评估二次电池的内部短路的方法
阅读说明：本技术 评估二次电池的内部短路的方法 (Method for evaluating internal short circuit of secondary battery ) 是由 尹瑞瑛 金炳秀 金周彬 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明的评估内部短路的方法将离子聚合物-金属复合物(IPMC)插入电池单体中；并且向与IPMC电连接的外部导线施加电压,以诱导借助于IPMC的弯曲变形导致的内部短路,由此评估内部短路是否发生。根据本发明的评估内部短路的方法将甚至在室温和低电压下也能够工作的IPMC插入电池中并定位,并且调节电压,由此具有如下优点：能够使短路在期望的位置、面积,在期望的时间段内发生。(The method for evaluating internal short circuit of the present invention inserts an ionic polymer-metal composite (IPMC) into a battery cell; and applying a voltage to an external wire electrically connected to the IPMC to induce an internal short circuit by means of bending deformation of the IPMC, thereby evaluating whether the internal short circuit occurs. The method of evaluating the internal short circuit according to the present invention inserts and positions IPMC capable of operating even at room temperature and low voltage into a battery, and adjusts the voltage, thereby having the following advantages: the short circuit can be caused to occur at a desired position, area, and within a desired period of time.)
技术领域
本申请要求基于2018年11月2日提交的韩国专利申请号10-2018-0133648的优先权的利益，并且该韩国专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
本发明涉及评估二次电池的内部短路的方法，更特别地，涉及如下评估方法：通过将电活性聚合物***电池中并诱导由于其结构变形而导致的内部短路，能够测定电池在各种状态和环境下的短路。
背景技术
随着由于化石燃料的耗尽导致的能源价格增加和对环境污染的关注的增加，对环境友好的替代性能源的需求成为对于未来生活必不可少的因素。特别地，随着对移动设备的技术开发和需求的增加，对作为能源的二次电池的需求快速增加。
通常，在电池的形状方面，对于能够应用于诸如厚度小的移动电话的产品的棱柱型二次电池和袋型二次电池的需求高。在材料方面，对具有高能量密度、放电电压和输出稳定性的诸如锂离子电池和锂离子聚合物电池的锂二次电池的需求高。
对二次电池的稳定性的关注正在升高。锂二次电池在具有优异的电性能的同时，具有安全性低的问题。例如，锂二次电池在诸如过充电、过放电、暴露于高温和电短路等异常工作条件下由于作为电池成分的活性材料和电解质的分解反应而产生热和气体，由此导致的高温高压条件进一步促进了分解反应，并且有时引起着火或***。
另外，非常重要的是甚至当在电池中发生内部短路时也确保稳定性，为此目的，重要的是当内部短路发生时正确地评估二次电池的稳定性。作为锂二次电池的电池稳定性的项目，关于评估在内部短路期间的产热行为的电池评估测试的细节在用于锂电池的UL标准(UL1642)、电池工业协会(Battery Industry Association)指南(SBAG1101-1997，锂二次电池稳定性评估标准指南(Lithium Secondary Battery Stability EvaluationCriteria Guidelines))等中解释。
