CN102636142A - 一种测试锂离子电池阳极片膨胀的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种测试锂离子电池阳极片膨胀的方法，本测试方法通过在组装前的极片或者隔膜上粘贴一层锂离子绝缘材料，或者使用溶剂去除一定区域的阴极涂层，使得充电过程中粘贴区或阴极无涂层处对应的阳极区没有锂离子嵌入，从而可以原位测量充放电过程及循环过程中阳极片的膨胀。与传统的阳极膨胀测试方法相比，本测试方法采用同一阳极片不同位置的厚度差异来精确计算充放电及循环过程中的阳极膨胀，从而排除了采用不同极片间初始厚度差异等其他因素带来的影响，所得结果更为准确，一致性更好，既能测试阳极双面区的膨胀率，又能准确测试阳极单面区的膨胀率。此外，本发明简单易行、通用性高，便于实际操作。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种测试锂离子电池阳极片膨胀的方法。
背景技术
随着时代的进步，人们对电子产品的外观要求越来越高，锂离子电池正朝着轻、薄的方向发展，因而需要制造出高能量密度的电池以满足市场需求。
锂离子电池一般包括阴极片、阳极片、间隔于所述阴极片和阳极片之间的隔膜，以及电解液，其中，阳极片中的活性物质一般采用石墨这一类的工艺成熟的物质。但是石墨等活性物质在冷压后会发生反弹，导致阳极片的体积变化；在电池循环过程中，由于锂离子嵌入石墨层中，使石墨层间距变大，也会导致阳极片的体积变化。以上两者的共同作用使得阳极片和电池会发生一定程度的体积膨胀。
为了设计出高能量密度的电池，我们需要准确知道阳极片的膨胀率。现有技术测试阳极片在充放电循环过程中的膨胀率的方法一般是：在卷绕前用千分尺测出阳极片的厚度，记为初始厚度d0，然后在电池开始循环一定次数后，拆解电池，取出阳极片，再次用千分尺测试阳极片的厚度，记为d1，d1/d0得到循环后阳极片的膨胀率。这种测试方法可以在一定程度上测得阳极片的膨胀率，但是阳极片的厚度分布存在一定的不均匀性，选取不同的测试位点时，用千分尺测试阳极片的厚度会导致一定的误差，测得的数据一致性差，不能准确测得阳极片的膨胀率。
有鉴于此，确有必要提供一种能够准确测得锂离子电池阳极片膨胀的方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种能够准确测得锂离子电池阳极片的膨胀的方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种测试锂离子电池阳极片膨胀的方法，包括以下步骤：
步骤一，极片或隔膜的处理：选择待组装的阳极片、阴极片和隔膜，任意选定阳极涂布区域S，然后在所述S区域、组装时与S区域对应的阴极涂布区域T或者组装时与S区域对应的隔膜区域R三者中的至少一个位置上粘贴锂离子绝缘材料；
步骤二，电芯组装及充放电：将步骤一处理后的阳极片、阴极片和隔膜组装成电芯，之后置入包装袋、注入电解液，然后对电芯进行充放电；
步骤三，阳极片膨胀率的测量和计算：拆解充放电后的电芯，测量S区域的厚度HS和S区域周边的阳极涂布区Z的厚度HZ，计算膨胀率。
作为本发明测试锂离子电池阳极片膨胀的方法的一种改进，所述锂离子绝缘材料为聚丙烯(PP)基胶带、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基胶带或聚酰亚胺(PI)基胶带。
作为本发明测试锂离子电池阳极片膨胀的方法的一种改进，所述锂离子绝缘材料的形状为圆形、正方形或等腰梯形。
作为本发明测试锂离子电池阳极片膨胀的方法的一种改进，步骤三中膨胀率的测量采用厚度扫描的方式，在阳极片上扫描一条贯穿S区域及Z区域的表征极片膨胀量的厚度曲线，之后计算出S区域与Z区域的极片厚度差距(HZ-HS)。
作为本发明测试锂离子电池阳极片膨胀的方法的一种改进，膨胀率的计算公式为：
阳极片双面膨胀：膨胀率＝(HZ-HS)/(HS-HA)
阳极片单面膨胀：膨胀率＝ΔH/HD
其中，HA为阳极片的基材厚度为HA，HD为S区域组装时的单面涂层厚度。
本发明的另一种测试锂离子电池阳极片膨胀的方法，包括以下步骤：
步骤一，阴极片的处理：选择待组装的阳极片、阴极片和隔膜，任意选定阳极涂布区域S，然后采用溶剂去除组装时与S区域对应的阴极涂布区域T上的阴极涂层；
