一種鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性評(píng)估方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性評(píng)估方法。在待評(píng)估的鋰離子電池密閉殼體上開啟小孔，使得電池內(nèi)外部壓力保持一致，然后用過充電方法強(qiáng)制鋰枝晶在負(fù)極生成直至刺穿隔膜造成內(nèi)部短路，考察此時(shí)電池是否發(fā)生熱失控現(xiàn)象來評(píng)估其安全性能。本發(fā)明方法操作簡(jiǎn)便，可以真實(shí)模擬充電過程中極端條件下鋰枝晶產(chǎn)生刺穿隔膜造成內(nèi)部短路的情況，而且新生成的鋰枝晶表面狀況相同，預(yù)期重現(xiàn)性良好。
【專利說明】一種鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性評(píng)估方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鋰離子電池安全性能評(píng)估方法，特別是一種鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路 安全性評(píng)估方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鋰離子電池由于其與傳統(tǒng)的二次電池如鉛酸電池、鎳氫電池等相比具有更高的比 能量，被廣泛地應(yīng)用到了消費(fèi)類電子產(chǎn)品、電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等不同的領(lǐng)域。通常 鋰離子電池的正極材料如鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、錳酸鋰等過渡金屬氧化物鋰鹽，在充電狀態(tài) 下屬于不穩(wěn)定的化合物，在高溫條件下可以分解析出氧氣，析出的氧氣可能與電解液中的 可燃性組分、負(fù)極中的石墨材料、充電產(chǎn)物鋰碳化合物等可燃物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生大量熱能， 熱能可能導(dǎo)致進(jìn)一步升溫而加劇正極材料分解析氧，最后形成"熱失控現(xiàn)象"導(dǎo)致電池燃燒 /爆炸。
[0003] 經(jīng)研究分析，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為最初的高溫條件多數(shù)情況下是由于電池的內(nèi)部短路引 起，而負(fù)極（局部）過充電生成的鋰枝晶刺穿隔膜又是導(dǎo)致內(nèi)部短路的主要原因之一。
[0004] 為了提高鋰離子電池的安全性，各電池生產(chǎn)企業(yè)在材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制程管理中各 自進(jìn)行了大量研究開發(fā)工作，但如何評(píng)定電池的安全性尤其是萬一發(fā)生內(nèi)部短路情況下電 池的安全特性一直是一個(gè)難題。著名的UL標(biāo)準(zhǔn)在有關(guān)輕型電動(dòng)車和電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池 安全評(píng)定中采用了針刺實(shí)驗(yàn)（如：ULSubject2271-2010標(biāo)準(zhǔn)）來評(píng)估電池在此種內(nèi)部短路 發(fā)生時(shí)的安全特性，其方法是：
[0005] 將電池充滿電，用直徑為3mm的鋼針以一定的速度在垂直于電極表面的方向刺進(jìn) 電池，保持針在電池中一段時(shí)間，然后觀察電池是否發(fā)生爆炸、燃燒現(xiàn)象。
[0006] 這種方法實(shí)施簡(jiǎn)便，可以在一定程度上模擬電池的內(nèi)部短路現(xiàn)象，但是基于下述 兩條原因，在其他應(yīng)用領(lǐng)域的UL標(biāo)準(zhǔn)中，針刺實(shí)驗(yàn)沒有被列入。
[0007] 1)重現(xiàn)性差：受鋼針的材質(zhì)、表面氧化狀態(tài)、穿刺速度等因素影響太大，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn) 的偶然性增加，重現(xiàn)性差。
[0008] 2)采用所謂防針刺結(jié)構(gòu)可以在針刺造成內(nèi)部短路之前先發(fā)生類似外部短路現(xiàn)象， 從而引起隔膜Shutdown，無法評(píng)估正常情況下內(nèi)部短路時(shí)電池的安全性。
