CN211017281U - 一种包含内短路装置的锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种包含内短路装置的锂离子电池，锂离子电池包括阳极极片、阴极极片和隔离膜，所述内短路装置包括第一导电金属件、设于阳极极片和/或阴极极片内侧的第二导电金属件以及用于分隔第一导电金属件及第二导电金属件的绝缘石蜡层，所述第一导电金属件贯穿设于隔离膜上且通过绝缘石蜡层与第二导电金属件接触。本实用新型可以制造含有内短路装置的方形硬壳锂离子电池，可以控制四种不同内短路类型、控制不同短路面积，制造含有该类型电芯的模组和电池系统，并可以按需启动内短路装置。

Description

一种包含内短路装置的锂离子电池

技术领域

本实用新型属于新能源电池技术领域，具体涉及一种包含内短路装置的锂离子电池。

背景技术

锂离子电芯是一种可反复充放电的二次电芯，它由阴阳极极片、隔离膜、电解液、机械件等主要成分组成。在锂离子电芯整个生命周期过程中，在进行电芯的失效分析研究时，我们很难分析出电芯出问题的根本原因。内短路被普遍认为是一种常见的锂离子电池失效模式。这种失效发生时通常十分剧烈，往往伴随着冒烟、起火、爆炸等现象，造成严重后果。因此，对内短路机理的研究就显得十分重要。

在锂离子电池安全测试领域，通常使用针刺、过充、热滥用、挤压等方法模拟电池的失效情况。但这些方法过于剧烈，无法很好地重现锂离子电池自然老化过程中由于内短路引起的失效。因此就需要采用温和的模拟方法。专利 201710719164.3公开了一种简便的模拟内短路的装置，用镍片刺穿隔膜后，再在其中一侧使用石蜡进行封装。这种装置通常使用时与正常电池无异，通过加热造成石蜡熔化，触发内短路。其缺点在于无法模拟不同类型的短路模式。美国航天局发布了一种可模拟不同类型短路模式的工装，但只应用在18650圆柱电池中，并且不同内短路类型的装置相同，可能会导致内部接触内阻较大等。

实用新型内容

本实用新型旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此，本实用新型提供一种包含内短路装置的锂离子电池，目的是便于模拟不同类型的短路模式。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种包含内短路装置的锂离子电池，包括阳极极片、阴极极片和隔离膜，所述内短路装置包括第一导电金属件、设于阳极极片和/或阴极极片内侧的第二导电金属件以及用于分隔第一导电金属件及第二导电金属件的绝缘石蜡层，所述第一导电金属件贯穿设于隔离膜上且通过绝缘石蜡层与第二导电金属件接触。

所述第一导电金属件为第一铜质金属件。

所述第一铜质金属件为铜片、铜条或铜丝。

所述第二导电金属件包括第二铜质导电件，第二铜质导电件设于阳极极片的铜箔上且贯穿阳极材料与绝缘石蜡层接触。

所述第一导电金属件为第一铝质金属件，所述第二导电金属件包括第二铝质导电件，第二铝质导电件设于阴极极片的铝箔上且贯穿阴极材料与绝缘石蜡层接触。

所述第二导电金属件包括第二铝质导电件和第二铜质导电件，第二铝质导电件设于阴极极片的铝箔上且贯穿阴极材料与绝缘石蜡层接触，所述第二铜质导电件设于阳极极片的铜箔上且贯穿阳极材料与第一导电金属件接触。

所述第二铜质导电件为铜盘，所述第二铝质导电件为铝盘。

通过更改不同的短路类型时对应的金属片材质；以及不同类型的内短路类型，擦拭掉相应的主材，使用对应的金属片，即可对不同短路类型进行试验。

本实用新型的有益效果：本实用新型可以制造含有内短路装置的方形硬壳锂离子电池，可以控制四种不同内短路类型、控制不同短路面积、控制不同形状金属片短路，制造含有该类型电芯的模组和电池系统，并可以按需启动内短路装置；在模组或系统加入一种触发装置，可以更好地模拟锂离子电池内短路的失效模式及其电池模组的热扩展状态。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1是实施例1的结构示意图；

