[發明專利]檢測電池中的內部短路(ISC)的方法和系統及實現這種ISC檢測方法的電池電芯

在審

• 申請號: 201980048356.3
• 申請日: 2019-05-28
• 公開（公告）號: CN112470325A
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: R·雅扎米
• 申請（專利權）人: 雅扎米IP私人有限公司
• 主分類號: H01M10/42
• 分類號: H01M10/42;H02J7/00;H01M10/44;H01M10/48
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 李艷芳;王小東

一種用于根據對關于電化學電芯的熱力學數據和動力學數據進行在線測量和處理來檢測所述電化學電芯內的內部短路(ISC)的方法。所述熱力學數據包括開路電壓(OCV)數據、熵變(ΔS)數據和/或焓變(ΔH)數據及其組合。動力學數據包括電池的電壓、電池的溫度、電池的內阻和電流及其組合。

本專利申請要求于2018年5月28日提交的新加坡專利申請No.10201804493S的優先權。

技術領域

本發明涉及用于檢測電池中的內部短路(ISC)的方法。本發明還涉及實現所述檢測方法的系統和電池電芯。

背景技術

電池電芯由陽極(負極)、陰極(正極)、電解質和隔膜等組成。在諸如僅對一次電池(一次性)進行放電和對二次(可再充電)電池進行充放電之類的正常操作期間，離子和電子同時流動。離子由于電解質而在陽極與陰極之間在電芯內部流動，而電子在放電期間從電芯向外流入負載(諸如手機)并在充電期間流入充電器。

在電池內部在陽極與陰極之間不應有電子流動。由于這個原因，在陽極與陰極之間使用隔膜以避免陽極與陰極之間的任何物理接觸。如果電子在電芯內部流動，則這導致電芯自放電和容量損失，這是不期望的。

當陽極和陰極在電芯內部與彼此直接電接觸時，在電池電芯中發生內部短路(ISC)。

由于陽極與陰極之間存在電壓差ΔV(以伏特(V)為單位)，所以陽極與陰極之間的電接觸將生成電流I(以安培(A)為單位)，通常稱為ISC電流或內部泄漏電流。

ISC在陽極與陰極之間具有歐姆電阻R(以歐姆(Ω)為單位)。

陽極與陰極之間的電流流動由歐姆定律給出：ΔV＝RI(1)。

在等式(1)中，ΔV和R隨時間變化，并且ISC電流I也隨時間變化。

當電流I流入電阻R時，將根據焦耳定律生成熱功率：P(W)＝R.I²(2)。

因為由于ISC生成的內部熱，局部溫度可能會升高，最終觸發電芯中的熱事件，諸如熱失控。

因此，ISC引起了電池電芯中的安全問題。

ISC被認為是電池熱事件(諸如熱失控、放氣(gassing)、火災和爆炸)的主要原因之一。

電池電芯中發生ISC的主要原因是：

1)陽極表面上的金屬枝晶生長，金屬枝晶最終越過隔膜，導致短路。已經針對基于Li和Zn化學性質的陽極報道了枝晶生長，

2)由于制造缺陷、電極崩解和溶解/沉淀過程而產生的電芯中的金屬和其它導電材料顆粒，

3)由于電芯內的疲勞和/或機械壓力導致陽極與陰極之間的隔膜破裂，以及

4)有缺陷的電芯設計。

如果電池組中的一個電芯經歷熱失控，則所生成的熱傳播到鄰居電芯，鄰居電芯又經歷熱失控，從而導致災難性的熱事件鏈。例如，在鋰離子電池的熱失控期間，電芯的溫度可能會升高到1000℃以上，從而導致金屬熔化和熱金屬顆粒排放。由于ISC會帶來嚴重的安全風險，因此開發能夠在電池電芯中發生熱事件之前檢測ISC形成的早期階段的方法和系統非常重要。

發明內容

本發明提供了一種檢測電池電芯中的ISC的方法和系統，并且涉及使用熱力學和動力學數據來檢測電池電芯中的ISC。該方法應用于任何類型的電池，包括但不限于鋰離子電池電芯(LIB)、鎳鎘電芯(NiCd)、鎳氫電芯(NIMH)、鉛酸電池(LAB)、鋅空氣電芯、鋅二氧化錳電芯、氧化還原液流電池、鋰氧化錳電芯、鋰硫電芯和鋰空氣電芯。

本發明中的有用的熱力學數據包括但不限于開路電壓(OCV)、熵(ΔS)數據和焓(ΔH)數據及其組合。