CN105158566B - 电池隔膜闭孔破膜温度和离子电导率测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池隔膜闭孔破膜温度和离子电导率测试装置及方法，通过一系列的改进，测离子电导率装置基础之上，加上一套加热电炉，可以直接测试隔膜的离子电导率以及闭孔破膜温度，将此装置连接电脑，可实现自动化测试，无需人工手动记录测试数据，将两项测试合并成一个过程，极大太高了工作效率的同时，而无需牺牲测试精度，同时节省设备资源。

Description

电池隔膜闭孔破膜温度和离子电导率测试装置及方法

技术领域

本发明涉及高分子材料薄膜测试领域，尤其涉及用于锂电池微孔隔膜电化学性能测试领域。

背景技术

锂电池主要由正极、负极、电解液以及隔膜组成，其中隔膜位于正极与负极之间，作用是将正极和负极隔开，防止电子通过，但是允许离子通过，当电池内部温度升高时，电池隔膜能够关闭微孔，阻止锂离子通过，切断正极与负极之间的联系，使电池反应停止，提高电池的安全性，因此锂电池隔膜的性能对电池的安全性起着至关重要的作用。

首先，隔膜的离子电导率直接决定了锂电池工作时，锂离子在隔膜中传导的情况，和电池的内阻密切相关，而锂电池内阻很大程度影响电池其他方面的的性能，比如倍率性能、循环性能、容量衰减等等，这些性能直接决定了电池的优劣，因此，隔膜的离子电导率对于电池的性能及其重要，而其测试方法以及装置就显得尤为重要了。

其次，隔膜的结构由大量的微孔组成，彼此之间互通，孔径大小为1μm以下的薄膜，安全性是电池首先考虑的安全指标，尤其涉及动力电池领域，由于电池内部短路所产生的热量使得电池内部温度迅速升高，当温度升高到一定程度，隔膜微孔会随着温度的升高慢慢闭合，使电池内部电阻增大，直到隔膜微孔结构完全闭合，此时电池内部正负极反应完全停止，电池内部温度得到控制，防止“热失控”现象的发生，有效的阻止了锂电池爆炸或起火等安全事故的发生，这个温度值越低，锂电池在短路情况下关闭电池内部反应的时间越早，锂电池越安全，反之，电池安全性难以得到保障，但此温度必须在适当范围，同时应该高于电池使用的环境温度，以保证电池正常使用，这个温度就是闭孔温度，决定着电池的安全性能，如果电池内部的化学反应产生的热量来不及散出，在隔膜关闭微孔后温度继续上升，达到隔膜材料的熔融温度，造成隔膜破裂，电池内部正负极片直接接触在一起，发生剧烈化学反应，内部温度重新迅速升高，引发“热失控”的发生，严重时导致电池起火爆炸，所以隔膜破裂时的温度也是锂电池安全性的一个重要指标，这个温度就是破膜温度，因此从锂电池安全角度来衡量，闭孔-破膜温度是电池隔膜生产过程中必须要控制的一个重要指标，对锂电池的安全性起着至关重要的作用，所以，闭孔-破膜温度的测试方法尤其是测试装置的研究对锂电池隔膜质量控制是必不可少的。

目前大多数电池厂商甚至隔膜厂商对于离子电导率和闭孔破膜温度这两项测试都是独立进行的，两项测试分别制样，比如CN102998534A和CN204177757U分开用两套测试装置进行测试，这浪费资源的同时，浪费大量时间，同时测试过程也是很繁琐的。

本发明通过一系列的改进，测离子电导率装置基础之上，加上一套加热电炉，可以直接测试隔膜的离子电导率以及闭孔破膜温度，将此装置连接电脑，可实现自动化测试，无需人工手动记录测试数据，将两项测试合并成一个过程，极大太高了工作效率的同时，而无需牺牲测试精度，同时节省设备资源。

发明内容

本发明内容解决了现有测试装置复杂、繁琐的操作步骤，测试时间长、精度低、一致性差等缺点，同时将离子电导率纳入该装置的测试范畴，提供了一种集闭孔破膜温度及离子电导率两项测试于一身的新型测试装置，极大地提高了工作效率，同时简化了操作步骤。

本发明是通过以下技术方案来解决技术问题的：包括加热炉、测试电极、内阻分析仪和温度控制器，其中所述测试电极位于所述加热炉内，所述内阻分析仪和温度控制器分别与测试电极连接。

所述的测试电极包括上极和下极，上极通过活动条连接在加热炉顶端，活动条左右两边分别留有两个通孔，左右两螺杆可以通过通孔自由移动，活动条通过气管内气压作用上下移动，上极1与活动条之间通过弹簧连接，不施加气压情况下，上极与下极是自由分离的。