步骤二，电芯组装及充放电：将步骤一处理后的阳极片、阴极片和隔膜组装成电芯，之后置入包装袋、注入电解液，然后对电芯进行充放电；
步骤三，阳极片膨胀率的测量和计算：拆解充放电后的电芯，测量S区域的厚度HS和S区域周边的阳极涂布区Z的厚度HZ，计算膨胀率。
作为本发明测试锂离子电池阳极片膨胀的方法的一种改进，所述溶剂为氮甲基吡咯烷酮、丙酮或无水乙醇。
作为本发明测试锂离子电池阳极片膨胀的方法的一种改进，步骤一所述阴极片涂层去除区域的形状为圆形、正方形或等腰梯形。
作为本发明测试锂离子电池阳极片膨胀的方法的一种改进，步骤三中膨胀率的测量采用厚度扫描的方式，在阳极片上扫描一条贯穿S区域及Z区域的表征极片膨胀量的厚度曲线，之后计算出S区域与Z区域的极片厚度差距(HZ-HS)。
作为本发明测试锂离子电池阳极片膨胀的方法的一种改进，膨胀率的计算公式为：
阳极片双面膨胀：膨胀率＝(HZ-HS)/(HS-HA)
阳极片单面膨胀：膨胀率＝ΔH/HD
其中，HA为阳极片的基材厚度为HA，HD为S区域组装时的单面涂层厚度。
以上两种方法的实质都是使得充电过程中阳极涂布区域S没有锂离子嵌入，从而可以原位测量充放电过程及循环过程中阳极片的膨胀。
与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：
第一，本发明阳极片的膨胀测试方法是通过采用同一极片非膨胀区(S区域)厚度HS、膨胀区(Z区域)厚度HZ计算膨胀率，不涉及不同极片间初始厚度差异及测试厚度的位置不统一带来的影响，能够实现充放电以及循环过程中阳极膨胀的原位测量，使计算出来的膨胀率更准确，从而真实反映实际材料的膨胀率。
第二，本发明不仅可以测试阳极双面区的膨胀率，还可以准确测试阳极单面区的膨胀率。
第三，本发明测试阳极膨胀的方法准确可靠，测试结果的重复一致性很好。
第四，本发明简单易行，且便于实际操作。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明测试锂离子电池阳极片膨胀的方法及其有益技术效果进行详细说明，其中：
图1为比较例1和实施例2测得的阳极片反弹率的数据分布曲线。
具体实施方式
以下结合具体实施例详细描述本发明锂离子电池阳极片膨胀测试方法，但是，本发明的实施例并不局限于此。
比较例1
任选一种待测量的阳极片，随意挑选n(n≥5)片待组装的阳极，将其编号，并用千分尺测量相应编号m(m≥8)个位置的阳极片厚度，编号为1的极片厚度数据记录为h11、h12......hlm，编号为n的极片厚度数据记录为hn1、hn2......hnm。然后将测量好厚度数据的阳极片、相应的阴极极片、隔膜用卷绕的方法组装成电芯，之后置入包装袋、注入适量电解液、静置一定时间待电解液充分浸润极片后，将电芯充电至3.8V，之后将制备得到的电芯在干燥房中拆解，并用千分尺测量阳极片多个位置的阳极片厚度，编号为1的极片厚度数据记录为h’11、h’12......h’lm，编号为n的极片厚度数据记录为h’n1、h’n2......h’nm。已知阳极基材厚度为HA，阳极双面膨胀：膨胀量＝HZ-HS，其中HZ＝Average(h’11，h’12，......h’lm......h’n1，h’n2......h’nm)，HS＝Average(h11，h12......hlm......hn1，hn2......hnm)，膨胀比例＝(HZ-HS)/(HS-HA)，膨胀数据见表1，其中膨胀率mean＝8.20％，sigma＝0.80％。
实施例1
任选一种待测量的阳极片，随意挑选一片阳极片，在其相邻两片阴极片的中间位置贴PP基胶带，胶带大小为直径D＝3.0cm的圆形，然后将处理好的阴极片、阳极片和隔膜用叠片的方法组装成电芯，之后置入包装袋、注入适量电解液、静置一定时间待电解液充分浸润极片后，将电芯充电至3.0V，之后将制备得到的电芯在干燥房中拆解，并用千分尺测量阳极片非膨胀区厚度HS(对应阴极片有锂离子绝缘材料PP基胶带)及非膨胀区周边膨胀区(对应阴极片无锂离子绝缘材料PP基胶带)厚度HZ，已知阳极片基材厚度为HA，阳极片双面膨胀：膨胀量＝HZ-HS，膨胀比例＝(HZ-HS)/(HS-HA)。
实施例2
