CN105606641A - 一种在线实时监测锂电池隔膜热收缩率系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂离子电池隔膜生产技术领域，具体涉及一种在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统及利用该系统的在线实时监测电池隔膜热收缩率的方法。该系统包括在隔膜生产线拉伸成膜出口依次设立的红外加热装置和应力测试装置，红外加热装置和应力测试装置的检测口高度分别与出口膜面等高；所述隔膜生产线所生产锂离子电池隔膜，为PE隔膜、PP隔膜或PP/PE/PP隔膜。本发明所提供的在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率的系统，系统集成度较高，安装便捷，在线监测锂离子电池隔膜热收缩率时，显示结果较为快速、直观，克服了原有的费时费力的检测缺陷，便于及时调整电池隔膜质量。因而在锂离子电池隔膜生产领域具有较好地应用前景。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池隔膜生产技术领域，具体涉及一种在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统及利用该系统的在线实时监测电池隔膜热收缩率的方法。
背景技术
锂离子电池隔膜是锂离子电池内部结构中关键的组件之一。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。
锂离子电池隔膜的主要作用是对电池的正、负极进行分隔，防止两极接触而短路，此外还具有能使电解质离子通过的功能。由于电解液通常为有机溶剂体系，因而隔膜材质要求也为耐有机溶剂的溶解、腐蚀，一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。
对于锂离子电池隔膜的性能要求一般为隔膜的受热收缩率要小，否则会引起短路，进而引发电池热失控等安全问题。因此，对工厂生产的锂离子电池隔膜的受热收缩率检测具有十分重要的意义。
现有的商业化锂离子电池隔膜生产过程中，由于隔膜产品所应用的锂离子电池规格不同，因而对于电池隔膜的受热收缩性能要求也有所不同。常规检测方法是生产出一批隔膜样品后，再将样品送往检测中心进行检测。这种方法耗时较长且检测速度较慢，同时由于所检测样品仅为某批次隔膜产品的中局部样品，对于整个生产线上所生产的隔膜样品仅具有参考意义，但并不能说明该批次隔膜样品的实际热收缩率。因而对于锂离子电池隔膜的热收缩率进行在线实时监测具有十分重要的生产和应用意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统，实现在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率的目的，同时利用该系统提供了一种在线实时监测电池隔膜热收缩率的方法，通过本发明的应用，便于对锂离子电池隔膜性能进行及时检测和调整。
本发明所采取的详细技术方案介绍如下。
一种在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统，包括在隔膜生产线拉伸成膜出口依次设立的红外加热装置和应力测试装置，红外加热装置和应力测试装置的检测口高度分别与出口膜面等高；
优选设计中，红外加热装置和应力测试装置分别与显示装置连接，显示装置内置控制系统，通过显示装置上相应操作可以控制和调节红外加热装置和应力测试装置的相应测试参数；
所述隔膜生产线所生产锂离子电池隔膜，为PE隔膜、PP隔膜或PP/PE/PP隔膜。
所述红外加热装置的频率和加热温度可调，频率具体调整范围可为5~20Hz，加热温度可调范围为80℃~200℃。
采用所述在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统的实时监测隔膜热收缩率的方法，具体包括以下步骤：
（1）首先根据欲生产锂离子电子隔膜类型，对锂离子电池隔膜成品进行TMA（热机械分析）测试，得到此种隔膜热收缩率与温度的对应关系；
（2）对步骤（1）中相同规格的锂离子电池隔膜成品进行高温力学性能测试，得到此种隔膜的拉伸应力与温度的对应关系；
（3）当隔膜受热，会产生应力，从而导致收缩；以某种特定隔膜为例，其在不同的温度时，都对应了某一特定的拉伸应力和收缩率；因而根据步骤（1）、步骤（2）中的数据，即应力—温度和热收缩率—温度两个函数曲线，可建立特定隔膜产品类型（即欲生产的锂离子电子隔膜类型）的热收缩率与隔膜拉伸应力的对应关系；
（4）在锂离子电池隔膜拉伸定型工序后，即拉伸成膜出口处设置所述在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统，该系统中红外加热装置作为热源对电池隔膜进行加热，而应力测试装置用于检测加热后电池隔膜上的应力；生产中，利用该系统对所生产的电池隔膜进行周期性瞬时加热，然后利用应力测试装置测得隔膜的拉伸应力，同时对相关数据进行记录；
