CN101281984A - 锂离子电池内部压力检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池内部压力检测方法及装置，其特征在于是根据玻意耳定律设定公式：P₀×V₀＝P₁×(V₀+ΔV)，温度为常量；其中：P₀－电池内部气体压力，V₀－电池内部气体在P₀压力下的体积，P₁－大气压，ΔV－在大气压下电池内部气体体积的变化量；具体检测步骤：1.测定电池内部气体体积的变化量ΔV；2.测定电池内部气体体积V₀；3.算出电池内部气体压力P₀；检测ΔV的装置是由带电池夹具的放气管道，输气管，带刻度玻璃量管，三阀洗耳球，水槽及铁架台构成。本发明的有益效果：实现对锂离子电池内部压力实时、有效及精确的测量，指导对电池本体结构及安全阀设计的改进，对消除安全隐患起到重要保证作用。

Description

锂离子电池内部压力检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池性能检测方法及装置，尤其涉及一种锂离子电池内部压力检测方法及装置。

背景技术

随着锂离子电池的广泛应用，其安全性越来越受到人们的重视，锂离子电池是一个密闭的反应容器，在其加工、性能检测及使用过程中的不同环境下由于内部化学或物理作用而产生气体，气体的积聚会引发电池内压升高，因此要求安全阀的极限压力设计必须在安全范围内，极限压力值过高则电池内部气体不能及时排出而导致电池爆炸，造成安全事故，过低则又会导致电池过早失效，降低使用寿命。因此，精确测量电池内部压力非常必要。尤其目前人们模拟了电池在各种使用状态下，围绕温度变化进行了一系列安全检测，如热箱、过充、针刺、短路、挤压等，在验证电池安全性能方面起着重要作用，但这些检测重点监控了电池温度变化，而对于电池内部压力的检测却少有精密有效的方法，公开号为CN1976109A的中国专利申请“锂离子电池内部压力测定方法”公开的方法是在电池卷绕过程中加入压感纸，然后解剖电池取出压感纸，将压感纸的颜色与常规标准比色卡进行对比，从而得知电池内各部位的压力及分布状况。尽管能获得有关电池内部压力的信息，但该方法只能定性分析并且存在滞后性；目前，锂离子电池内部压力的大小依旧只能从电池安全阀有无打开来判断，存在滞后性和不够精确性。因此，实时了解电池内部压力变化，尤其对离子电池在化成、后处理、老化、高温存储及各种滥用测试过程中电池内部压力监控，提供电池安全指示已成为行业关注问题。

发明内容

本发明的主要目的在于针对上述问题，提供一种锂离子电池内部压力检测方法及装置，从而实现对锂离子电池内部压力的实时、有效、精确的监测，对改进电池设计，消除安全隐患起到重要保证作用。

本发明的检测原理是根据玻意耳定律，该定律的具体内容是：在恒温时，一定质量的气体压力与其体积成反比关系，即压力乘以体积等于常数，公式为：P₁V₁＝P₂V₂。此表示一定质量的气体压力增加时，则会造成其体积的缩小。反之，当一定质量的气体压力减少时，则会造成其体积的增加。

根据上述原理，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种锂离子电池内部压力检测方法，其特征在于是根据玻意耳定律设定公式：P₀×V₀＝P₁×(V₀+ΔV)，温度为常量；其中：P₀—电池内部气体压力，V₀—电池内部气体在P₀压力下的体积，P₁—大气压，ΔV—电池内部气体在大气压下体积的变化量，通过检测ΔV、V₀计算出P₀；具体检测步骤如下：

(1).测定电池内部气体体积的变化量ΔV，通过在电池底部钻出直径为1-2mm的小孔，将电池内部气体经密封气道排入处于大气压下的带刻度量管的液体中，持续15-30s，直至气体排放停止，此步骤中，根据液面读取并记录量管在通入气体前后的读数V1、V2，ΔV＝V2-V1；

