碳合金可以为钢。

在本申请的一实施例中，所述正极电极130设置于所述收纳空间120。所述负极电极140设置于所述收纳空间120。

在本申请的一实施例中，所述内短路触发元件150设置于所述正极电极130和所述负极电极140之间。所述内短路触发元件150隔离所述正极电极130和所述负极电极140。

在本申请的一实施例中，所述内短路触发元件150设置为在预设温度下可以熔化。所述预设温度即所述内短路触发元件150材料的熔点。

当所述内短路触发电池处于常温状态下时，所述内短路触发元件150起隔离所述正极电极130和所述负极电极140的作用。此时所述内短路触发电池正常工作，充电放电。

当所述内短路触发电池处于高温状态(在所述预设温度状态)下时，所述内短路触发元件150熔化，使得所述正极电极130与所述负极电极140直接接触，进而起到触发内短路现象的作用。

上述内短路触发电池，通过在锂离子电池内设置内短路触发元件150，在不对锂离子电池完整性进行破坏的基础上，避免了相变填充体153对电池内部锂离子迁移可能产生的负面影响，真实有效地模拟了实际电池工作环境中的内短路现象。

在本申请的一实施例中，所述正极电极130包括正极集流体131和正极电极材料132。

在本申请的一实施例中，所述正极集流体131的材料可以为铝。所述正极集流体131可以为铝片或铝箔。所述正极电极材料132可以为镍钴锰三元材料。

所述正极电极材料132涂覆在所述正极集流体131的表面。具体地，所述正极电极材料132涂覆在所述正极集流体131靠近所述内短路触发元件150的表面。

在本申请的一实施例中，所述负极电极140包括负极集流体141和负极电极材料142。所述负极电极材料142可以为石墨。

在本申请的一实施例中，所述负极集流体141的材料可以为铜。所述负极集流体141可以为铜片或铜箔，所述正极集流体131的材料和所述负极集流体141材料需要具备优良的导电性能，且具有一定延展性。铝和铜不但符合上述要求，而且，地壳中铜元素和铝元素的资源丰富，铝和铜价格比较便宜。使用铝和铜分别作为所述正极集流体131的材料和所述负极集流体141的材料较为适宜。

所述负极电极材料142涂覆在所述负极集流体141的表面。具体地，所述负极电极材料142涂覆在所述负极集流体141靠近所述内短路触发元件150的表面。

在本申请的一实施例中，所述内短路触发元件150设置于所述正极电极材料132和所述负极电极材料142之间。所述内短路触发元件150隔离所述正极电极材料132和所述负极电极材料142。

在本申请的一实施例中，所述内短路触发元件150包括隔膜基体151和相变填充体153。

所述隔膜基体151的基质可以包括聚乙烯。所述隔膜基体151的容量可以为1ah。

如图2所示，在本申请的一实施例中，所述隔膜基体151开设有通孔152。所述相变填充体153贴附于所述隔膜基体151的表面。所述相变填充体153覆盖所述通孔152。

具体地，所述通孔152可以为一个，所述通孔152也可以为多个。每一个所述相变填充体153覆盖每一个所述通孔152。所述相变填充体153通过贴附与于所述隔膜基体151的表面并覆盖所述通孔152，使得所述内短路触发电池在常温状态下，所述正极电极材料132和所述负极电极材料142隔离并绝缘良好。可以理解，所述内短路触发电池在此时处于正常工作状态。

在本申请的一实施例中，所述通孔152为圆形。所述相变填充体153为片状。所述相变填充体153的底面覆盖所述通孔152。

在本申请的一实施例中，所述相变填充体153的厚度可以为200微米。

所述相变填充体153的厚度一般较小，不影响锂离子迁移过程，使得所述内短路触发电池实现正常的脱锂与嵌锂过程。

在本申请的一实施例中，所述相变填充体153的底面为圆形。所述相变填充体153的底面直径大于所述通孔152的直径。

在本申请的一实施例中，所述相变填充体153的底面直径为6毫米。所述通孔152的直径为4毫米。

所述相变填充体153的底面直径一般较小，使得所述相变填充体153整体尺寸较小，不影响锂离子迁移过程，使得所述内短路触发电池实现正常的脱锂与嵌锂过程。

在本申请的一实施例中，所述相变填充体153具有泡沫多孔结构。

图3是本实施例中所述相变填充体153的泡沫多孔结构的微观结构示意图。如图3所示，具体地，所述泡沫多孔结构由多个相互贯通或封闭的孔洞构成。所述孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。所述孔洞为多边形。所述泡沫多孔结构可以为二维泡沫多孔结构和三维泡沫多孔结构。所述二维泡沫多孔结构为多个所述孔洞在平面上聚集形成的二维结构。所述三维泡沫多孔结构为多个所述空洞在空间上聚集形成的三维结构。