[0009] 換言之，針刺試驗(yàn)在UL系列標(biāo)準(zhǔn)中只是作為模擬交通工具發(fā)生意外時(shí)的安全性 評(píng)估手段，而并非是模擬電池發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)的安全性評(píng)估方法。
[0010] JIS標(biāo)準(zhǔn)提出了用鎳釘實(shí)驗(yàn)評(píng)估電池內(nèi)部短路安全性（如JIS C8714:2007標(biāo) 準(zhǔn)），其方法是：
[0011] 電池以供方推薦電流在不同溫度下恒流充電至4. 25V，轉(zhuǎn)恒壓充電至截止電流 0. 05C。完成后將電池轉(zhuǎn)入溫度為20°C ±5°C、露點(diǎn)低于_25°C的環(huán)境中，剝?nèi)ッ荛]外殼，拆 開電池芯包并在正極和負(fù)極活性物質(zhì)涂層間介于隔膜放入一 "L"形狀的小塊鎳釘，再卷回 原狀，放入自封袋內(nèi)再裝入鋁塑復(fù)合膜袋中封口（從拆開電池到封好袋口須在30min內(nèi)完 成）。自封袋及電池在特定溫度恒溫槽中放置45min±15min后，打開鋁塑膜、自封袋，取出 電池放置于夾具上，用帶橡膠層的治具以0. lmm/s的速度在植入鎳釘位置垂直電極表面下 壓，直至電池由于內(nèi)部短路造成電壓降超過50mV或壓力達(dá)到800N時(shí)停止施壓，觀察電池是 否發(fā)生燃燒或爆炸。
[0012] 這種方法可以真實(shí)再現(xiàn)金屬異物刺破隔膜導(dǎo)致電池內(nèi)部短路的情況，具有良好的 重現(xiàn)性。但是在干燥環(huán)境下打開密閉電池外殼，并在正負(fù)極之間植入鎳釘然后再封閉，再進(jìn) 行加熱、下壓等操作是一項(xiàng)非常復(fù)雜且需要高度技巧的工作，因此除JIS標(biāo)準(zhǔn)外目前尚無 其他知名標(biāo)準(zhǔn)采用此項(xiàng)方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的在于提供一種鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性評(píng)估方法，主要用于 解決上述現(xiàn)有評(píng)估方法所存在的問題，本發(fā)明方法可以真實(shí)模擬充電過程中極端條件下， 鋰枝晶產(chǎn)生刺穿隔膜造成內(nèi)部短路的情況，而且新生成的鋰枝晶表面狀況相同，預(yù)期重現(xiàn) 性良好且操作簡(jiǎn)便。
[0014] 由于在通常情況下，對(duì)鋰離子電池進(jìn)行過充電，并不能達(dá)到生成鋰枝晶的效果。因 為密閉鋰離子電池一般會(huì)設(shè)置有CID(Current Interruption Device,電流中斷裝置），當(dāng)過 充電時(shí)可能由于氣體生成、電池內(nèi)壓增大導(dǎo)致CID動(dòng)作切斷充電，使得無法考察鋰枝晶生 成并穿透隔膜與正極接觸形成內(nèi)部短路的情況。
[0015] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0016] 一種鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性能評(píng)估方法，其特征在于：在待評(píng)估的鋰離 子電池密閉殼體上開啟小孔，然后通過過充電生成鋰枝晶來造成內(nèi)部短路，考察此時(shí)電池 是否發(fā)生熱失控。
[0017] 所述的鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性能評(píng)估方法，其特征在于：該鋰離子電池 是具有CID的密閉型鋰離子電池。
[0018] 所述的鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性能評(píng)估方法，其特征在于：開啟小孔作業(yè) 是在露點(diǎn)-30攝氏度或以下的干燥環(huán)境中進(jìn)行。
[0019] 所述的鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性能評(píng)估方法，其特征在于：開啟小孔后先 用密閉膠帶將小孔暫時(shí)封閉，再進(jìn)行過充電操作。
[0020] 所述的鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性能評(píng)估方法，其特征在于：在不超過2小 時(shí)內(nèi)進(jìn)行過充電實(shí)驗(yàn)。
[0021] 所述的鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性能評(píng)估方法，其特征在于：開孔的直徑最 好在0. 5-2. 0mm之間。