(2).测定电池内部气体体积V₀，称取由步骤(1)得到的停止排气的电池的重量，精确到0.001g，记录为W₀；然后，将整个电池浸入密度为ρ的电解液中，使其淹没在液面下2-4cm；将电解液的环境抽真空，使电池内的所有气隙的气体排出并填充入电解液，最后，从电解液中取出电池将其外表面的电解液清除干净，再次称取电池重量，精确到0.001g，记录为W₁；计算电池内部气体体积V₀＝(W₁-W₀)/ρ；

(3).根据上述公式P₀×V₀＝P₁×(V₀+ΔV)，将大气压值及分别由步骤(1)、(2)得到的ΔV值和V₀值代入，即可算出电池内部气体压力P₀。

一种实现上述检测方法中检测电池内部气体体积变化量ΔV的检测装置，其特征在于是由带电池夹具的放气管道、输气管、带刻度的玻璃量管、三阀洗耳球、水槽及铁架台构成；玻璃量管竖直固定在铁架台上，其下端插入水槽的水中、上端与三阀洗耳球连接；输气管一端插入玻璃量管下端口、另一端套装在放气管道的出气口上，放气管道的进气口通过电池夹具通至电池，上述连接均为气密封连接。

所述的带电池夹具的放气管道是由放气管道与电池夹具构成，所述的放气管道主要包括管道体、旋转手柄及针头，管道体底部设有进气口、侧面设有出气口、顶部设置与管道体螺纹连接的旋转手柄，在旋转手柄的下端固定连接随其上下移动的伸入进气口的针头；电池夹具由夹紧电池的平行上、下夹板，紧固两夹板的螺杆及开有中心过气孔的密封垫构成，管道体以其进气口对准上夹板上开设的过气孔气密封固定连接在上夹板上，密封垫以其中心过气孔对准上夹板的过气孔固定设置在上夹板底面。

所述的针头直径为1-2mm。

本发明的有益效果是：采用本发明提供的根据玻意耳定律的原理对锂离子电池内部压力检测的方法及检测电池内部气体体积变化量ΔV的检测装置，并配合真空箱、烧杯等常规实验器具及电解液实现了对锂离子电池内部压力的实时、有效、精确的监测，对了解电池内部机理，改进电池本体结构及安全阀设计起到直接指导作用，为消除安全隐患起到重要保证；尤其提供的ΔV检测装置结构简单，操作方便，易于制作，适宜在锂离子电池制造业推广。

附图说明

图1是本发明中电池内部气体体积变化量ΔV检测装置的结构及应用示意图；

图2是图1中带电池夹具的放气管道的放大结构及应用示意图。

图中：1带电池夹具的放气管道，1-1旋转手柄，1-2针头，1-3管道体，1-4放气管道进气口，1-5上夹板过气孔，1-6上夹板，1-7密封垫，1-8密封垫的中心过气孔，1-9螺杆，1-10放气管道出气口，2输气管，3水槽，4水柱，5玻璃量管，6铁架台，7三阀洗耳球，7-1气囊，7-2A阀，7-3S阀，7-4E阀，8电池。

以下结合附图和较佳实施例对本发明提供的方法、装置及相互结合的具体应用详细说明。

具体实施方式

本发明提供出一种锂离子电池内部压力检测方法，其特征在于是根据玻意耳定律设定公式：P₀×V₀＝P₁×(V₀+ΔV)，温度为常量；其中：P₀—电池内部气体压力，V₀—电池内部气体在P₀压力下的体积，P₁—大气压，ΔV—电池内部气体在大气压下体积的变化量，这里，V₀+ΔV即为电池内部气体在大气压P₁下的体积，通过检测ΔV、V₀计算出P₀；