任选一种待测量的阳极片，在阳极片倒数第1层对应阴极片的中间位置用氮甲基吡咯烷酮将阴极涂层去除，涂层去除区域为3.0×3.0cm的正方形，然后将处理好的阴极片、阳极片和隔膜用卷绕的方法组装成电芯，之后置入包装袋、注入适量电解液、静置一定时间待电解液充分浸润极片后，将电芯充电至3.8V，之后将制备得到的电芯在干燥房中拆解，并用高度规测量阳极片非膨胀区厚度HS(对应阴极无涂层)及非膨胀区周边膨胀区(对应阴极有涂层)厚度HZ，已知阳极片基材厚度为HA，阳极双面膨胀：膨胀量＝HZ-HS，膨胀比例＝(HZ-HS)/(HS-HA)，膨胀数据见表2，其中膨胀率mean＝8.13％，sigma＝0.19％，相比比较例1所得膨胀率mean＝8.20％，sigma＝0.80％，实施例2所用膨胀测试方法的sigma相对小很多，结果一致性更好。
表1：比较例1的阳极片膨胀测试结果
| 序号 | 截止电压(V) | 实际电压(V) | 膨胀率(％) |
| 比较例1-1 | 3.800 | 3.797 | 6.9 |
| 比较例1-2 | 3.800 | 3.798 | 8.3 |
| 比较例1-3 | 3.800 | 3.799 | 7.0 |
| 比较例1-4 | 3.800 | 3.800 | 7.8 |
| 比较例1-5 | 3.800 | 3.800 | 7.0 |
| 比较例1-6 | 3.800 | 3.802 | 7.2 |
| 比较例1-7 | 3.800 | 3.803 | 7.9 |
| 比较例1-8 | 3.800 | 3.801 | 8.8 |
| 比较例1-9 | 3.800 | 3.800 | 9.2 |
| 比较例1-10 | 3.800 | 3.802 | 9.5 |
| 比较例1-11 | 3.800 | 3.801 | 9.5 |
| 比较例1-12 | 3.800 | 3.798 | 7.1 |
| 比较例1-13 | 3.800 | 3.799 | 8.5 |
| 比较例1-14 | 3.800 | 3.800 | 8.7 |
| 比较例1-15 | 3.800 | 3.797 | 8.5 |
| 比较例1-16 | 3.800 | 3.803 | 8.5 |
| 比较例1-17 | 3.800 | 3.801 | 7.1 |
| 比较例1-18 | 3.800 | 3.801 | 8.1 |
| 比较例1-19 | 3.800 | 3.800 | 9.3 |
| 比较例1-20 | 3.800 | 3.798 | 7.8 |
| 比较例1-21 | 3.800 | 3.800 | 8.5 |
| 比较例1-22 | 3.800 | 3.803 | 9.1 |
| 比较例1-23 | 3.800 | 3.800 | 9.1 |
| 比较例1-24 | 3.800 | 3.800 | 9.0 |
| 比较例1-25 | 3.800 | 3.802 | 8.4 |
| 比较例1-26 | 3.800 | 3.800 | 7.2 |
| 比较例1-27 | 3.800 | 3.800 | 7.4 |
| 比较例1-28 | 3.800 | 3.801 | 8.4 |
| 比较例1-29 | 3.800 | 3.799 | 7.9 |
| mean | 3.800 | 3.800 | 8.20 |
| sigma | 0.000 | 0.002 | 0.80 |
表2：实施例2的阳极片膨胀测试结果
| 序号 | 截止电压(V) | 实际电压(V) | 膨胀率(％) |
| 实施例2-1 | 3.800 | 3.797 | 7.8 |
| 实施例2-2 | 3.800 | 3.800 | 8.2 |
| 实施例2-3 | 3.800 | 3.801 | 8.4 |
| 实施例2-4 | 3.800 | 3.801 | 8.0 |
| 实施例2-5 | 3.800 | 3.798 | 8.1 |
| 实施例2-6 | 3.800 | 3.797 | 8.1 |
| 实施例2-7 | 3.800 | 3.802 | 8.0 |
| 实施例2-8 | 3.800 | 3.801 | 7.9 |
| 实施例2-9 | 3.800 | 3.800 | 8.1 |
| 实施例2-10 | 3.800 | 3.800 | 8.3 |
| 实施例2-11 | 3.800 | 3.799 | 8.2 |