（5）依据步骤（3）中所建立的热收缩率与隔膜拉伸应力的对应关系，依据步骤（4）中所记录的加热温度和应力测定结果进行换算，可获得隔膜的热收缩率，同时相关结果可显示在在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统的显示装置中。
对锂电池而言，现有的对锂离子电池隔膜的热收缩率标准为一般为：90℃下烘烤1小时横向和纵向的热收缩率不超过5%；当然，针对不同规格、不同类型的锂离子电池，其隔膜热收缩率的测试温度也不一致，部分产品的测试温度要求甚至可达130℃。但由于现有锂离子电池隔膜的热收缩率测定一般为生产结束后才进行测定，加上测定样本数量有限，因而往往难以较为实际的反应隔膜的热收缩率性能。
本发明的主要发明思路是通过建立电池隔膜的热收缩率与隔膜拉伸应力的对应关系，然后通过在线实时加热隔膜，即可在线实时获得电池隔膜的热收缩率结果。基于上述思路，本发明实际应用过程中，可首先通过TMA测试即可获得隔膜热收缩率与温度对应关系，然后通过温度与隔膜拉伸应力对应关系，进一步获得热收缩率与拉伸应力的对应关系。在此基础上，通过设计相应的加热装置、应力检测装置即可在线实时获得电池隔膜的热收缩率结果。
本发明所提供的在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率的系统，系统集成度较高，安装便捷，利用该系统在线监测锂离子电池隔膜热收缩率时，显示结果较为快速、直观，克服了原有的费时费力的检测缺陷，便于及时调整电池隔膜质量。因而在锂离子电池隔膜生产领域具有较好地应用前景。
附图说明
图1为本发明所提供的在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率的系统结构示意图；
图2为PE隔膜的TMA测试结果；
图3为PE隔膜的高温力学测试结果；
图4为PE隔膜的热收缩率与隔膜拉伸应力的关系；
图5为实施例1中的隔膜在实时在线监测后的热收缩率结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的解释说明。
需要说明的是，由于语言习惯问题，本申请中电池隔膜、隔膜、锂电池隔膜等描述的均是锂离子电池隔膜；而关于PE隔膜、PP隔膜、PP/PE/PP隔膜中的PE、PP代表的是隔膜类型不同，所述隔膜含义也是锂离子电池隔膜。相关文字描述差别并不会造成本领域技术人员的误解，也不会造成权利要求保护范围的不够清晰的问题。另外需要说明的是，本发明中所述隔膜拉伸应力、应力、拉伸应力等含义相同，均是指电池隔膜在特定条件下的检测数值，相关用词差别仅是语言习惯问题，并不会造成本领域技术人员的歧义或误解。
实施例1
如图1所示，本发明所提供在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统，包括在隔膜生产线拉伸成膜出口1依次设立的红外加热装置3和应力测试装置4，红外加热装置3和应力测试装置4的检测口高度分别与出口膜（电池隔膜）2的膜面等高；
红外加热装置和应力测试装置分别与显示装置连接，显示装置内置控制系统，通过显示装置上相应操作可以控制和调节红外加热装置和应力测试装置的相应测试参数；
所述隔膜生产线所生产锂离子电池隔膜，为PE隔膜、PP隔膜或PP/PE/PP隔膜。
所述红外加热装置的频率和加热温度可调，频率具体调整范围可为5~20Hz，加热温度可调范围为80℃~200℃。
实际使用时，本发明以具体的干法单拉锂离子电池隔膜生产工艺为例，对于上述在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统进行了具体采用。在干法单拉锂离子电池隔膜生产工艺中，锂离子电池隔膜的生产工艺主要有：流延→退火→拉伸→分切，本发明所提供的在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统具体设置在电池隔膜拉伸工艺后的电池隔膜出膜口与收卷装置之间，红外加热装置具体可采用上海拓贝电子公司的异型红外线辐射加热器，而应力测试装置可具体采用美国产In-situMOSScan设备。
实施例2
以锂离子电池PE隔膜的生产为例，采用实施例1中的在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统的实时监测隔膜热收缩率的方法，具体过程如下。
（1）首先根据欲生产锂离子电子隔膜类型，对锂离子电池隔膜成品（本实施例采用的为PE隔膜）进行TMA（热机械分析）测试，得到此种隔膜热收缩率与温度的对应关系。
本实施例以申请人所生产的具体的PE类型的锂离子电池隔膜，对其进行了检测。结果如图2所示。从图中可以看出，电池隔膜的热收缩率与隔膜温度有较好地一一对应关系。
（2）对步骤（1）中相同规格的锂离子电池隔膜成品进行高温力学性能测试，得到此种隔膜的拉伸应力与温度的对应关系。