图2是实施例2的结构示意图；

图3是实施例3的结构示意图；

图4是实施例4的结构示意图；

图5是电池内放置内短路装置的结构示意图；

图6是阴极-铜内短路试验过程中温度、电压随时间变化曲线；

图7是铝-阳极内短路试验过程中温度、电压随时间变化曲线。

图中标记为：

1、隔离膜，2、铜箔，3、阳极材料，4、铝箔，5、阴极材料，6、第一导电金属件，7、第二铜质导电件，8、绝缘石蜡层，9、第二铝质导电件，10、内短路装置，11、阳极极片，12、阴极极片。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本实用新型的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对实用新型的限制。在下述的实施方式中，所述的“第一”、“第二”和“第三”并不代表结构和/或功能上的绝对区分关系，也不代表先后的执行顺序，而仅仅是为了描述的方便。

如图1至图4所示，一种包含内短路装置的锂离子电池，包括阳极极片11、阴极极片12和隔离膜1，阳极极片(正极极片)包括铜箔2和涂覆于铜箔上的阳极材料3，阴极极片(负极极片)包括铝箔4和涂覆于铝箔4上的阴极材料5，内短路装置包括第一导电金属件6、设于阳极极片和/或阴极极片内侧的第二导电金属件以及用于分隔第一导电金属件及第二导电金属件的绝缘石蜡层8，第一导电金属件2贯穿设于隔离膜1上且通过绝缘石蜡层4与第二导电金属件3接触。

其中，第一导电金属件为第一铜质金属件。第一铜质金属件为铜片、铜条或铜丝。

当模拟阴极与铜集流体内短路时，如图2所示，第二导电金属件包括第二铜质导电件7，第二铜质导电件7设于阳极极片的铜箔2上且贯穿阳极材料3与绝缘石蜡层8接触。此绝缘石蜡层对第二导电金属件与第一导电金属件进行分隔绝缘，当绝缘石蜡层被加热熔化后，第一导电金属件与第二导电金属件导通。第二铜质导电件优选为铜盘。

当模拟铝集流体与阳极内短路时，如图3所示，第一导电金属件6为第一铝质金属件，第二导电金属件包括第二铝质导电件9，第二铝质导电件9设于阴极极片的铝箔4上且贯穿阴极材料5与绝缘石蜡层8接触。此绝缘石蜡层对第二导电金属件与第一导电金属件进行分隔绝缘，当绝缘石蜡层被加热熔化后，第一导电金属件与第二导电金属件导通。第一铝质金属件为铝片或铝条。第二铝质导电件优选为铝盘。

当模拟铝集流体与铜集流体内短路时，如图4所示，第二导电金属件包括第二铝质导电件9和第二铜质导电件7，第二铝质导电件9设于阴极极片的铝箔4上且贯穿阴极材料5与绝缘石蜡层8接触，第二铜质导电件7设于阳极极片的铜箔2上且贯穿阳极材料3与第一导电金属件6接触。

上述包含内短路装置的锂离子电池的制作方法，是将卷绕的裸电芯摊开，选定阴极外圈的相应层处挖开隔离膜，然后放置所述内短路装置，放置好后均匀涂覆石蜡，将裸电芯卷好，贴收尾胶，之后进行整形、干燥，再经注液、化成、焊接和包膜后得到锂离子电芯。

具体操作时，在卷绕好的裸电芯中的放置内短路模拟装置：轻轻摊开裸电芯极片，在阴极外圈第2层处挖开隔离膜。通过挖开的大小控制人工模拟内短路的面积大小。然后放置所述内短路装置。放置好金属片后均匀涂覆石蜡，将裸电芯卷好，贴收尾胶。如果需要模拟不同类型的短路模式，还需要擦掉对应位置的极片上主材。

在卷绕好的裸电芯中放置好内短路模拟装置后，经历低温热压整形工序。当需要人工模拟不同的短路类型时，需要擦拭掉相应的主材，使用对应的内短路金属片，然后再经历热压整形工序。由于该裸电芯中含有相变材料(绝缘石蜡层)，传统的热压整形会导致其熔化，因此需采用低温热压工艺。在后续的装配过程中，也要注意所有工序环境温度不超过50度。类似地，在注液前采用低温干燥过程，在45摄氏度下进行干燥。再经注液-化成-焊接-包膜得到锂离子电芯产品。