[0022] 所述的鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性能評(píng)估方法，其特征在于：開孔位置最好 處于電池內(nèi)部空間相應(yīng)氣室部位，開孔深度以剛好穿透密閉殼體壁厚為宜。
[0023] 本發(fā)明方法的設(shè)計(jì)思路是：經(jīng)過開孔處理的電池，在過充電過程中產(chǎn)生的氣體，可 以通過開孔釋放到外部，不會(huì)發(fā)生電池內(nèi)部壓力升高導(dǎo)致密閉電池附加的安全裝置動(dòng)作造 成電路被切斷，能夠確保鋰枝晶生成直至刺穿隔膜造成內(nèi)部短路。電池是否已經(jīng)發(fā)生內(nèi)部 短路，可以通過恒流充電過程中，電池電壓是否出現(xiàn)瞬間（5秒以內(nèi)）電壓降低50mV或以上 來判斷。為減少外界大氣進(jìn)入電池內(nèi)部對(duì)測(cè)試可能產(chǎn)生的影響，開孔可以在露點(diǎn)-30攝氏 度或更低的干燥環(huán)境進(jìn)行，然后在該環(huán)境下用膠帶等非耐壓密封措施將開孔暫時(shí)封閉，再 回到正常室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行過充電測(cè)試。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明方法中對(duì)圓柱形鋰電池打孔示意圖。
[0025] 圖2是本發(fā)明方法中對(duì)方形硬殼鋰電池打孔示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 本發(fā)明公開了一種鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性能評(píng)估方法，在待評(píng)估的鋰離 子電池密閉殼體上開啟小孔（如圖1、2,圖中1為氣室打孔位置），然后通過過充電生成鋰 枝晶來造成內(nèi)部短路，考察此時(shí)電池是否發(fā)生熱失控。
[0027] 作為可選方式，該鋰離子電池是具有CID的密閉型鋰離子電池。
[0028] 作為優(yōu)選方式，開啟小孔作業(yè)是在露點(diǎn)-30攝氏度或以下的干燥環(huán)境中進(jìn)行。
[0029] 作為優(yōu)選方式，開啟小孔后先用密閉膠帶將小孔暫時(shí)封閉，再進(jìn)行過充電操作。
[0030] 作為優(yōu)選方式，在不超過2小時(shí)內(nèi)進(jìn)行過充電實(shí)驗(yàn)。
[0031] 作為優(yōu)選方式，開孔的直徑最好在0. 5-2. 0mm之間。
[0032] 作為優(yōu)選方式，開孔位置最好處于電池內(nèi)部空間相應(yīng)氣室部位，開孔深度以剛好 穿透密閉殼體壁厚為宜。
[0033] 以下通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證本發(fā)明方法的優(yōu)越性。
[0034] 實(shí)驗(yàn)的測(cè)試對(duì)象：
[0035] (1)防針刺三元圓柱電池：市售有"防針刺"結(jié)構(gòu)的18650三元2200mAh電池，該電 池結(jié)構(gòu)正負(fù)極最外圈為未涂敷活性物質(zhì)的導(dǎo)電基體，當(dāng)金屬針刺入時(shí)正負(fù)極借此可形成類 似外部短路效果，隔膜可能Shutdown，致使隨后的內(nèi)部短路時(shí)不會(huì)有大電流發(fā)生。
[0036] (2)陶瓷隔膜三元圓柱電池：采用氧化鋁陶瓷涂覆強(qiáng)化隔膜制造的18650三元 2000mAh電池，由于陶瓷隔膜具有很高的耐熱性能，通常被認(rèn)為具有較好的安全性。
[0037] 實(shí)驗(yàn)方法：
[0038] 就前述兩種測(cè)試對(duì)象，分別用本發(fā)明方法、JIS鎳釘實(shí)驗(yàn)方法、針刺實(shí)驗(yàn)方法和UL 異常充電測(cè)試方法進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如表1。
[0039] 實(shí)施例1
[0040] 取4pcs防針刺三元圓柱電池，1C4. 2V恒流恒壓充電至截止電流0. 01C，然后將電 池移到溫度23+/-2°C露點(diǎn)低于_30°C的干燥間中，用電鉆在電池氣室部開一直徑為1. 0_ 的小孔，膠帶貼住孔洞，移出干燥間，1C10V恒流充電，當(dāng)后述現(xiàn)象之一發(fā)生時(shí)結(jié)束：電池溫 度降至比峰值低約l〇°C或發(fā)生爆炸起火（充電最長(zhǎng)時(shí)間不超過8h)。
[0041] 結(jié)果：4只電池全部爆炸，不通過。
[0042] 實(shí)施例2