所述温度控制器包括热电偶，所述热电偶通过上极测温孔插入上极柱内，上下极均置于加热炉内，所述热电偶连接温度控制器。

所述内阻分析仪与接线柱连接，加热炉升温前，可以通过内阻分析仪得出不同层数隔膜的湿态电阻，线性拟合后，从而得到离子电导率值，加热炉升温后，通过隔膜电阻变化曲线，可以得出隔膜的闭孔破膜温度值。

上述上极和下极均采用不锈钢材料。

上述上极和下极测试表面均经过抛光处理。

上述热电偶探头位置需接近上极下表面。

上述螺杆与活动条之间必须无束缚，可自由移动。

上述测试装置连接电脑，可实现自动化测试，无需人工手动记录测试数据，将两项测试合并成一个过程，极大太高了工作效率的同时，而无需牺牲测试精度，同时节省设备资源。

本发明的测试原理：锂离子电池隔膜是一种多微孔高分子薄膜材料，在环境温度下，锂离子能自由穿梭于隔膜微孔，电池内阻较小，这就是锂电池的充放电过程，但是当环境温度提高后，微孔慢慢受热溶胀缩小，当达到一定温度(Tb)时，微孔完全关闭，锂离子无法通过隔膜微孔穿梭，内阻迅速增大，正负极之间形成断路，倘若温度继续上升，上升到一定温度(Tp)，隔膜材料熔融，隔膜收缩、破裂形成了空洞，锂离子重新穿梭于正负极之间，内阻迅速减小，Tb就是隔膜的闭孔温度，而Tp为破膜温度，因此，通过测量锂电池升温过程内阻的变化便可以直接计算出隔膜的闭孔-破膜温度，同时，加热炉升温前，测试出不同层数隔膜的电阻，拟合成直线Y＝AX+B，X为隔膜层数，Y为电阻值，由斜率A可直接计算出隔膜的离子电导率S。

本发明所述闭孔破膜和离子电导率测试方法，包括以下几个步骤：

(1)将隔膜裁剪成大小相同面积在上极与下极之间，浸泡电解液中待测；

(2)接线柱6、7接入内阻分析仪；

(3)开启内阻分析仪并设置量程；

(4)开启气动阀门开关，上极下极之间分别夹持1层、2层、3层、4层隔膜，并测试其电阻值，做线性拟合，得到拟合直线Y＝AX+B，A即为单层隔膜电阻，由此，可计算出离子电导率S；

(5)热电偶探头3接入上极测温孔内；

(6)开启温度控制器并设置量程；

(7)将加热炉升温速率设置为所需值，开启气动阀门，夹持单层隔膜，记录电阻值与温度值；当隔膜温度到达Tb附近时，装置电阻迅速升高，温度继续升高，待温度达到Tp 附近时，装置电阻迅速降低，回到起始阻值。

本发明的有益结果是：

①离子电导率测试过程中，接线柱始终保持原有位置，不影响测试过程中的外部电阻，测试结果线性好，结果准确度高；

②上下电极通过气动阀门，用气压压实，将膜上的压力标准化，减少了以往测试过程中压力造成的人为误差；

③加热炉升温速率可控，可以按照测试要求设置升温速率；

④两项测试共用一套测试装置，测试效率提升，同时操作步骤得到简化。

附图说明

下面以具体实例以及附图的形式对闭孔-破膜温度测试装置进行详细的说明，附图说明：

图1为测试过程中，装置与设备的连接示意图；

图2为本发明测试装置各部件简易结构图；

图3为本发明装置与专利号CN204177757U的装置测试温度-电阻曲线对比图；

图4为本发明装置与专利号CN204177757U的装置测试时间-电阻曲线对比图。

附图标记：

1上极 2下极 3热电偶

4活动条 5气管 6、7接线柱

8弹簧 9加热炉

具体实施方式

如图2所示，测试过程中，气动阀门打开，气压将上极1下压与下极2上，上极1与下极2均为不锈钢材料，闭孔破膜测试前上极1测温孔需插入热电偶3；

装置具体使用方法：

(1)检测设备：

①温度控制器②内阻分析仪③加热炉④本发明测试装置

(2)试样和试剂：

①截取直径20mm圆形隔膜样品若干块待用②电解液10ml；

实施例1

本发明是通过以下技术方案来解决技术问题的：如图1所示，将上极1和下极2设计成圆形装置，上极1通过活动条4连接与加热炉9顶端，活动条4左右两边分别留有两个通孔，左右两螺杆可以通过通孔自由移动，活动条4通过气管5内气压作用上下移动，上极1与活动条之间通过一弹簧8连接，不施加气压情况下，上极1与下极2是自由分离的，热电偶3通过上极测温孔插入上极柱内，上下极至于加热炉4内，外面通过接线柱6和7 与内阻分析仪连接，热电偶3接入温度控制器，加热炉9升温前，可以通过内阻分析仪得出不同层数隔膜的湿态电阻，线性拟合后，从而得到离子电导率值，加热炉9升温后，通过隔膜电阻变化曲线，可以得出隔膜的闭孔破膜温度值。