常规地，在内部短路评估测试中，存在钉刺测试、挤压测试、形状记忆合金利用测试等。钉刺测试旨在通过将二次电池装载在能够测定二次电池的温度和电压的测试装置中，然后利用预先准备的具有各种直径的尖金属钉贯穿二次电池，从而有意地引起二次电池的内部短路，然后根据钉的直径和贯穿速度，测定二次电池的温度和电压变化，并目视确认二次电池是否着火。挤压测试是用于通过使用圆棒、方棒、平板使电池物理变形，引起正极板和负极板之间的内部短路，从而测定电池温度或电压的变化的测试。在使用形状记忆合金的内部短路测试的情况下，当在电池中安装形状记忆合金并加热至高于特定温度时，形状记忆合金的形状发生变化，物理地破坏绝缘层，以确定电池的内部短路是否发生。然而，在钉刺测试和挤压测试的情况下，当内部分隔件预先被贯穿时，由于在分隔件破损的部分中的化学反应而可能不发生期望的反应，并且在使用形状记忆合金的测试的情况下，存在如下局限：电池应被加热至高于特定温度，或应设置高温环境。
发明内容
技术问题
因此，设计本发明以解决上述问题，并且本发明的目的在于提供如下内部短路评估方法：通过在单体中***和定位离子聚合物-金属复合物(IPMC)而能够在常温、大气压下执行评估，能够在各种施加电压和环境中评估内部短路，而且能够在的期望位置、期望的面积大小、期望的时间段内尽可能根据评估者需要评估内部短路。
本发明的其他目的和优点可以通过以下描述理解，并且将通过本发明的实施方式更清楚地理解。还将容易理解的是，本发明的目的和优点可以通过在权利要求书中指示的手段及其组合来实现。
技术方案
本发明提供一种评估二次电池单体的内部短路的方法，所述二次电池单体具有其中正极/分隔件/负极的电极组件嵌入电池壳体中、且所述电极组件的电极极耳与电极引线结合并且以向外部突出的方式密封的结构，所述方法的特征在于：通过将离子聚合物-金属复合物(IPMC)***电池单体中；以及通过向与所述离子聚合物-金属复合物电连接的外部导体施加电压，来通过所述离子聚合物-金属复合物的弯曲变形诱导内部短路。
在本文中，离子聚合物-金属复合物(IPMC)可以由涂覆在聚合物电解质膜的两侧上的金属电极形成，并且聚合物电解质膜可以包括从由下列组成的组中选择的一种：磺化四氟乙烯，包括Nafion、Flemion和Aciplex；磺化苯乙烯类嵌段共聚物，包括磺化聚(苯乙烯-共-乙烯)(SPSE)；磺化苯乙烯类三嵌段共聚物，包括磺化聚(苯乙烯-b-乙烯-共-丁烯-b-苯乙烯)(SSEBS)；磺化苯乙烯类五嵌段共聚物(SSPB)；苯乙烯-马来酰亚胺交替共聚物与聚偏二氟乙烯(PVDF)的共混物(PMSI/PVDF)；和磺化聚(醚醚酮)与聚偏二氟乙烯(PVDF)的共混物(SPEEK/PVDF)。
同时，可以将从由蒙脱土(MMT)、二氧化硅、氧化铝、碳纳米管(CNT)、富勒烯(C60)和石墨烯组成的组中选择的一种与Nafion混合。
此外，金属电极可以为从由铂、金、钯和银组成的组中选择的一种。
根据本发明的另一个实施例，可以将离子聚合物-金属复合物***至分隔件和电极之间的至少一个位置处，从而通过使正极和负极通电来诱导内部短路。
根据本发明的另一个实施例，可以将离子聚合物-金属复合物***至分隔件和负极之间的至少一个位置处，从而通过使正极引线和负极通电来诱导内部短路。
根据本发明的另一个实施例，可以将所述离子聚合物-金属复合物***至分隔件和正极之间的至少一个位置处，从而通过使负极引线和正极通电来诱导内部短路。
此外，在评估内部短路的方法中，可以通过检测电压下降来检测内部短路的发生。
此外，电压的施加范围为0.01V至5.00V，更优选地为1V至1.23V。
另一方面，本发明提供一种电池，其特征在于，电极组件嵌入电池壳体中，所述电极组件包括包含正极或负极的两个以上单元电极，并且在分隔件***至所述单元电极之间的状态下卷绕，并且所述离子聚合物-金属复合物(IPMC)已***电池单体。所述电池单体可以为圆筒型、方型或袋型电池单体。
在本发明中，所述单元电极可以通过如下方式制造：将含有电极活性材料的电极混合物施涂在集电器上，然后干燥所述电极混合物。所述电极混合物可以还根据需要包括粘合剂、导电材料、填料等。
在本发明中，弱磁性和无磁性的金属超薄体二者可以用作集电器。正极集电器通常具有3微米至500微米的厚度。正极集电器没有特别限制，只要其具有高导电性而不在电池中引起化学变化即可。正极集电器的示例包括不锈钢，铝，镍，钛或表面经碳、镍、钛、银等处理过滤或不锈钢。集电器可以在其表面上具有微细不规则处以增加正极活性材料的粘附性，并且可具有诸如片、箔和网等各种形态。
负极集电器通常具有3微米至500微米的厚度。负极集电器没有特别限制，只要其具有导电性而不在电池中引起化学变化即可，其示例包括铜，不锈钢，铝，镍，钛，烧结炭，表面经碳、镍、钛、银等处理过的铜或不锈钢，铝-镉合金等。另外，与正极集电器一样，可以在表面上形成微细凹凸，以提高负极活性材料的粘合力，并且其可以以诸如片、箔和网等各种形式使用。