以与步骤（1）中相同批次的检测合格的PE电池隔膜为例，采用美国产In-situMOSScan应力检测设备，建立了电池隔膜温度与应力对应关系，结果如图3所示。从图中可以看出，隔膜温度与应力间同样具有较好地、且较为稳定地一一对应关系。
（3）当隔膜受热，会产生应力，从而导致收缩；以某种特定隔膜为例，其在不同的温度时，都对应了某一特定的拉伸应力和收缩率；因而根据步骤（1）、步骤（2）中的数据，即应力—温度和热收缩率—温度两个函数曲线，可建立特定隔膜产品类型（即欲生产的锂离子电子隔膜类型）的热收缩率与隔膜拉伸应力的对应关系。
所建立的对应关系结果如图4所示。
（4）在锂离子电池隔膜拉伸定型工序后，即拉伸成膜出口处设置所述在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统，该系统中红外加热装置作为热源对电池隔膜进行加热，而应力测试装置用于检测加热后电池隔膜上的应力；生产中，利用该系统对所生产的电池隔膜进行周期性瞬时加热，然后利用应力测试装置测得隔膜的拉伸应力，同时对相关数据进行记录。
本实施例中，以申请人实际PE隔膜生产流程为例，对PE电池隔膜的热收缩率性能进行了检测。检测时，根据需要，调整红外加热装置频率为5Hz，此时可将PE隔膜加热到80℃。
（5）依据步骤（3）中所建立的热收缩率与隔膜拉伸应力的对应关系，依据步骤（4）中所记录的加热温度和应力测定结果进行换算，可获得隔膜的热收缩率，同时相关结果可显示在在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统的显示装置中。
系列计算结果如图5所示。
在本实施例中，红外加热装置频率为5Hz。在图5中，一秒内隔膜出现了5次收缩，与加热频率5Hz相对应，此时检测的应力均为10兆帕左右，而换算后收缩率为1%左右，且隔膜性能稳定，表明所生产的隔膜符合相应的5%的热收缩率的要求。
Claims (3)
1.一种在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统，其特征在于，该系统包括在隔膜生产线拉伸成膜出口依次设立的红外加热装置和应力测试装置，红外加热装置和应力测试装置的检测口高度分别与出口膜面等高；
所述隔膜生产线所生产锂离子电池隔膜，为PE隔膜、PP隔膜或PP/PE/PP隔膜。
2.如权利要求1所述在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统，其特征在于，所述红外加热装置的频率和加热温度可调，频率具体调整范围为5~20Hz，加热温度调整范围为80℃~200℃。
3.采用权利要求1所述在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统的实时监测隔膜热收缩率的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
（1）首先根据欲生产锂离子电子隔膜类型，对锂离子电池隔膜成品进行TMA测试，得到此种隔膜热收缩率与温度的对应关系；
（2）对步骤（1）中相同规格的锂离子电池隔膜成品进行高温力学性能测试，得到此种隔膜的拉伸应力与温度的对应关系；
（3）根据步骤（1）、步骤（2）中的数据，即热收缩率—温度和应力—温度两个函数曲线，建立欲生产的锂离子电子隔膜类型的热收缩率与拉伸应力的对应关系；
（4）实际生产中，在欲生产锂离子电池隔膜拉伸定型工序后，即拉伸成膜出口处设置权利要求1所述在线实时监测锂离子电池隔膜热收缩率系统，该系统中红外加热装置作为热源对电池隔膜进行加热，而应力测试装置用于检测加热后电池隔膜上的应力；对相关数据进行记录；
（5）依据步骤（3）中所建立的热收缩率与隔膜拉伸应力的对应关系，依据步骤（4）中所记录的加热温度和应力测定结果进行换算，可获得隔膜的热收缩率。
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Denomination of invention: An online real-time monitoring system and monitoring method for the thermal shrinkage rate of lithium battery separators Effective date of registration: 20231122 Granted publication date: 20180619 Pledgee: SHANGHAI PUDONG DEVELOPMENT BANK Co.,Ltd. ZHENGZHOU BRANCH Pledgor: HENAN HUIQIANG NEW ENERGY MATERIAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023410000001 |
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