实施例2

为了验证本发明装置相对其他测试装置在离子电导率方面的优越性，实例用本装置测试以及专利号为CN102998534A的装置分别测试5组平行样品作对比，本实验选取 20μm干法隔膜为实验对象，专利号CN102998534A的装置实验步骤参考其专利内容；

本发明装置测试步骤如下：

(1)将隔膜裁剪成直径20mm大小相同的圆形样品若干块，浸泡于电解液中待用；

(2)接线柱连接内阻分析仪；

(3)开启内阻分析仪并设置好测试量程；

(4)分别将1层、2层、3层、4层隔膜置于下极的正中心；

(5)开启气动阀门，将上极压于下极之上，待稳定后读取内阻值R1、R2、R3、R4；

(6)以层数为横坐标，内阻值为纵坐标对上述4组电阻值做线性拟合得到一条直线：Y＝AX+B，并计算离子电导率；

(7)重复上述步骤测5次，得到5组平行数据，测试数据见表1；

表1不同装置离子电导率测试结果对比

实施例3

为了验证本装置在闭孔破膜温度测试方面相对现有测试装置的优势，本实验采用本发明测试装置与CN204177757U测试装置对比，分别测试5组平行样品，实验选取20μm 干法隔膜为实验对象，专利号CN204177757U的装置实验步骤参考专利内容；

本发明装置测试步骤如下：

(1)将隔膜裁剪成直径20mm大小相同的圆形样品若干块，浸泡于电解液中待用；

(2)接线柱连接内阻分析仪；

(3)热电偶插入上极测温孔内；

(4)开启内阻分析仪并设置好测试量程；

(5)开启温度控制器并设置好测试量程；

(6)将隔膜样品置于下极正中心，开启气动阀门，上极下极紧紧夹持样品；

(7)开启加热炉，加热炉升温速率设置为10℃/min；

(8)间隔相同时间记录内阻、温度值；

(9)重复上述步骤，平行测试5组样品，测试结果见图3和图4；

以上是对本发明电池隔膜闭孔破膜温度及离子电导率测试装置进行了阐述，用于帮助理解本发明，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电池隔膜闭孔破膜温度和离子电导率测试装置，其特征在于，包括加热炉、测试电极、内阻分析仪和温度控制器，其中所述测试电极位于所述加热炉内，所述内阻分析仪和温度控制器分别与测试电极连接，

所述的测试电极包括上极和下极，上极通过活动条连接在加热炉顶端，活动条左右两边分别留有两个通孔，左右两螺杆可以通过通孔自由移动，活动条通过气管内气压作用上下移动，上极与活动条之间通过弹簧连接，不施加气压情况下，上极与下极是自由分离的，所述上极和下极均采用不锈钢材料，所述上极和下极测试表面均经过抛光处理，

所述温度控制器包括热电偶， 所述热电偶通过上极测温孔插入上极柱内，上、下极均置于加热炉内，

所述内阻分析仪与接线柱连接，加热炉升温前，可以通过内阻分析仪得出不同层数隔膜的湿态电阻，线性拟合后，从而得到离子电导率值，加热炉升温后，通过隔膜电阻变化曲线，可以得出隔膜的闭孔破膜温度值。

2.根据权利要求1所述测试装置，其特征在于，所述热电偶位置需接近上极下表面。

3.根据权利要求1所述测试装置，其特征在于，所述螺杆与活动条之间必须无束缚，可自由移动。

4.根据权利要求1所述测试装置，其特征在于，所述装置进一步与电脑相连。

5.一种权利要求1-4任一权利要求所述测试装置的使用方法，其特征在于，

(1)将隔膜裁剪成大小相同的面积，浸泡在电解液中待测；

(2)接线柱连接内阻分析仪；

(3)开启内阻分析仪并设置量程；

(4)开启气动阀门开关，上极下极之间分别夹持1层、2层、3层、4层隔膜，并测试其电阻值，做线性拟合，得到拟合直线Y＝AX+B，A即为单层隔膜电阻，X为隔膜层数，Y为电阻值，由此，可计算出离子电导率S；

(5)热电偶接入上极测温孔内；

(6)开启温度控制器并设置量程；

(7)将加热炉升温速率设置为所需值，开启气动阀门，夹持单层隔膜，记录电阻值与温度值；当隔膜温度到达Tb附近时，测试装置电阻迅速升高，温度继续升高，待温度达到Tp附近时，测试装置电阻迅速降低，回到起始阻值。