在本发明中，正极活性材料是能够引起电化学反应的材料，并且是锂过渡金属氧化物，并且含有两种以上过渡金属。其示例包括：诸如被一种以上过渡金属置换的锂钴氧化物(LiCoO2)和锂镍氧化物(LiNiO2)的层状化合物；被一种以上过渡金属置换的锂锰氧化物；由式LiNi1-yMyO2(其中M＝Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B、Cr、Zn或Ga并且含有上述元素中的至少一种，0.01≤y≤0.7)表示的锂镍氧化物；由式Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae(其中-0.5≤z≤0.5，0.1≤b≤0.8，0.1≤c≤0.8，0≤d≤0.2，0≤e≤0.2，b+c+d<1，M＝Al、Mg、Cr、Ti、Si或Y，且A＝F、P或Cl)表示的锂镍钴锰复合氧化物，诸如Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2、Li1+ zNi0.4Mn0.4Co0.2O2等；由式Li1+xM1-yM'yPO4-zXz(其中M＝过渡金属，优选Fe、Mn、Co或Ni，M'＝Al、Mg或Ti，X＝F、S或N，且-0.5≤x≤0.5，0≤y≤0.5，0≤z≤0.1)表示的橄榄石类锂金属磷酸盐。
负极活性材料的示例包括碳，诸如难石墨化碳和石墨碳；金属复合氧化物，诸如LixFe2O3(0≤x≤1)、LixWO2(0≤x≤1)、SnxMe1-xMe’yOz(Me：Mn、Fe、Pb、Ge；Me’：Al，B，P，Si，周期表的第1、2和3族，卤素；0<x≤1；1≤y≤3；1≤z≤8)；锂合金；硅合金；锡合金；金属氧化物，诸如SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4和Bi2O5；导电聚合物如聚乙炔；和Li-Co-Ni类材料。
基于包括正极活性材料的混合物的总重量通常以1重量％至30重量％的量添加导电材料。这样的导电材料没有特别限制，只要其具有导电性而不在电池中引起化学变化即可，并且其示例包括石墨，诸如天然石墨和人造石墨；炭黑，诸如炭黑、乙炔黑、科琴黑、槽法炭黑、炉黑、灯黑和夏黑；导电纤维，诸如碳纤维和金属纤维；金属粉末，诸如氟化碳、铝和镍粉末；导电晶须如氧化锌和碳酸钾；导电金属氧化物，诸如钛氧化物；和导电材料，诸如聚亚苯基衍生物等。
粘合剂作为有助于活性材料与导电材料之间的粘合以及对集电器的粘合的成分，基于含有正极活性材料的混合物的总重量，以1重量％至30重量％的量被添加。这样的粘合剂的示例包括聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPDM)、磺化EPDM、苯乙烯丁二烯橡胶、氟橡胶、各种共聚物等。
填料作为用于抑制电极膨胀的成分而任选地使用，并且没有特别限制，只要其是纤维状材料而不在电池中引起化学变化即可。填料的示例包括烯烃聚合物，诸如聚乙烯和聚丙烯；纤维状材料，诸如玻璃纤维和碳纤维。
诸如粘度调节剂、助粘剂的其他成分可以任选地或作为两种以上的组合而进一步被包括。粘度调节剂是调节电极混合物的粘度使得电极混合物的混合工序以及在其集电器上的涂覆工序可以变容易的成分，并且可以基于负极混合物的总重量添加至多达30重量％。这样的粘度调节剂的示例包括羧甲基纤维素、聚偏二氟乙烯等，但不限于此。在一些情况下，上述溶剂可以充当粘度调节剂。
助粘剂是为了改善活性材料对集电器的粘附性而添加的辅助成分，并且相对于粘合剂可以以小于10重量％的量添加，并且其一些示例包括草酸、己二酸、甲酸、丙烯酸衍生物、衣康酸衍生物等。
分隔件***至正极和负极之间，并且使用具有高离子渗透性和机械强度的绝缘薄膜。分隔件的孔径通常为0.01微米至10微米，厚度通常为5微米至300微米。这样的分隔件的示例包括耐化学性和疏水性的烯烃类聚合物，诸如聚丙烯；由玻璃纤维、聚乙烯等制成的片或无纺布。当诸如聚合物的固体电解质被用作电解质时，固体电解质也可以充当分隔件。
含锂盐非水电解液由电解质和锂盐组成。非水有机溶剂、有机固体电解质、无极固体电解质等被用作电解液。
非水有机溶剂的示例包括N-甲基-2-吡咯烷酮、碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、碳酸亚丁酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、γ-丁内酯、1,2-二甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、二甲基亚砜、1,3-二氧戊环、甲酰胺、二甲基甲酰胺、二氧戊环、乙腈、硝基甲烷、甲酸甲酯、乙酸甲酯、磷酸三酯、三甲氧基甲烷、二氧戊环衍生物、环丁砜、甲基环丁砜、1,3-二甲基-2-咪唑烷酮、碳酸亚丙酯衍生物、四氢呋喃衍生物、醚、焦磷酸甲酯、丙酸乙酯等。
有机固体电解质的示例包括聚合物电解质，诸如聚乙烯衍生物、聚环氧乙烷衍生物、聚环氧丙烷衍生物、磷酸酯聚合物、海藻酸盐赖氨酸(agitation lysine)、聚酯硫醚、聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯、包含离子解离基团的聚合剂等。