[0043] 取4pcs陶瓷隔膜三元圓柱電池，1C4. 2V恒流恒壓充電至截止電流0. 01C，然后 將電池移到溫度23+/-2°C露點(diǎn)低于-30 °C的干燥間中，用電鉆在電池氣室部開一直徑為 1. 0_的小孔，膠帶貼住孔洞，移出干燥間，1C10V恒流充電，當(dāng)后述現(xiàn)象之一發(fā)生時(shí)結(jié)束： 電池溫度降至比峰值低約l〇°C或發(fā)生爆炸起火（充電最長(zhǎng)時(shí)間不超過8h)。
[0044] 結(jié)果：4只電池均未發(fā)生燃燒或爆炸，通過。
[0045] 對(duì)比例1
[0046] 取4pcs防針刺三元圓柱電池，按UL Subject2271_2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)，結(jié)果4 只電池均未發(fā)生燃燒或爆炸，測(cè)試通過。
[0047] 對(duì)比例2
[0048] 取4pcs陶瓷隔膜三元圓柱電池，按ULSubject2271_2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)，結(jié)果 4只電池均未發(fā)生燃燒或爆炸，測(cè)試通過。
[0049] 對(duì)比例3
[0050] 取4pcs防針刺三元圓柱電池，按UL1642-2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行異常充電實(shí)驗(yàn)，結(jié)果4只 電池均未發(fā)生燃燒或爆炸，測(cè)試通過。
[0051] 實(shí)驗(yàn)后的電池測(cè)試開路電壓均為0V，而交流內(nèi)阻均為c?，說明電池的CID已經(jīng)斷 開。
[0052] 對(duì)比例4
[0053] 取4pcs防針刺三元圓柱電池，用JIS C8714:2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鎳釘實(shí)驗(yàn)，結(jié)果，4pcs 電池均發(fā)生起火現(xiàn)象，測(cè)試不通過。
[0054] 對(duì)比例5
[0055] 取4pcs陶瓷隔膜三元圓柱電池，用JISC8714:2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鎳釘實(shí)驗(yàn)，結(jié)果，4pcs 電池均未發(fā)生爆炸或起火現(xiàn)象，測(cè)試通過。
[0056] 表1、不同內(nèi)部短路安全評(píng)估方法的結(jié)果對(duì)比

【權(quán)利要求】
1. 一種鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性能評(píng)估方法，其特征在于：在待評(píng)估的鋰離子 電池密閉殼體上開啟小孔，然后通過過充電生成鋰枝晶來造成內(nèi)部短路，考察此時(shí)電池是 否發(fā)生熱失控。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性能評(píng)估方法，其特征在于： 該鋰離子電池是具有CID的密閉型鋰離子電池。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性能評(píng)估方法，其特征在 于：開啟小孔作業(yè)是在露點(diǎn)-30攝氏度或以下的干燥環(huán)境中進(jìn)行。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性能評(píng)估方法，其特征在 于：開啟小孔后先用密閉膠帶將小孔暫時(shí)封閉，再進(jìn)行過充電操作。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性能評(píng)估方法，其特征在 于：在不超過2小時(shí)內(nèi)進(jìn)行過充電實(shí)驗(yàn)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性能評(píng)估方法，其特征在 于：開孔的直徑最好在〇. 5-2. 0mm之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰離子電池強(qiáng)制內(nèi)部短路安全性能評(píng)估方法，其特征在 于：開孔位置最好處于電池內(nèi)部空間相應(yīng)氣室部位，開孔深度以剛好穿透密閉殼體壁厚為 且。
【文檔編號(hào)】H01M10/42GK104062598SQ201410306291
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】趙文娟, 陳永平, 黃璟, 楊堅(jiān)棟, 呂成學(xué), 張靜, 陳瑤, 吳江峰, 高學(xué)鋒 申請(qǐng)人:上海德朗能動(dòng)力電池有限公司, 中華人民共和國(guó)奉賢出入境檢驗(yàn)檢疫局