如图1～图2所示，本发明还提供出实现检测电池内部气体体积变化量ΔV的检测装置，其特征在于是由带电池夹具的放气管道1、输气管2、带刻度的玻璃量管5、三阀洗耳球7、水槽3及铁架台6构成；玻璃量管5竖直固定在铁架台6上，其下端插入水槽3的水中、上端与三阀洗耳球7连接；输气管2一端插入玻璃量管5下端口、另一端套装在放气管道的出气口1-10上，放气管道的进气口1-4通过电池夹具通至电池8，上述连接均为气密封连接。上述输气管2采用乳胶管，带刻度的玻璃量管5采用刻度范围为10-20ml的两端开口的玻璃直管，乳胶管、玻璃量管及带玻璃阀的三阀洗耳球均为市售产品。上述的带电池夹具的放气管道1是由放气管道与电池夹具构成，所述的放气管道主要包括管道体1-3、旋转手柄1-1及针头1-2，针头直径为1-2mm，管道体底部设有进气口1-4、侧面设有出气口1-10、顶部设置与管道体螺纹连接的旋转手柄1-1，在旋转手柄1-1的下端固定连接随其上下移动的伸入进气口的针头1-2；电池夹具由夹紧电池的平行上、下夹板1-6、1-6′，紧固两夹板的螺杆1-9及开有中心过气孔1-8的密封垫1-7构成，管道体1-3以其进气口1-4对准上夹板1-6上开设的过气孔1-5气密封固定连接在上夹板上，密封垫1-7以其中心过气孔1-8对准上夹板的过气孔1-5固定设置在上夹板1-6底面；这里密封垫采用橡胶密封垫。

下面结合上述装置具体阐述本发明提供的锂离子电池内部压力检测方法的具体检测步骤：

(1).测定电池内部气体体积的变化量ΔV：

(1.1)先转动放气管道的旋转手柄1-1，使与其固定连接的针头1-2伸入密封垫1-7的中心过气孔1-8的内部1-2mm；将适量的硅树脂胶涂抹在电池8底部，将电池置于上夹板1-6的密封垫1-7与下夹板1-6′之间，拧紧固定上、下夹板的螺杆1-9，使电池8紧紧地固定在夹具上，使其底部和密封垫1-7之间充分密封；

(1.2)将带刻度的两端开口的玻璃量管5固定在铁架台6上，向水槽3中添加足量的水，使玻璃量管5的下端口在水面以下1cm处；将三阀洗耳球7密封套装在玻璃量管5的上端口，用手打开三阀洗耳球的A阀7-2，将气囊7-1中的空气挤压排空，然后关闭A阀，打开S阀7-3使玻璃量管5的水面上升到一定的刻度V1，如图1中的水柱4所示，关闭S阀确保玻璃量管5内液面处于稳定的水平状态；E阀7-4处于关闭状态。此时玻璃量管5的底部内外压力平衡在大气压下，将输气管2一端插入玻璃量管5的下端口、另一端套装在放气管道的出气口1-10上，并确保连接处的密封性，记录玻璃量管的读数V1；

(1.3)先顺时针转动旋转手柄1-1，使针头1-2下行，在电池底部钻出一个直径为1-2mm的小孔，然后慢慢逆时针转动旋转手柄后退，这时电池内部气体开始排出，通过放气管道由输气管2输至玻璃量管5底部，并推动玻璃量管5中的水面上升，持续15-30s，液面稳定不再上升，记录玻璃量管的读数V2；

(1.4)计算ΔV＝V2-V1；

(2).测定电池内部气体体积V₀：

(2.1)将由步骤(1)得到的停止排气的电池小孔朝上并用胶带封住小孔以防其内部电解液挥发及负极与空气中的水蒸气反应，称取电池的重量，精确到0.001g，记录为W₀；，

(2.2)去除小孔上的胶带.并孔朝上将电池放入玻璃烧杯当中；向烧杯中注入密度为ρ电解液，直到完全淹没电池上端并超出2-4cm，将烧杯置于真空箱内抽真空，这使得电池中的任何空隙内的气体都通过小孔逸出，并完全被电解液填充；