无机固体电解质的示例包括Li的氮化物、卤化物和硫酸盐，诸如Li3N、LiI、Li5NI2、Li3N-LiI-LiOH、LiSiO4、LiSiO4-LiI-LiOH、Li2SiS3、Li4SiO4、Li4SiO4-LiI-LiOH和Li3PO4-Li2S-SiS2。
锂盐是可溶于所述非水电解质中的物质。锂盐的示例包括LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、氯硼烷锂、低级脂族羧酸锂、4-苯基硼酸锂、亚氨基锂等。
出于改善充放电特性、阻燃性等目的，可以向电解质中添加吡啶、亚磷酸三乙酯、三乙醇胺、环醚、乙二胺、正乙二醇二甲醚、六甲基磷酰三胺、硝基苯衍生物、硫、醌亚胺染料、N-取代的噁唑烷酮、N,N-取代的咪唑烷、乙二醇二烷基醚、铵盐、吡咯、2-甲氧基乙醇、三氯化铝等。在一些情况下，可以进一步添加含诸如四氯化碳或三氟乙烯的卤素溶剂以赋予不燃性，或可以进一步添加二氧化碳气体以改善高温储存特性，并且可以进一步添加FEC(碳酸氟亚乙酯)、PRS(丙烯磺内酯)等。
在一个优选实例中，可以将诸如LiPF6、LiClO4、LiBF4和LiN(SO2CF3)2的锂盐添加到作为高介电溶剂的环状碳酸酯EC或PC和作为低粘度溶剂的线性碳酸酯DEC、DMC或EMC的混合溶剂中，从而制备含有锂盐的非水电解质。
有益效果
根据本发明的内部短路评估方法中，将即使在室温和低电压下也能够工作的离子聚合物-金属复合物(IPMC)***并定位，并且调节电压，从而能够实现期望的位置、面积、和时间的内部短路评估。
附图说明
图1为示意性示出其中根据本发明的离子聚合物-金属复合物(IPMC)被***并定位的圆筒状电池单体的结构的图。
图2为示意性示出其中根据本发明的离子聚合物-金属复合物被***的袋型电池单体的结构的图。
图3为示意性示出根据本发明的离子聚合物-金属复合物(IPMC)的形状和工作原理的图。
图4为示意性示出根据本发明的离子聚合物-金属复合物被安装在分隔件和电极之间的位置的图。
图5为示出由本发明的离子聚合物-金属复合物在分隔件和电极之间的弯曲变形引起的内部短路的示意图。
图6为示意性示出根据本发明的离子聚合物-金属复合物被安装在分隔件和负极之间的位置的图。
图7为示出由于本发明的离子聚合物-金属复合物的弯曲变形导致的负极和正极引线之间的接触引起的内部短路的示意图。
图8为示意性示出根据本发明的离子聚合物-金属复合物被安装在分隔件和正极之间的位置的图。
图9为示出由于本发明的离子聚合物-金属复合物的弯曲变形导致的正极和负极引线之间的接触引起的内部短路的示意图。
具体实施方式
本说明书和权利要求书中使用的术语和词语不应被解释为限于普通或词典的含义，并且发明人可以适当定义术语的概念以最好地描述其发明。术语或词语应解释为与本发明的技术思想一致的含义和概念。因此，本说明书描述的实施方式和附图中描述的构造仅是本发明的最优选实施方式，并不代表本发明的技术思想的全部。应理解，在提交本申请时可能存在代替它们的各种等价体和变体。
在本说明书中，当一部分“连接”至另一部分时，这不仅包括“直接连接”，还包括在其间具有其他元件的同时在所述部件之间“电连接”。
此外，在整个说明书中，除非另有特别说明，否则当提及一个元件“包括”一个元件时，应理解所述元件可以还包括其他元件。
如在整个本说明书中使用的，术语“约”、“实质上”等在提出固有的制造和材料容许误差时，用于指示数值或与该数值接近的含义，所述术语用于防止包括为了帮助理解本公开内容而提供的精确或绝对数值的公开内容被不道德的侵权者不当地利用。
在本说明书中，包含在马库什(Markush)形式的表述中的术语“其组合”是指选自由在马库什形式的表述中描述的要素组成的组中的一种以上的混合或组合，并且其是指包括选自由上述要素组成的组中的一种以上。
本发明提供一种评估二次电池单体的内部短路的方法，所述二次电池单体具有其中正极/分隔件/负极的电极组件嵌入电池壳体中、且所述电极组件的电极极耳与电极引线耦合并且以向外部突出的方式密封的结构，所述方法的特征在于，通过将离子聚合物-金属复合物(IPMC)***电池单体中；并且通过向与所述离子聚合物-金属复合物电连接的外部导体施加电压，来通过所述离子聚合物-金属复合物的弯曲变形诱导内部短路。
常规地，为了评估电池的内部短路，使用人为拆解电池并物理损坏分隔件等、或在电池内部安装形状记忆合金的方法。然而，存在的问题在于：由于在重新组装被物理损坏的电池的过程中由于被损坏部分的化学反应引起的副反应，实验结果的精确性降低，并且在使用形状记忆合金对此进行补偿的情况下，存在应将实验温度设定得高的问题。
因此，本发明使用电活性聚合物，具体地，使用离子聚合物-金属复合物(IPMC)，作为用于电池的内部短路评估的测试材料，从而其能够在常温和低电压下工作，能够小型化以便于操作。另外，通过调节施加的电压，可以根据使用者期望的位置、面积和时间进行短路评估。