将含有内短路装置的锂离子电池组装成模组或电池系统，可以得到含有内短路装置的电池模组或系统。

包含内短路装置的锂离子电池的内短路触发方法，是将含有内短路装置的模组正极侧放置于加热板上，通过电炉加热含有内短路装置的锂离子电池，绝缘石蜡层经加热熔化，从而导通第一导电金属件、第二导电金属件与电池的阳极极片和阴极极片，使锂电池发生内部短路。具体操作时，将含有内短路装置的模组正极侧放置于加热板上，通过电炉加热含有内短路装置的1个2P电池，用多路检测每个电池电压及温度，对正极侧加热过程中观察电压及温度变化，可以研究内短路电池的实效模式及其后续模组热扩展状态。

下面通过具体的实例进行详细说明：

实施例1

模拟阴极与阳极内短路类型，即第一种短路类型；在方形硬壳锂离子电芯制程过程中，经过匀浆-涂布-冷压-模切-分条-卷绕工序后，可以得到卷绕好裸电芯。轻轻摊开裸电芯极片，为了保证卷绕好后的裸电芯overhang尺寸以及热电偶监测电芯表面温度，选择在靠近裸电芯表面的阴极外圈第2层处放置如图1 所示的内短路装置。放置好铜金属片后均匀涂覆石蜡，将裸电芯卷好，贴收尾胶。在卷绕好的裸电芯中放置好内短路模拟装置后，然后经历低温热压整形工序。由于该裸电芯中含有相变材料，其材料熔点约60℃，传统的高温热压整形会导致其熔化；在后续的装配过程中，注意所有工序环境温度不超过50度。类似地，在注液前采用低温干燥过程，在45摄氏度下进行真空干燥。再经注液- 化成-焊接-包膜得到锂离子电芯产品。将含有内短路装置的电芯串并联，短板侧板焊接，连接巴焊接形成2P7S电池模组，通过电炉加热板对2P7S模组一端进行加热，加热端是含有内短路装置的电池，模拟锂离子电池内短路的失效模式及其电池模组的热扩展状态。特别地，可以通过控制内短路装置尺寸大小，不同金属片形状，模拟不同情形下的第一种短路类型失效情况及其模组热扩展状态。该实施例中，通过设置直径大小为10mm的圆形内短路装置(第一导电金属为圆形铜片，直径为10mm，厚度约100μm)，制备第一种短路类型的内短路电芯。通过对电芯加热到80℃保温，100％SOC状态下，触发内部相变材料熔化形成内短路。内短路后电压无突降，持续缓慢下降，1h内累计下降50mV，内阻降至0.77mΩ后轻微波动到0.81mΩ，单电芯未发生热失控。同样，将含有第一种短路类型的短路电芯组装成2P7S电池模组，通过加热炉触发短路电芯发生内短路，模组电芯也不会发生失效和热扩展。说明在此短路面积、荷电状态下，方形铝壳电芯第一种内短路类型相对安全。