所述泡沫多孔结构具有优良的绝缘性。所述泡沫多孔结构使得所述相变填充体153在常温状态下与所述隔膜基体151的作用相同。即，所述泡沫多孔结构可以隔离所述正极电极材料132和所述负极电极材料142，进而使得所述内短路触发电池在常温状态下正常工作。

此外，所述泡沫多孔结构可以使得所述内短路触发电池在常温状态下完成正常的脱锂与嵌锂过程。即，所述泡沫多孔结构可以使得内短路触发电池在常温状态下，电解液中的锂离子可以有效通过所述相变填充体153。

综上所述，所述泡沫多孔结构具有以下有益效果：所述泡沫多孔结构使得所述内短路触发电池在常温状态下正常工作，充电与放电。

在本申请的一实施例中，所述相变填充体153的材料为石蜡，八水氢氧化钡和三水醋酸钠中的一种。

所述相变填充体153的材料可以为相变材料。所述相变填充体153的材料也可以由金属与相变材料复合而成。所述相变填充体153使用相变材料，其有益效果是：可以使得所述相变填充体153可以在所述预设温度下产生相变，进而失去其原有形态(例如固态相变材料在熔点下熔化，形成液态相变材料)。

在本申请的一实施例中，所述相变填充体153设置为在所述预设温度下可以熔化，所述预设温度位于40摄氏度-100摄氏度范围内。所述预设温度为所述相变填充体153材料的熔点。

在本申请的一实施例中，所述相变填充体153的材料包括泡沫镍和石蜡。所述泡沫镍作为所述相变填充体153的基底。所述石蜡作为复合材料。在本实施例中，所述预设温度为位于56摄氏度-58摄氏度范围内。

所述内短路触发电池在达到所述预设温度时，所述相变填充体153熔化。所述隔膜基体151上的所述通孔152失去了所述相变填充体153的覆盖。可以理解，此时所述正极电极材料132和所述负极电极材料142直接接触，触发内短路现象。

需要说明的是，所述相变填充体153和所述隔膜基体151的连接关系可以不必作具体限定,只要可以实现所述相变填充体153可以贴附于所述隔膜基体151的表面，且覆盖所述通孔152即可。

在本申请的一实施例中，所述相变填充体153通过电池终止胶带固定于所述隔膜基体151上，以使所述相变填充体153贴附于所述隔膜基体151的表面且覆盖所述通孔152。

在本申请的一实施例中，所述相变填充体153可以与所述隔膜基体151自然贴合。所述相变填充体153在与所述隔膜基体151自然贴合时，所述相变填充体153覆盖所述通孔152。在所述电池电芯100进行卷绕或者叠片过程中，可以产生挤压力。所述挤压力可以使得所述相变填充体153与所述隔膜基体151固定连接。

上述内短路触发电池，通过在锂离子电池隔膜基体151上制造通孔152，并在通孔152位置覆盖具有泡沫多孔结构的相变填充体153，在不对锂离子电池完整性进行破坏的基础上，避免了相变填充体153对电池内部锂离子迁移可能产生的负面影响，真实有效地模拟了实际电池工作环境中的内短路现象。

如图4所示，在本申请的一实施例中，本申请还提供了一种电池内短路触发方法。所述电池内短路触发方法包括如下步骤：

s100，获取所述内短路触发电池中的电池电芯100。

在本申请的一实施例中，可以预先选定一个锂离子电池。所述锂离子电池为需要进行内短路触发安全性评价的锂离子电池。

在本申请的一实施例中，可以将所述选定的锂离子电池的成品电池在手套箱或干燥房中进行拆解，获得所述选定的锂离子电池中的电池电芯100。在本申请的一实施例中，所述干燥房的温度为25摄氏度。所述干燥房的露点温度为零下40摄氏度。

在本申请的一实施例中，可以直接获取所述选定的锂离子电池的半成品电池中的所述电池电芯100。所述半成品电池指的是，所述电池电芯100还未封装成为所述成品电池。此时所述半成品电池只包括所述电池电芯100，因此不必拆解所述半成品电池。