| 实施例2-12 | 3.800 | 3.802 | 8.1 |
| 实施例2-13 | 3.800 | 3.799 | 7.9 |
| 实施例2-14 | 3.800 | 3.799 | 7.8 |
| 实施例2-15 | 3.800 | 3.800 | 8.3 |
| 实施例2-16 | 3.800 | 3.800 | 8.2 |
| 实施例2-17 | 3.800 | 3.802 | 8.3 |
| 实施例2-18 | 3.800 | 3.798 | 7.9 |
| 实施例2-19 | 3.800 | 3.802 | 8.4 |
| 实施例2-20 | 3.800 | 3.800 | 8.1 |
| 实施例2-21 | 3.800 | 3.800 | 8.1 |
| 实施例2-22 | 3.800 | 3.800 | 8.4 |
| 实施例2-23 | 3.800 | 3.802 | 8.2 |
| 实施例2-24 | 3.800 | 3.800 | 8.0 |
| 实施例2-25 | 3.800 | 3.799 | 8.1 |
| 实施例2-26 | 3.800 | 3.800 | 7.9 |
| 实施例2-27 | 3.800 | 3.803 | 8.5 |
| 实施例2-28 | 3.800 | 3.800 | 8.5 |
| 实施例2-29 | 3.800 | 3.797 | 7.9 |
| mean | 3.800 | 3.800 | 8.13 |
| sigma | 0.000 | 0.002 | 0.19 |
图1为比较例1和实施例2测得的阳极片反弹率的数据分布曲线。由图1可知，采用本发明的测试方法测得的数据呈现较好的正态分布，测试结果的重复一致性很好，数据更加可靠。
实施例3
任选一种待测量的阳极片，在阳极片倒数第2层对应的隔膜的中间位置贴PET基胶带，胶带形状为等腰梯形(a(顶边长)＝2cm，b(底边长)＝4cm，h(高)＝3cm)，然后将阴极片、阳极片、处理好的隔膜用卷绕的方法组装成电芯，之后置入包装袋、注入适量电解液、静置一定时间待电解液充分浸润极片后，将电芯充电至4.2V，然后选取部分电芯放电至3.0V，再充至4.2V并循环10次。之后将制备得到的电芯在干燥房中拆解，并用千分尺测量阳极片非膨胀区厚度HS(对应隔膜有锂离子绝缘材料PET基胶带)及非膨胀区周边膨胀区(对应隔膜无锂离子绝缘材料PET基胶带)厚度HZ，已知阳极片基材厚度为HA，阳极片双面膨胀：膨胀量＝HZ-HS，膨胀比例＝(HZ-HS)/(HS-HA)。
实施例4
任选一种待测量的阳极片，在阳极倒数第3层对应阴极片的中间位置贴PI基胶带，胶带大小为直径D＝3.0cm的圆形，然后将处理好的阴极片、阳极片和隔膜用卷绕的方法组装成电芯，之后置入包装袋、注入适量电解液、静置一定时间待电解液充分浸润极片后，将电芯充电至4.2V，然后再放电至3.0V，之后将制备得到的电芯在干燥房中拆解，并用千分尺测量阳极片非膨胀区厚度HS(对应阴极有锂离子绝缘材料PI基胶带)及非膨胀区周边膨胀区(对应阴极无锂离子绝缘材料PI基胶带)厚度HZ，已知阳极片基材厚度为HA，阳极片双面膨胀：膨胀量＝HZ-HS，膨胀比例＝(HZ-HS)/(HS-HA)。
实施例5
任选一种待测量的阳极片，在阳极片倒数第3层的中间位置贴已知厚度的PI基胶带，胶带大小为直径D＝3.0cm的圆形，然后将处理好的阳极片、阴极片和隔膜用卷绕的方法组装成电芯，之后置入包装袋、注入适量电解液、静置一定时间待电解液充分浸润极片后，将电芯充电至3.2V，之后将制备得到的电芯在干燥房中拆解，并用千分尺测量含锂离子绝缘材料PI基胶带的阳极片非膨胀区厚度HSJ(对应阳极有锂离子绝缘材料PI基胶带)及非膨胀区周边膨胀区(对应阳极无锂离子绝缘材料PI基胶带)厚度HZ，已知阳极片基材厚度为HA，PI基胶带的厚度为HJ，阳极片双面膨胀：膨胀量＝HZ-HS，膨胀比例＝(HZ-HS)/(HS-HA)，其中阳极片非膨胀区厚度HS＝HSJ-HJ。
实施例6