实施例2

模拟阴极与Cu集流体内短路类型，即第二种短路类型；在方形硬壳锂离子电芯制程过程中，经过匀浆-涂布-冷压-模切-分条-卷绕工序后，可以得到卷绕好裸电芯。轻轻摊开裸电芯极片，使用NMP轻轻擦拭阳极上的活性材料，漏出 Cu箔。为了保证卷绕好后的裸电芯overhang尺寸以及热电偶监测电芯表面温度，选择在靠近裸电芯表面的阴极外圈第2层处放置如图2所示内短路装置。放置好圆形金属片后均匀涂覆石蜡，将裸电芯卷好，贴收尾胶。在卷绕好的裸电芯中放置好内短路模拟装置后，然后经历低温热压整形工序。由于该裸电芯中含有相变材料，熔点约60℃，传统的高温热压整形会导致其熔化；在后续的装配过程中，注意所有工序环境温度不超过50度。类似地，在注液前采用低温干燥过程，在45摄氏度下进行干燥。再经注液-化成-焊接-包膜得到锂离子电芯产品。将含有内短路装置的电芯串并联，短板侧板焊接，连接巴焊接形成2P7S电池模组，通过电炉加热板对2P7S模组一端进行加热，加热端是含有内短路装置的电池，模拟锂离子电池内短路的失效模式及其电池模组的热扩展状态。特别地，可以通过控制内短路装置尺寸大小，不同金属片形状，模拟不同尺寸的第二种短路类型失效情况及其模组热扩展状态。该实施例中，通过设置直径大小为10mm的圆形内短路装置(第一导电金属件6为直径不大于10mm的圆形铜片，第二铜质导电件为直径10mm的圆形铜盘，绝缘石蜡层的直径同样为10mm，圆形铜片及铜盘的厚度均约100μm，绝缘石蜡层的厚度小于100μm)，制备第二种短路类型的内短路电芯。通过对电芯加热到80℃保温，100％SOC状态下，触发内部相变材料熔化形成内短路。结论是内短路后电压无突降，持续缓慢下降， 1h内累计下降30mV，内阻0.73mΩ下降到0.67mΩ，单电芯未发生热失控。同样，将含有第二种短路类型的短路电芯组装成2P7S电池模组，通过加热炉加热 80℃触发短路电芯发生内短路，模组电芯也不会发生失效和热扩展。说明在此短路面积、荷电状态下，方形铝壳电芯第二种内短路类型相对安全。

实施例3

模拟Al集流体与阳极内短路类型，即第三种短路类型；在方形硬壳锂离子电芯制程过程中，经过匀浆-涂布-冷压-模切-分条-卷绕工序后，可以得到卷绕好裸电芯。轻轻摊开裸电芯极片，使用NMP轻轻擦拭阴极上的活性材料，漏出 Al箔，为了保证卷绕好后的裸电芯overhang尺寸以及热电偶监测电芯表面温度，选择在靠近裸电芯表面的阴极外圈第2层处放置所述内短路装置。放置好金属片后均匀涂覆石蜡，将裸电芯卷好，贴收尾胶。在卷绕好的裸电芯中放置好内短路模拟装置后，然后经历低温热压整形工序。由于该裸电芯中含有相变材料，熔点约60℃，传统的高温热压整形会导致其熔化；在后续的装配过程中，注意所有工序环境温度不超过50度。类似地，在注液前采用低温干燥过程，在45 摄氏度下进行干燥。再经注液-化成-焊接-包膜得到锂离子电芯产品。将含有内短路装置的电芯串并联，短板侧板焊接，连接巴焊接形成2P7S电池模组，通过电炉加热板对2P7S模组一端进行加热，加热端是含有内短路装置的电池，模拟锂离子电池内短路的失效模式及其电池模组的热扩展状态。特别地，可以通过控制内短路装置尺寸大小，不同金属片形状，模拟不同尺寸的第三种短路类型失效情况及其模组热扩展状态。该实施例中，通过设置直径大小为10mm的圆形内短路装置(第一导电金属件6为直径不大于10mm的圆形铝片，第二铝质导电件为直径10mm的铝盘，圆形铝片及铝盘的厚度均约100μm，绝缘石蜡层的厚度小于100μm)，制备第三种短路类型的内短路电芯。通过对电芯加热到 80℃保温，100％SOC状态下，触发内部相变材料熔化形成内短路。内短路后电芯发生热失控，电压掉为0V，内阻突升早于电压变化2s，单电芯温度超过600℃。同样，将含有第三种短路类型的短路电芯组装成2P7S电池模组，通过加热炉加热至80℃以上触发短路电芯发生内短路，直接加热的内短路电芯发生失效，起火爆炸，热扩展顺序从加热端向另一端逐渐开始蔓延，说明在此短路面积、荷电状态下，方形铝壳电芯第三种内短路类型危险。