通常，电活性聚合物(EAP)是当受到电刺激时发生机械变形的材料，同时是当机械变形时可以发出电信号的材料。具有与电活性聚合物的特性类似的特性的材料通常为形状记忆合金，但存在由于如下导致的局限：由于在通过加热达到特定温度以上的条件下发生变形，从而导致环境限制。相比之下，电活性聚合物具有相对高的变形程度，并且特征在于优异的韧性和快速响应。
电活性聚合物根据其驱动方式分类为由电场激活的电子电活性聚合物，和由离子传输激活的离子电活性聚合物。首先，电子EAP是通过由电场引起的库仑力而体积增加或减少的聚合物。其能够诱导相对大的力，具有优异的机械性能，并且在空气中在数秒内快速反应并工作。另外，利用串联电压能够长时间保持聚合物的变形状态。因此，其主要应用于工业和军事机器人。然而，其具有如下缺点：需要大于数百至数千伏的相对高的驱动电压，但变形程度不大。
另一方面，离子电活性聚合物能够在与电子电活性聚合物相比更高的位移和更低的电压下工作，并且它们的结构简单并且有利于小型化。因此，已经研究了对于小型化机器人部件和仿生人造肌肉的应用。
离子电活性聚合物的一些示例包括离子聚合物凝胶、导电聚合物、离子聚合物-金属复合物(IPMC)和碳纳米管(CNT)。具体地，由于聚合物经由交联反应而形成网，离子聚合物凝胶具有弹性模量，使得离子聚合物凝胶保持其形状，同时根据诸如温度、溶剂、pH和电场的外部环境条件，溶胀的材料的性能改变并发生变形。代表示例包括聚丙烯酸、聚丙烯腈等。导电聚合物(CP)主要由于氧化还原期间离子的移动导致的体积变化而发生变形，并且其代表性示例包括具吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)和聚噻吩(PTh)。离子聚合物-金属复合物(IPMC)是当施加低电场时显示出大的弯曲应变的代表性的离子电活性聚合物。离子聚合物-金属复合物通常具有其中金属电极定位于聚合物电解质膜的两侧的结构。其典型示例为具有涂覆在Nafion聚合物膜上的铂电极的IPMC，并且Nafion是化学上非常稳定的并且在交流电压和直流电压两者中都显示出较大的变形。
在本发明中，优选使用电活性聚合物，具体地，使用离子聚合物-金属复合物(IPMC)，作为用于诱导电池的内部短路材料。IPMC在小型化方面是有利的，并且具有甚至当被施加低电场时也显示出较大的弯曲变形的特征。
在下文中，将参考附图描述根据本发明的实施方式的评估二次电池的内部短路的方法。
首先，图3为示意性示出根据本发明的离子聚合物-金属复合物(IPMC)的形状和工作原理的图。
通常，离子聚合物-金属复合物(IPMC)由聚合物电解质膜(或离子交换膜)320和镀敷在膜的两个表面上的金属电极310构成，如图3的300a中所示。根据制造技术，这些层的数目、厚度等可以变化。聚合物电解质膜320为由阳离子和阴离子构成的聚合物膜，并且包括其中阳离子移动的阳离子交换膜和其中阴离子移动的阴离子交换膜。其中阳离子移动的阳离子交换膜通常用于IPMC，并且在通过用诸如蒸馏水的内部溶剂浸渍而将阳离子水合的状态下使用。典型的阳离子交换膜由Nafion构成，所述Nafion为杜邦公司开发的聚合物，具有其中砜基团化学键合至氟类聚合物的主链、并且氢离子能够自由移动的结构。
在本发明中，金属电极通常为通过无电镀敷沉积在聚合物电解质膜上的贵金属。
在本发明中，优选使用铂作为金属电极的材料。
另一方面，随着IPMC的长度增加，弯曲变形的效果增加，由此分隔件的损坏面积也增加，从而能够调节损坏面积。
具体地，参考图3的300a，在电场或电压施加前，水合阳离子321在整个聚合物电解质膜320中均匀分布。
图3的300b示出当施加电压时IPMC的弯曲变形。参考此，当为了驱动IPMC而连接正极并施加0.01V至5.00V的电压时，发生其中带正电的电极在连接方向上弯曲的弯曲。该驱动原理如下。当电压施加至IPMC时，其中存在的阳离子以在水中水合的阳离子321的状态向带负电的IPMC的电极方向移动，由此产生的离子浓度的不平衡导致渗透压，并且向电极的方向移动的水分子322的量也增加。因此，随着带负电的电极侧膨胀并且带正电的电极侧收缩，发生弯曲变形。
在本发明中，电压的施加范围为0.01V至5.00V，优选1.00V至1.23V。当施加的电压小于0.01V时，存在由于由足够的电压施加引起的弯曲变形不发生而不能进行内部短路评估的问题，并且当该电压高于5V时，存在作为电活性聚合物的IPMC发生变形或分解反应的问题。
另一方面，IPMC的总厚度优选为1μm至100μm。如果该厚度小于1μm，存在由于由弯曲变形导致的分隔件损坏的程度不充分而内部短路不发生的问题，并且如果该厚度超过100μm，存在由于较大的厚度而不易***电池中的问题。
在本发明中，IPMC的两个铂电极与连接至外部的外部导体连接，并且通过经由外部导体施加电压导致的弯曲变形执行内部短路评估。
IPMC的性能可以根据诸如聚合物电解质膜的材料、金属电极、电解质与电极之间的界面、内部溶液、所施加电压和频率等因素而变化。
在本发明中，聚合物电解质膜可以包含从由下列组成的组中选择的一种：