在本申请的一实施例中，所述电池电芯100中包括所述正极电极材料132，所述正极集流体131，所述负极电极材料142，所述负极集流体141和所述隔膜基体151。

在本申请的一实施例中，所述正极电极材料132为镍钴锰三元材料。所述负极电极材料142为石墨。所述隔膜基体151具有聚乙烯基质。所述隔膜基体151的容量为1ah。

s200，切割所述电池电芯100中的隔膜基体151，产生至少一个通孔152。

在本申请的一实施例中，所述隔膜基体151为长条片状，所述通孔152的位置处于所述隔膜基体151的中间位置。在本申请的一实施例中，所述通孔152的直径为4毫米。

s300，加工至少一个相变填充体153，并将所述相变填充体153的贴附于所述隔膜基体151的表面且覆盖所述通孔152。

在本申请的一实施例中，所述相变填充体153的材料为复合材料。所述相变填充体153的基底为泡沫镍。所述相变填充体153的材料还包括石蜡。在本申请的一实施例中，所述相变填充体153为圆片状，所述相变填充体153的厚度为200微米。所述相变填充体153的圆形底面直径为6毫米。

在本申请的一实施例中，所述相变填充体153的结构为泡沫多孔结构。

s400，将所述电池电芯100再次卷绕或叠片，封装成所述内短路触发电池。

在本申请的一实施例中，所述s400步骤具体包括将所述电池电芯100入壳的步骤，将所述电池电芯100注液的步骤和将所述电池电芯100封装的步骤。

s500，对封装后的所述内短路触发电池充电。

在本申请的一实施例中，在执行所述s500步骤时，可以将封装后的所述内短路触发电池充电至满电状态。

s600，对充电后的所述内短路触发电池加热，加热温度为所述相变填充体153的熔点。

在本申请的一实施例中，所述加热温度可以大于所述相变填充体153的熔点。所述加热温度可以为100摄氏度。

在本申请的一实施例中，可以将所述内短路触发电池置入加热箱中，对所述加热箱整体进行加热。

在本申请的一实施例中，可以对所述内短路触发电池的局部进行加热。所述内短路触发电池的局部为所述相变填充体153的位置。

s700，测量所述内短路触发电池的温度数据和电压数据，判断所述内短路触发电池是否触发内短路现象。

具体地，在对充电后的所述内短路触发电池加热时，通过测量所述内短路触发电池的温度数据和电压数据，判断所述内短路触发电池是否触发内短路现象。

在本申请的一实施例中，可以通过电压传感器测量所述内短路触发电池的开路电压来判断所述内短路触发电池是否触发内短路现象。若存在所述内短路触发电池的电压下降幅度过快或者直接降至零的现象发生，可以确定所述内短路触发现象发生。

在本申请的一实施例中，可以通过热电偶测量所述内短路触发电池的温度来判断所述内短路触发电池是否触发内短路现象。所述热电偶可以为多个。所述热电偶布置在所述内短路触发电池的表面。若存在所述内短路触发电池的温度上升幅度不正常的现象，可以确定所述内短路触发现象发生。

在本申请的一实施例中，若存在所述内短路触发电池发生起火现象或喷阀现象，可以确定所述内短路触发现象发生。

在本申请的一实施例中，所述步骤s200步骤还包括如下步骤：

s210，使用n-甲基吡咯烷酮擦除所述电池电芯100中与所述通孔152位置对应的部分正极电极材料132和/或部分负极电极材料142。

具体地，可以通过使用n-甲基吡咯烷酮擦除与所述通孔152位置对应的所述电池电芯100中部分正极电极材料132和/或部分负极电极材料142，来实现触发特定类型的内短路现象的目的。

在本申请的一实施例中，为触发“正极集流体131-负极电极材料142类型内短路现象”，使用n-甲基吡咯烷酮擦除所述电池电芯100中与所述通孔152位置对应的的部分正极电极材料132。

在常温状态下，所述贴附有相变填充体153会正常产生隔离绝缘的作用。此时，所述内短路触发电池内部锂离子正常迁移，所述内短路触发电池正常工作。

在高温状态下(温度达到所述相变填充体153材料的熔点)，所述相变填充体153熔化产生相变，隔膜基体151出现通孔152，所述正极集流体131和所述负极电极材料142在所述通孔152处直接接触，从而触发“正极集流体131-负极电极材料142类型内短路现象”。

可以理解，触发其他特定类型的内短路现象的实施例的工作原理均与上述实施例相同，此处不再赘述。

此外，擦除的所述部分正极电极材料(132)或所述部分负极电极材料(142)的直径大于所述通孔152的直径。

上述电池内短路触发方法，通过切割电池电芯100中的隔膜基体151使其产生通孔152，设置相变填充体153贴附所述隔膜基体151的表面，并使得所述相变填充体153覆盖所述通孔152，在封装内短路触发电池后对封装后的所述内短路触发电池充电与加热，实现内短路触发现象的产生，在不对锂离子电池完整性进行破坏的基础上，避免了相变填充体153对电池内部锂离子迁移可能产生的负面影响，真实有效地模拟了实际电池工作环境中的内短路现象。

以上所述实施例仅表达了本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。