一种内短路故障电池的制作方法

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种内短路故障电池的制作方法。

背景技术

近年来，随着电动汽车行业的快速发展，锂离子电池的安全性能成为业内关注的焦点。由于制造缺陷或者滥用导致的电池内短路故障，严重损坏了电池的可靠性，威胁到电动汽车安全稳定的运行。虽然已有大量的内短路故障模拟研究，但多以单次触发内短路导致电池热失控为目标，无法有效模拟内短路早期行为。因此，有必要制作可以实现触发可控、内部温度与电极电位可测的内短路故障电池来实现对电池内短路初期的发展演变过程进行研究。

现有技术中，专利申请号：CN201911141703公开了一种包含内短路装置的锂离子电池，制作过程较为复杂，通过加热融合绝缘石蜡层存在一定的危险性，且内部无测量装置，无法监测早期内短路发生时电池内部的局部温升以及电池电极电位，存在安全隐患。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种内短路故障电池的制作方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：一种内短路故障电池的制作方法，包括以下步骤：

S1、制作短路触发装置、内部温度测量装置和参比电极装置；

S2、制作内短路电池，在叠片过程中对预先准备好的隔膜进行打孔，随后加入步骤S1中制作的三种装置；

S3、利用极耳胶与PP管分别将参比电极装置、内部温度测量装置以及内短路触发装置与铝塑膜边缘的交汇位置进行包覆，之后对隔膜破孔的内短路电池进行预封，对预封后的电池进行抽真空后，将其放入手套箱内注入适量的电解液，并静置一段时间；对注液完成后的电池进行预充、化成与定容；电池预充与化成过程需要保持负压，将电池内产生的气体抽出；最终，在电池定容完成后对注液口进行终封，得到内短路电池。

优选的，步骤S2中选择在隔膜的中心打孔。

进一步地，步骤S1中所述短路触发装置包括铜条和隔膜，铜条的前端完全覆盖隔膜孔，短路触发装置放置于电池负极活性材料处，将触发装置的铜条前端覆盖于隔膜孔之上，将触发装置的尾端延伸至电池外，并将与材料有所接触的铜条部分使用隔膜进行包覆固定。

进一步地，步骤S1中所述内部温度测量装置为热电偶测温线，测温点和隔膜孔中心之间存在间距，测温点使用耐高温材料包覆，测温线延伸至电池外。

进一步地，步骤S1中所述参比电极装置通过将锂沉积在漆包铜线表面的方法制作，当电池制作完成后，通过正极和铜线、负极和铜线为参比电极装置进行镀锂。

进一步地，短路触发的方式指：将短路触发装置末端延伸至PP管外并使用PP管堵头连接PP管，触发短路时装置与PP管堵头同时移动；PP管堵头始终与PP管相连。

进一步地，所述隔膜破孔的内短路电池的制作方法包括以下步骤：首先

S21、将活性材料双面涂覆的正负极极片、隔膜、正负极极耳、铝塑膜与电解液在真空干燥箱内对电池材料进行干燥，

S22、依次按照隔膜、负极极片、隔膜、正极极片的顺序进行叠片，并始终保持未涂敷活性材料的电池正负极极片集流体对侧分布，打孔器在预先准备好的隔膜上打孔，并将打孔后的隔膜在电池叠片过程中放入第5层正极和第5层负极材料之间，之后利用超声波焊接机分别焊接正、负极极耳，将焊接极耳后的电池放置于铝塑膜内，并在单侧边留下注液口，使用封装机对电池各边缘进行预封，对预封后的电池进行抽真空后，将其放入手套箱内注入适量的电解液，并静置至少24小时；

S23、对注液完成后的电池进行预充、化成与定容；电池预充与化成过程保持负压，将电池内产生的气体抽出，最终，在电池定容完成后对注液口进行终封

采用上述技术方案带来的有益效果是：

本发明提供了一种触发时刻可控、内部温度与电极电位可测的内短路故障电池的制作方法，通过制作的内短路触发装置、内部温度测量装置以及参比电极装置实现了内短路触发时刻可控、内部温度以及电位可测的目的，同时通过单层以及十层试验电池证明了引入短路触发装置、内部温度测量装置以及参比电极装置对单层电池的部分性能影响严重，而对十层电池几乎无影响。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中内短路故障电池制作方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例中置入电池内部的装置结构示意图；

图3为本发明实施例中单层与十层试验电池的性能特性曲线示意图；

图4为本发明实施例中内短路故障电池电压与内外温度以及正、负极阻抗谱曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参照附图1，本发明以十层三元软包电池为例，提供一种内短路故障电池的制作方法，其中单层电池材料的尺寸为140*50mm，在第五层隔膜中心位置处打孔，孔径为6mm。

本发明包括制作内短路电池。正常电池与内短路电池的制作流程，主要包括叠片、焊接、预封、注液、预充、化成、定容与终封。在制作电池之前，首先准备活性材料双面涂覆的正负极极片、隔膜、正负极极耳、铝塑膜与电解液，并在真空干燥箱内对电池材料进行干燥。之后，依次按照隔膜、负极极片、隔膜、正极极片的顺序进行叠片，并始终保持未涂敷活性材料的电池正负极极片集流体对侧分布。所制作的试验电池主要为单层与十层电池。对于隔膜破孔的内短路电池，需要使用打孔器在预先准备好的隔膜上打孔，并将打孔后的隔膜在电池叠片过程中放入指定的位置。之后利用超声波焊接机分别焊接正、负极极耳。将焊接极耳后的电池放置于铝塑膜内，并在单侧边留下注液口，使用封装机对电池各边缘进行预封。对预封后的电池进行抽真空后，将其放入手套箱内注入适量的电解液，并静置至少24小时以便于电解液充分浸润。注液完成后的电池需要进行预充、化成与定容。电池预充与化成过程需要保持负压，将电池内产生的气体抽出。最终，在电池定容完成后对注液口进行终封，完成电池的制作。