磺化四氟乙烯，包括Nafion、Flemion和Aciplex；
磺化苯乙烯类嵌段共聚物，包括磺化聚(苯乙烯-共-乙烯)(SPSE)；
磺化苯乙烯类三嵌段共聚物，包括磺化聚(苯乙烯-b-乙烯-共-丁烯-b-苯乙烯)(SSEBS)；
磺化苯乙烯类五嵌段共聚物(SSPB)；
苯乙烯-马来酰亚胺交替共聚物与聚偏二氟乙烯(PVDF)的共混物(PMSI/PVDF)；和
磺化聚(醚醚酮)与聚偏二氟乙烯(PVDF)的共混物(SPEEK/PVDF)。
最优选地，使用Nafion。
首先，Nafion、Flemion和Aciplex均为磺化四氟乙烯，其结构如下。
(杜邦公司)m>1，n＝2，x＝5～13.5，y＝1
(朝日化学公司)m＝0.3，n＝2～5，x＝1.5～14
Nafion由于具有独特的化学结构，高离子传导性，优异的热、化学、机械稳定性，因此是最期望的。Flemion和Aciplex具有与Nafion类似的结构。
另一方面，当使用Nafion作为聚合物电解质膜时，可进一步包括从由蒙脱土(MMT)、二氧化硅、氧化铝、碳纳米管(CNT)、富勒烯(C60)和石墨烯组成的组中选择的一种。
另外，聚合物电解质膜可以包括水或离子液体。离子液体是在室温下以液态存在的盐并且具有低挥发性、类似水的粘度和高传导性。
另一方面，优选使用从由钯、银、金和铂组成的组中选择的一种作为沉积在聚合物电解质膜上金属电极。最优选地，期望沉积铂。将铂电极沉积在聚合物电解质膜上以保护其免受酸和腐蚀性环境的影响。
作为在聚合物电解质膜上沉积金属电极的方法，存在机械压缩、电化学和化学沉积方法。通常，优选使用无电镀敷方法。
金属电极是昂贵的，并且由于镀敷方法的复杂性，也可以使用诸如碳纳米管的导电聚合物作为电极来代替金属电极。
在本发明中，圆筒型或袋型电池单体可以用作其中IPMC被安装并定位的二次电池单体，但不限于此。
图1为示意性示出其中根据本发明的离子聚合物-金属复合物能够被***的典型圆筒电池单体的结构的图。
参考图1，在圆筒状电池单体100中，卷芯(jelly-roll)型(卷绕型)电极组件110被容纳在圆筒状罐120的收容部中，电解质被注入所述收容部中，使得电极组件110被完全浸没在圆筒状罐120中，并且盖组件132被安装并结合至所述圆筒状罐120的开放上端。
电极组件110具有其中正极113、分隔件112和负极111被依次堆叠并卷绕为圆形，并且圆筒状中心销(未示出)可以被***电极组件110的中心中的结构。中心销通常由金属材料制成以赋予预定强度，并且具有其中板被弯成圆形的中空圆筒状结构。在一些情况下，在将电极组件110的电极焊接至圆筒状罐120或盖组件132后，可以除去中心销。
盖组件132具有如下结构：其中在圆筒状罐120的卷曲部和卷边部140的上部内表面上安装的密闭衬垫的内部处，上部盖131和内部压降安全孔彼此紧密接触，上部盖131向上突出并充当正极，并且沿着突出部周边可以形成有罐内部的气体可以通过其排出的多个贯穿孔。另外，在电极组件110的中心处，正极极耳从绝缘板向上部轴方向突出，从而电连接至盖组件132的上部盖131，以施加电流。此外，安全孔134为电流可流过其的薄膜结构，并且其中心部凹陷以形成凹入的中心部，在中心部的上弯曲部和下弯曲部处形成有达到深度的2个凹口。
绝缘板133安装在电极组件110的上表面上以防止与电极引线的接触，从而防止由于电极组件110与电极引线的接触导致的短路。
圆筒状罐120可以由金属制成，优选由不锈钢制成。另外，圆筒状罐120可以包含其中电极组件110可以被容纳的收容单元，并且上端部可以是开放的。
另一方面，电极组件110的正极极耳从绝缘板133在上部轴方向上突出，并通过点焊与盖组件的上部盖耦合，并且可以电连接以实现通电。另外，电极组件的负极极耳可以点焊至圆筒状罐的下部内表面，并且电连接以施加电流。
图2为示意性示出其中根据本发明的离子聚合物-金属复合物被***的袋型电池单体的结构的图。
袋型电池单体200包括电极和其中分隔件213交替堆叠的电极组件210，电极包括在电极活性材料以网格形式填充的状态下的正极板211和负极板212，在分隔件213中浸渍置于正极板211和负极板212之间的电解质。在此情况下，正极极耳260形成在正极板211的一侧处，负极极耳(未示出)形成在负极板212的一侧处，并且正极极耳260和负极极耳以一定间隔并排布置。极耳通过分别连接至正极引线250和负极引线(未示出)连接至外部电路。电极组件210、正极引线250和负极引线通过袋240密封，所述袋240为其中形成有罩壳的电池壳体。另外，绝缘膜可以附着至正极引线和负极引线上部和下部，以增加与袋的密封程度并且确保电绝缘状态。袋240具有其中热粘附材料被堆叠在铝薄膜的上表面和下表面上的形式，并且通过热粘附材料的彼此粘合，将袋240的内部密封。在该情况下，为了电极组件210的与外部的电连接，在正极引线250和负极引线的一部分暴露于外部的状态下，通过袋240进行密封。