实施例4

模拟Al集流体与Cu集流体内短路类型，即第四种短路类型；在方形硬壳锂离子电芯制程过程中，经过匀浆-涂布-冷压-模切-分条-卷绕工序后，可以得到卷绕好裸电芯。轻轻摊开裸电芯极片，使用NMP轻轻擦拭阴、阳极上的活性材料，漏出Al、Cu箔，为了保证卷绕好后的裸电芯overhang尺寸以及热电偶监测电芯表面温度，选择在靠近裸电芯表面的阴极外圈第2层处放置所述内短路装置。放置好金属片后均匀涂覆石蜡，将裸电芯卷好，贴收尾胶。在卷绕好的裸电芯中放置好内短路模拟装置后，然后经历低温热压整形工序。由于该裸电芯中含有相变材料，熔点约60℃，传统的高温热压整形会导致其熔化；在后续的装配过程中，注意所有工序环境温度不超过50度。类似地，在注液前采用低温干燥过程，在45摄氏度下进行干燥。再经注液-化成-焊接-包膜得到锂离子电芯产品。将含有内短路装置的电芯串并联，短板侧板焊接，连接巴焊接形成2P7S 电池模组，通过电炉加热板对2P7S模组一端进行加热，加热端是含有内短路装置的电池，模拟锂离子电池内短路的失效模式及其电池模组的热扩展状态。特别地，可以通过控制内短路装置尺寸大小，不同金属形状，模拟不同尺寸的第四种短路类型失效情况及其模组热扩展状态。该实施例中，通过设置直径大小为10mm的圆形内短路装置(第一导电金属件6为直径不大于10mm的铜片，第二铜质导电件7为直径10mm铜盘，第二铝质导电件为直径10mm铝盘，圆形铜片、铜盘及铝盘的厚度均约100μm，绝缘石蜡层的厚度小于100μm)，制备第四种短路类型的内短路电芯。通过对电芯加热到80℃保温，100％SOC状态下，触发内部相变材料熔化形成内短路。内短路后电压无突降，持续缓慢下降， 1h内累计下降20mV，内阻0.79mΩ下降到0.70mΩ，单电芯未发生热失控。同样，将含有第四种短路类型的短路电芯组装成2P7S电池模组，通过加热炉加热 80℃触发短路电芯发生内短路，模组电芯也不会发生失效和热扩展。说明在此短路面积、荷电状态下，方形铝壳电芯第四种内短路类型相对安全。

图6是阴极-铜内短路试验过程中温度、电压、内阻随时间变化曲线；图7 是铝-阳极内短路试验过程中温度、电压随时间变化曲线；通过试验的结论阴极- 铜内短路试验过程温度没有突升，电压没有掉0V，整个过程内短路电芯没有发生热失控；而铝-阳极内短路试验过程发生热失控，温度突升至600℃，内阻先于电压变化，电压1s内掉0V。

以上结合附图对本实用新型进行了示例性描述。显然，本实用新型具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本实用新型的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种包含内短路装置的锂离子电池，包括阳极极片、阴极极片和隔离膜，其特征在于，所述内短路装置包括第一导电金属件、设于阳极极片和/或阴极极片内侧的第二导电金属件以及用于分隔第一导电金属件及第二导电金属件的绝缘石蜡层，所述第一导电金属件贯穿设于隔离膜上且通过绝缘石蜡层与第二导电金属件接触。

2.根据权利要求1所述包含内短路装置的锂离子电池，其特征在于，所述第一导电金属件为第一铜质金属件。

3.根据权利要求2所述包含内短路装置的锂离子电池，其特征在于，所述第一铜质金属件为铜片、铜条或铜丝。

4.根据权利要求1所述包含内短路装置的锂离子电池，其特征在于，所述第二导电金属件包括第二铜质导电件，第二铜质导电件设于阳极极片的铜箔上且贯穿阳极材料与绝缘石蜡层接触。

5.根据权利要求1所述包含内短路装置的锂离子电池，其特征在于，所述第一导电金属件为第一铝质金属件，所述第二导电金属件包括第二铝质导电件，第二铝质导电件设于阴极极片的铝箔上且贯穿阴极材料与绝缘石蜡层接触。

6.根据权利要求1所述包含内短路装置的锂离子电池，其特征在于，所述第二导电金属件包括第二铝质导电件和第二铜质导电件，第二铝质导电件设于阴极极片的铝箔上且贯穿阴极材料与绝缘石蜡层接触，所述第二铜质导电件设于阳极极片的铜箔上且贯穿阳极材料与第一导电金属件接触。

7.根据权利要求6所述包含内短路装置的锂离子电池，其特征在于，所述第二铜质导电件为铜盘，所述第二铝质导电件为铝盘。

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