本发明包括制作内短路触发装置、内部温度测量装置以及参比电极装置，装置尺寸依据本发明制作的电池尺寸以及孔径的大小确定。应用时应根据实际情况调整装置尺寸。为确保电池在制作完成前不发生内短路，并且实现电池内短路发生时刻可控，制作内短路触发装置并在制作内短路电池时的叠片过程中加入短路触发装置，将隔膜开孔处的电池正负极材料进行隔离。短路触发装置主要由铜条与隔膜组成，如图2(a)所示。铜条前端完全覆盖隔膜孔，放置于电池负极活性材料处，末端延伸至电池外，为了防止电池正负极活性材料通过铜条发生内短路，将铜条与材料接触的位置使用隔膜进行包覆固定。在需要触发短路的时刻，利用延伸至电池外部的短路触发装置末端将装置抽离隔膜开孔位置，确保电池正负极材料之间可以进行直接接触。

此外，由于正负极活性材料接触产生的短路电阻位于电池内部，短路电流经过短路电阻所产生的欧姆热可能导致电池内局部温度过高，制作内部温度测量装置并在叠片过程中加入到电池内部，以监测电池内部温度变化，实现内短路电池的内外温度差异对比。电池内部温度主要通过热电偶测温线进行测量，如图2(b)所示。测温点和隔膜孔中心保持一定距离，测温点使用高温胶带包覆，测温线延伸至电池外与温度数据采集仪相连。

除短路触发装置与内部温度测量装置外，为了探究电池正负极活性材料的热动力学特性，在内短路电池的制作过程中加入参比电极装置以直接监测电池正负电极的电压。通过将锂沉积在铜线表面的方法制作参比电极装置，如图2(c)所示。参比电极装置的制作材料为漆包铜线。在距离参比电极装置两端一段距离处分别去掉表面漆包层，一端使用隔膜将裸露铜线包覆，在叠片过程中放置于短路触发装置与负极极耳之间，另一端延伸至电池外焊接极耳，便于连接充放电设备。为了使得形成的锂沉积层均匀分布，在正极和铜线之间、负极和铜线之间分别充电进行镀锂。内部含三种装置的十层电池的结构图如图2(d)所示。在加入内短路触发装置，参比电极装置以及内部温度测量装置后，为了保证电池的密闭性，分别利用极耳胶与PP管将参比电极装置、内部温度测量装置以及内短路触发装置与铝塑膜边缘的交汇位置进行包覆，之后进行预封。由于短路触发装置需要进行抽离，短路触发装置末端需要延伸至PP管外并使用PP管堵头连接PP管。在抽离短路触发装置时需要与PP管堵头同时移动，并确保PP管堵头始终与PP管相连。

本发明包括对含短路触发装置、内部温度测量装置以及参比电极装置装置的单层和十层试验电池进行性能测试，探究引入的装置对电池性能的影响。

针对单层试验电池与十层试验电池，同时制作多组正常电池以及含短路触发装置、参比电极装置、内部温度测量装置的内短路电池，在不触发内短路的条件下，对正常电池与内短路电池进行性能测试，以验证短路触发装置、参比电极装置以及内部温度装置对电池性能的影响。电池的性能测试主要包括容量测试、自放电测试、平衡电势测试与EIS测试。绘制单层电池与十层电池在正常条件以及含短路触发装置、内部温度测量装置以及参比电极装置的情况下的相对容量与自放电情况如图3(a)(b)所示。短路触发装置、参比电极装置、内部温度测量装置的加入对于单层电池的容量与自放电特性影响较为严重，而对于十层电池几乎无影响。绘制单层与十层试验电池的平衡电势以及90％SOC处的奈奎斯特曲线，如图3(c)(d)所示。对于单层电池来说，装置的加入使得平衡电势曲线向低电位方向发生微弱偏移。而对于十层电池，其平衡电势曲线并未发生改变。如图3(e)(f)所示，在奈奎斯特曲线中，单层试验电池与十层试验电池的阻抗均呈现轻微增加的现象。

依据试验电池可用容量、自放电、平衡电势以及阻抗特性的变化情况，可以得出，短路触发装置、参比电极装置以及内部温度测量装置对于单层试验电池的性能具有显著影响，而对于十层电池，除阻抗略有增加外，几乎无影响。

本发明包括证明三种装置可以实现内短路故障电池触发时刻可控、内部温度与电极电位可测。如图4(a)所示，为内短路故障电池在触发内短路前、后的长时间静置过程中的电压曲线，通过对比电压曲线可以得到触发内短路后电池具有更严重的自放电。因此，短路触发装置可以有效触发电池发生内短路故障。电池在恒流充电测试中的内外温度曲线如图4(b)所示，可见内部温度与外部温度具有相同的变化规律并且内部温度高于外部温度。说明内部温度测量装置可实现内部温度的监测。利用参比电极装置监测电极电位时，首先需证明参比电极装置的有效性，通过有无参比电极装置时电池正负极之间的总阻抗基本重合这一事实验证了参比电极装置的有效性。通过参比电极装置获得的电池正极阻抗、负极阻抗以及正负极间的总阻抗如图4(c)所示，可见参比电极装置可以同时获取电池正极和负极电化学阻抗谱，因此参比电极装置也可以实现电极电位的测量。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。