电池壳体通常由铝层压片制成，提供用于容纳电极组件的空间，并且整体上具有袋形状。袋型电池单体可以通过如下方式制造：将电极组件嵌入电池壳体的收容部中，注入电解质，并且将电池壳体的上部层压片和下部层压片在其上彼此接触的外周表面进行热熔接。
更详细地观察层压片结构的电池壳体，其由用于密封的内部密封剂层、用于防止材料的渗透的金属层、和形成壳最外层的外部树脂层组成。其中，内部密封剂层在电极组件被嵌入的状态下，通过施加热和压力而彼此热熔接，并且用于提供密封性，并且主要由CPP(未拉伸聚丙烯膜)构成。金属层用于防止空气、水分等流入电池中，并且主要使用铝(Al)。另外，由于外部树脂层用于保护电池免受外部影响，因此需要优异的相对于厚度的拉伸强度和耐候性，并且经常使用ONy(拉伸尼龙膜)。
接下来，将描述在电池内安装根据本发明的IPMC的方法。
图4为示意性示出根据本发明实施方式离子聚合物-金属复合物(IPMC)被安装在分隔件和电极之间——即，被安装在在分隔件和正极之间或分隔件和负极之间——的图。在本发明中，作为电活性聚合物的离子聚合物-金属复合物(IPMC)被***至分隔件和电极之间的一个以上位置处，以通过向正极和负极施加电流来诱导内部短路。
参考图4，IPMC 414在连接至暴露于电池外部的外部导体415的同时***袋型电池单体400的正极411和分隔件413之间。IPMC与正极的一个表面和分隔件的一个表面接触，并且可以代替正极被***并定位在负极412和分隔件413之间。IPMC可以安装在正极和分隔件之间或负极和分隔件之间的空间中的一个以上位置处，并且对安装数目没有特别限制。
位于含有Nafion的聚合物电解质膜的两侧上的铂电极优选被用作IPMC。
IPMC通常具有不与外部导体连接并且通常垂直于长度方向的端部。然而，IPMC可以具有尖的端部从而在施加电压时易于穿透分隔件。如果通过由于电压施加的IPMC的弯曲而使分隔件的一侧被损坏，则由于在分隔件的背侧与电极接触而可能发生内部短路。这容易地损坏分隔件，IPMC的端部的形状没有特别限制，只要其能够在分隔件的背侧与电极接触即可。
另外，当通过外部导体施加电压时，IPMC向正电压被施加至的铂电极弯曲。因此，优选向与IPMC的分隔件接触的铂电极连接的外部导体施加正电压。这是因为，在正电压施加至的铂电极不是分隔件侧而是正极或负极侧的铂电极的情况下，即使发生弯曲，也不发生本发明中期望的内部短路。
图5为示出由于作为电活性聚合物的IPMC在分隔件和电极之间的弯曲变形引起的内部短路的示意图。参考图5，可以看出在如图4中所示安装IPMC之后，由于弯曲变形而发生内部短路。
具体地，与外部导体515连接的IPMC 514安装在正极511和分隔件513之间，通过向外部导体515施加电压而产生IPMC 514的弯曲。在此，通过向与分隔件513接触的IPMC 514的铂电极连接的外部导体515施加电压，IPMC 514朝向分隔件513弯曲，结果分隔件513撕裂。IPMC 514贯穿撕裂的分隔件513并且越过分隔件与负极512接触。结果，IPMC的一个表面与正极511接触，并且另一侧与负极512接触，从而发生通电并且发生内部短路。
根据本发明的另一实施方式，IPMC可安装在分隔件和负极之间。
图6为示意性示出根据本发明的离子聚合物-金属复合物被安装在分隔件和负极之间的位置的图。在本发明中，长的电活性聚合物IPMC被***至分隔件和负极之间的一个以上位置处，以通过使负极和正极引线通电，诱导内部短路。
参考图6，具有较长长度的IPMC 614位于负极612的一个表面和分隔件613之间。在正极611中，正极极耳616汇集并焊接至正极引线650的一个表面。在此情况下，正极极耳616和IPMC 614彼此不重叠并且彼此不接触。即，IPMC的另一端不接触正极极耳和正极引线。
IPMC 614连接至暴露于电池的外部的外部导体615，并且当向外部导体施加电压时，向正电压施加至的铂电极的方向发生弯曲。具体地，向与IPMC的铂电极连接的外部导体615施加正电压。IPMC的弯曲在施加正电压的方向上形成，并且正电压的施加方向被设置为朝向正极引线650的方向。当正电压的施加方向被设置为不是朝向正极引线650的方向而是朝向电池壳体640的方向时，IPMC朝向电池壳体弯曲，从而不发生本发明中期望的内部短路。
图7为示出由于本发明的离子聚合物-金属复合物的弯曲变形导致的负极和正极引线之间的接触引起的内部短路的示意图。参考图7，可以看出，在如图6中所示安装IPMC之后，由于弯曲变形而发生内部短路。
具体地，与外部导体715连接的IPMC 714被布置在负极712和分隔件713之间，通过向外部导体715施加电压而发生IPMC 714的弯曲。通过施加电压使得正电荷流向与IPMC714的朝向正极引线750的铂电极连接的外部引线715，长的拉伸IPMC 714朝向正极引线750弯曲。
在本发明中，IPMC 714的长度足够长，以能够通过弯曲而接触电极引线，从而使电极和电极引线通电。