(2.3)从真空箱内取出电池，将附着在电池外表面的所有电解液清除干净，再次称取电池的重量，精确到0.001g，并记为W₁；

(2.4)计算电池内部气体体积V₀＝(W₁-W₀)/ρ。

(3).根据上述公式P₀×V₀＝P₁×(V₀+ΔV)，将大气压值及分别由步骤(1)、(2)得到的ΔV值和V₀值代入，即可算出电池内部气体压力P₀。

测试结果及分析

利用本发明提供的检测方法和装置测试了四只18650型圆形电池在化成后的电池内压，表1中示出了四次测试例中的已知参数、测定参数和计算结果，电解液采用了密度为1.216g/cm³的LiPF₆电解液。通过电池内部气体压力P₀的测定，可以看出在化成之后电池内部压力上升较快，达到化成前的两倍之多，并且四只电池测试结果的一致性较好。该量化的测定结果，可以在电池本体结构及安全阀设计中提供数据依据及理论指导。

表1电池内部气体压力P₀测试及计算结果

Claims (4)

1、一种锂离子电池内部压力检测方法，其特征在于是根据玻意耳定律设定公式：P₀×V₀＝P₁×(V₀+ΔV)，温度为常量；其中：P₀—电池内部气体压力，V₀—电池内部气体在P₀压力下的体积，P₁—大气压，ΔV—电池内部气体在大气压下体积的变化量，通过检测ΔV、V₀计算出P₀；具体检测步骤如下：

(1).测定电池内部气体体积的变化量ΔV，通过在电池底部钻出直径为1-2mm的小孔，将电池内部气体经密封气道排入处于大气压下的带刻度量管的液体中，持续15-30s，直至气体排放停止，此步骤中，根据液面读取并记录量管在通入气体前后的读数V1、V2，ΔV＝V2-V1；

(2).测定电池内部气体体积V₀，称取由步骤(1)得到的停止排气的电池的重量，精确到0.001g，记录为W₀；然后，将整个电池浸入密度为ρ的电解液中，使其淹没在液面下2-4cm；将电解液的环境抽真空，使电池内的所有气隙的气体排出并填充入电解液，最后，从电解液中取出电池将其外表面的电解液清除干净，再次称取电池重量，精确到0.001g，记录为W₁；计算电池内部气体体积V₀＝(W₁-W₀)/ρ；

(3).根据上述公式P₀×V₀＝P₁×(V₀+ΔV)，将大气压值及分别由步骤(1)、(2)得到的ΔV值和V₀值代入，即可算出电池内部气体压力P₀。

2、一种实现权利要求1所述的检测方法中检测电池内部气体体积变化量ΔV的检测装置，其特征在于是由带电池夹具的放气管道、输气管、带刻度的玻璃量管、三阀洗耳球、水槽及铁架台构成；玻璃量管竖直固定在铁架台上，其下端插入水槽的水中、上端与三阀洗耳球连接；输气管一端插入玻璃量管下端口、另一端套装在放气管道的出气口上，放气管道的进气口通过电池夹具通至电池，上述连接均为气密封连接。

3、根据权利要求2所述的检测电池内部气体体积变化量ΔV的检测装置，其特征在于所述的带电池夹具的放气管道是由放气管道与电池夹具构成，所述的放气管道主要包括管道体、旋转手柄及针头，管道体底部设有进气口、侧面设有出气口、顶部设置与管道体螺纹连接的旋转手柄，在旋转手柄的下端固定连接随其上下移动的伸入进气口的针头；电池夹具由夹紧电池的平行上、下夹板，紧固两夹板的螺杆及开有中心过气孔的密封垫构成，管道体以其进气口对准上夹板上开设的过气孔气密封固定连接在上夹板上，密封垫以其中心过气孔对准上夹板的过气孔固定设置在上夹板底面。

4、根据权利要求3所述的检测电池内部气体体积变化量ΔV的检测装置，其特征在于所述的针头直径为1-2mm。

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