任选一种待测量的阳极片，组装前在S区域边缘(阳极短面区的倒数第2层中间位置)用丙酮去除5mm宽的阳极涂层，然后用粗糙度仪扫描一条贯穿阳极涂层区与阳极非涂层区的厚度曲线，并计算得到此处阳极片S区域组装时的单面涂层厚度HD，之后在其对应的阴极片贴PI基胶带(可以使阳极S区域双面不膨胀，也可以使阳极S区域单面不膨胀，胶带大小为直径D＝3.0cm的圆形，然后将处理好的阴极片、阳极片和隔膜用卷绕的方法组装成电芯，之后置入包装袋、注入适量电解液、静置一定时间待电解液充分浸润极片后，将电芯充电至3.6V，之后将制备得到的电芯在干燥房中拆解，并用粗糙度仪扫描一条贯穿膨胀区Z区域与非膨胀区S区域的表征膨胀量的厚度曲线，之后计算出S区域与Z区域的极片厚度差距，即阳极片单面膨胀量ΔH，阳极单面膨胀：膨胀比例＝ΔH/HD。
需要说明的是，本发明提出的测试锂离子阳极片膨胀的方法，已通过实施例进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的测试锂离子阳极片膨胀的方法进行改动或适当变更与组合来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
Claims (10)
1.一种测试锂离子电池阳极片膨胀的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，极片或隔膜的处理：选择待组装的阳极片、阴极片和隔膜，任意选定阳极涂布区域S，然后在所述S区域、组装时与S区域对应的阴极涂布区域T或者组装时与S区域对应的隔膜区域R三者中的至少一个位置上粘贴锂离子绝缘材料；
步骤二，电芯组装及充放电：将步骤一处理后的阳极片、阴极片和隔膜组装成电芯，之后置入包装袋、注入电解液，然后对电芯进行充放电；
步骤三，阳极片膨胀率的测量和计算：拆解充放电后的电芯，测量S区域的厚度HS和S区域周边的阳极涂布区Z的厚度HZ，计算膨胀率。
2.根据权利要求1所述的测试锂离子电池阳极片膨胀的方法，其特征在于：所述锂离子绝缘材料为聚丙烯(PP)基胶带、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基胶带或聚酰亚胺(PI)基胶带。
3.根据权利要求1所述的测试锂离子电池阳极片膨胀的方法，其特征在于：所述锂离子绝缘材料的形状为圆形、正方形或等腰梯形。
4.根据权利要求1所述的测试锂离子电池阳极片膨胀的方法，其特征在于：步骤三中膨胀率的测量采用厚度扫描的方式，在阳极片上扫描一条贯穿S区域及Z区域的表征极片膨胀量的厚度曲线，之后计算出S区域与Z区域的极片厚度差距(HZ-HS)。
5.根据权利要求1所述的测试锂离子电池阳极片膨胀的方法，其特征在于：
膨胀率的计算公式为：
阳极片双面膨胀：膨胀率＝(HZ-HS)/(HS-HA)
阳极片单面膨胀：膨胀率＝ΔH/HD
其中，HA为阳极片的基材厚度为HA，HD为S区域组装时的单面涂层厚度。
6.一种测试锂离子电池阳极片膨胀的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，阴极片的处理：选择待组装的阳极片、阴极片和隔膜，任意选定阳极涂布区域S，然后采用溶剂去除组装时与S区域对应的阴极涂布区域T上的阴极涂层；
步骤二，电芯组装及充放电：将步骤一处理后的阳极片、阴极片和隔膜组装成电芯，之后置入包装袋、注入电解液，然后对电芯进行充放电；
步骤三，阳极片膨胀率的测量和计算：拆解充放电后的电芯，测量S区域的厚度HS和S区域周边的阳极涂布区Z的厚度HZ，计算膨胀率。
7.根据权利要求6所述的测试锂离子电池阳极片膨胀的方法，其特征在于：所述溶剂为氮甲基吡咯烷酮、丙酮或无水乙醇。
8.根据权利要求6所述的测试锂离子电池阳极片膨胀的方法，其特征在于：步骤一所述阴极片涂层去除区域的形状为圆形、正方形或等腰梯形。
9.根据权利要求6所述的测试锂离子电池阳极片膨胀的方法，其特征在于：步骤三中膨胀率的测量采用厚度扫描的方式，在阳极片上扫描一条贯穿S区域及Z区域的表征极片膨胀量的厚度曲线，之后计算出S区域与Z区域的极片厚度差距(HZ-HS)。
10.根据权利要求6所述的测试锂离子电池阳极片膨胀的方法，其特征在于：
膨胀率的计算公式为：
阳极片双面膨胀：膨胀率＝(HZ-HS)/(HS-HA)
阳极片单面膨胀：膨胀率＝ΔH/HD
其中，HA为阳极片的基材厚度为HA，HD为S区域组装时的单面涂层厚度。
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