[发明专利]检测电池中的内部短路(ISC)的方法和系统及实现这种ISC检测方法的电池电芯

说明书

一种用于根据对关于电化学电芯的热力学数据和动力学数据进行在线测量和处理来检测所述电化学电芯内的内部短路(ISC)的方法。所述热力学数据包括开路电压(OCV)数据、熵变(ΔS)数据和/或焓变(ΔH)数据及其组合。动力学数据包括电池的电压、电池的温度、电池的内阻和电流及其组合。

本专利申请要求于2018年5月28日提交的新加坡专利申请No.10201804493S的优先权。

技术领域

本发明涉及用于检测电池中的内部短路(ISC)的方法。本发明还涉及实现所述检测方法的系统和电池电芯。

背景技术

电池电芯由阳极(负极)、阴极(正极)、电解质和隔膜等组成。在诸如仅对一次电池(一次性)进行放电和对二次(可再充电)电池进行充放电之类的正常操作期间，离子和电子同时流动。离子由于电解质而在阳极与阴极之间在电芯内部流动，而电子在放电期间从电芯向外流入负载(诸如手机)并在充电期间流入充电器。

在电池内部在阳极与阴极之间不应有电子流动。由于这个原因，在阳极与阴极之间使用隔膜以避免阳极与阴极之间的任何物理接触。如果电子在电芯内部流动，则这导致电芯自放电和容量损失，这是不期望的。

当阳极和阴极在电芯内部与彼此直接电接触时，在电池电芯中发生内部短路(ISC)。

由于阳极与阴极之间存在电压差ΔV(以伏特(V)为单位)，所以阳极与阴极之间的电接触将生成电流I(以安培(A)为单位)，通常称为ISC电流或内部泄漏电流。

ISC在阳极与阴极之间具有欧姆电阻R(以欧姆(Ω)为单位)。

阳极与阴极之间的电流流动由欧姆定律给出：ΔV＝RI(1)。

在等式(1)中，ΔV和R随时间变化，并且ISC电流I也随时间变化。

当电流I流入电阻R时，将根据焦耳定律生成热功率：P(W)＝R.I²(2)。

因为由于ISC生成的内部热，局部温度可能会升高，最终触发电芯中的热事件，诸如热失控。

因此，ISC引起了电池电芯中的安全问题。

ISC被认为是电池热事件(诸如热失控、放气(gassing)、火灾和爆炸)的主要原因之一。

电池电芯中发生ISC的主要原因是：

1)阳极表面上的金属枝晶生长，金属枝晶最终越过隔膜，导致短路。已经针对基于Li和Zn化学性质的阳极报道了枝晶生长，

2)由于制造缺陷、电极崩解和溶解/沉淀过程而产生的电芯中的金属和其它导电材料颗粒，

3)由于电芯内的疲劳和/或机械压力导致阳极与阴极之间的隔膜破裂，以及

4)有缺陷的电芯设计。

如果电池组中的一个电芯经历热失控，则所生成的热传播到邻居电芯，邻居电芯又经历热失控，从而导致灾难性的热事件链。例如，在锂离子电池的热失控期间，电芯的温度可能会升高到1000℃以上，从而导致金属熔化和热金属颗粒排放。由于ISC会带来严重的安全风险，因此开发能够在电池电芯中发生热事件之前检测ISC形成的早期阶段的方法和系统非常重要。

发明内容

本发明提供了一种检测电池电芯中的ISC的方法和系统，并且涉及使用热力学和动力学数据来检测电池电芯中的ISC。该方法应用于任何类型的电池，包括但不限于锂离子电池电芯(LIB)、镍镉电芯(NiCd)、镍氢电芯(NIMH)、铅酸电池(LAB)、锌空气电芯、锌二氧化锰电芯、氧化还原液流电池、锂氧化锰电芯、锂硫电芯和锂空气电芯。

本发明中的有用的热力学数据包括但不限于开路电压(OCV)、熵(ΔS)数据和焓(ΔH)数据及其组合。