详细而言，在图7中，IPMC 714通过弯曲与正极引线750接触，结果，随着负极712和正极引线750通过IPMC彼此接触而实现通电，这导致内部短路。
根据本发明的另一实施方式，IPMC可以安装在分隔件和正极之间。
图8示意性示出根据本发明的离子聚合物-金属复合物被安装在分隔件和正极之间。在本发明中，长的电活性聚合物IPMC被***至分隔件和正极之间的一个以上位置处，以通过使正极和负极引线通电诱导内部短路。
参考图8，具有较长长度的IPMC 814位于正极811的一个表面和分隔件813之间。在负极812中，负极极耳816汇集并焊接至负极引线850的一个表面。在此情况下，负极极耳816和IPMC 814彼此不重叠并且彼此不接触。即，IPMC的另一端不接触负极极耳和负极引线。
IPMC 814连接至暴露于电池的外部的外部导体815，当向外部导体施加电压时，在正电压施加至的铂电极的方向上发生弯曲。具体地，向与IPMC的铂电极连接的外部导体815施加正电压。IPMC的弯曲在施加正电压的方向上形成，并且正电压的施加方向被设置为朝向负极引线850的方向。当正电压的施加方向被设置为不是朝向负极引线850的方向而是朝向电池壳体840的方向时，IPMC朝向电池壳体弯曲，从而不发生本发明中期望的内部短路。
图9为示出由于本发明的离子聚合物-金属复合物的弯曲变形导致的正极和负极引线之间的接触引起的内部短路的示意图。参考图8，可以看出，在如图8中所示安装IPMC之后，由于弯曲变形而发生内部短路。
具体地，与外部导体915连接的IPMC 914被安装在正极911和分隔件913之间，通过向外部导体915施加电压而发生IPMC 914的弯曲。通过施加电压使得正电荷流向与IPMC914的朝向负极引线950的铂电极连接的外部引线915，长的拉伸IPMC 914朝向负极引线950弯曲。
在本发明中，IPMC 914的长度足够长，以能够通过弯曲而接触电极引线，从而使电极和电极引线通电。
详细而言，在图9中，IPMC 914通过弯曲与负极引线950接触，结果，随着正极911和负极引线950通过IPMC彼此接触而实现通电，这导致内部短路。
根据本发明的内部短路评估方法包括：准备与暴露于电池单体的外部的外部导体连接的离子聚合物-金属复合物(IPMC)的步骤；将所述离子聚合物-金属复合物在所述单体中安装并定位的步骤；向与所述离子聚合物-金属复合物(IPMC)连接的外部导体施加电压的步骤；和通过测定电池单体的电压评估内部短路的步骤。
当电压被施加至本发明的离子聚合物-金属复合物时，发生弯曲变形以诱导通电，从而降低电池单体电压。通过与内部短路发生前相比内部短路发生后的电压之差(电压下降幅度)，能够确定内部短路的发生。电池单体的电压下降能使用电压计测定，并且作为能够测定电池内的压力的装置，没有特别限定。
在本发明中，IPMC被用作电活性聚合物，但不限于此。
在本发明中，可以在室温和常压下评估内部短路，并且通过利用电压控制IPMC，存在内外部环境的影响不显著的优点。
另外，可以根据所使用的电活性聚合物调节合适的电压范围。
随着IPMC的长度增加，弯曲程度增加，从而分隔件的损坏面积倾向于增加，使得可以调节期望的损坏面积。另外，由于施加了对应于实验者期望的短路时间的电压而发生内部短路，导致根据期望的位置、面积和时间进行内部短路评估这一优点。
符号说明
100：电池单体 110：电极组件
111：负极 112：分隔件
113：正极 120：圆筒状罐
131：上部盖 132：盖组件
133：绝缘板 134：安全孔
140：卷曲部和卷边部 200：袋型电池单体
210：电极组件 211：正极板
212：负极板 213：分隔件
240：袋 250：正极引线
260：正极极耳 270：绝缘膜
300、300a、300b：IPMC 310：金属电极
320：聚合物电解质膜 321：阳离子
322：水分子 400：袋型电池单体
411：正极 412：负极
413：分隔件 414：IPMC
415：外部导体 440：电池壳体
500：电池单体 511：正极
512：负极 513：分隔件
514：IPMC 515：外部导体
600：电池单体 611：正极
612：负极 613：分隔件
614：IPMC 615：外部导体
616：正极极耳 640：电池壳体
650：正极引线
700：电池单体 711：正极
712：负极 713：分隔件
714：IPMC 715：外部导体
716：正极极耳 740：电池壳体
750：正极引线
800：电池单体 811：正极
812：负极 813：分隔件
814：IPMC 815：外部导体
816：负极极耳 840：电池壳体
850：负极引线
900：电池单体 911：正极
912：负极 913：分隔件
914：IPMC 915：外部导体
916：负极极耳 940：电池壳体
950：负极引线
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：锂离子二次电池的控制装置以及其控制方法