CN106405422B - 锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法，其通过在电芯外缠绕不同断裂力值的导线，通过监控导线的电阻值变化，得到电池充放电循环次数和导线的断裂力值F_导线的关系，并制作出电芯极片膨胀力与电池充放电循环次数的对应曲线图；分析电芯极片膨胀力与电池充放电循环次数的对应曲线图，即可得到锂离子电池充放电循环次数与极片断裂的对应关系。与现有技术相比，本发明锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法通过监控导线两端的电阻值变化来确定极片断裂情况，因此具有测试周期短、操作简便、不受环境温度干扰、适用范围宽、准确度高、资源耗费少等优点。

Description

锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池分析测试领域，更具体地说，涉及一种锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法。

背景技术

锂离子电池在充放电循环过程中，极片会逐渐发生膨胀，显然，膨胀力的层层传递使得最外层极片成为受力最大的极片；随着循环次数的增加，最外层极片存在断裂风险。为了确保锂离子电池在实际使用过程中的可靠性，需要研究电池充放电循环多少次时会出现极片断裂现象。

目前，常用的方法是每隔一定充放电循环时间，就对锂离子电池做CT扫描(电子计算机断层扫描)，通过观察电芯极片是否发生断裂，确定电池充放电循环次数与极片断裂的对应关系。尽管上述方法确实能在一定程度上反应出电池充放电循环次数与极片断裂的对应关系，但是却仍旧存在以下多种问题：

1)测试周期长：上述方法需要将电池充放电循环至极片断裂，才能确定充放电循环次数与极片断裂的对应关系；

2)操作繁琐：上述方法需要频繁暂停电池的充放电循环测试以做CT扫描；

3)环境温度影响大：上述方法需要将电池从充放电循环测试的温度环境中取出，再拿到常温条件下的CT机中做扫描，然后再放回到循环测试的温度环境中接着做循环测试；因此，在整个过程，环境温度频繁变化，会对锂离子电池性能及测试结果产生较大影响；

4)对电池夹具存在限制：为了模拟锂离子电池在模组中的受力情况，锂离子电池在充放电循环测试中通常是带夹具测试的；由于锂离子电池在充放电循环过程中会将较薄的铝板夹具撑变形，所以需要采用厚的铝板或钢板夹具，但CT扫描却只能穿透较薄的铝板夹具；

5)测试误差大：锂离子电池每次都是充放电循环一段时间后，才取出来做CT扫描观察极片是否发生断裂，因此还存在观察时间段滞后的误差；

6)耗费资源：上述方法需要频繁的进行CT测试，非常耗费资源、人力及经费。

有鉴于此，确有必要提供一种能够解决上述问题的锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种简便快速的锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法，以便快速精确地测试出锂离子电池充放电循环次数与极片断裂的对应关系。

为了实现上述目的，本发明提供了一种锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法，其包括以下步骤：

1)测试出电池极片的断裂力值F_极片；

2)准备多种不同断裂力值的导线，并测试出每一导线的断裂力值F_导线；

3)将不同断裂力值的导线分别安装于不同的待测锂离子电池，安装方法为用导线紧密缠绕电芯最外层两圈，并将导线两端从电池顶盖或壳体引出，再在导线的两端分别连接一个电极作为测量端；

4)对上述安装有导线的多个锂离子电池做充放电循环测试，同时通过两个测量端监控导线的电阻值变化，记录导线电阻值突增时的充放电循环次数；

5)以导线电阻值突增时的充放电循环次数和导线的断裂力值F_导线中的一个为横坐标，另一个为纵坐标，制作出电芯极片膨胀力与电池充放电循环次数的对应曲线图；

6)分析电芯极片膨胀力与电池充放电循环次数的对应曲线图，得到锂离子电池充放电循环次数与极片断裂的对应关系。

作为本发明锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法的一种改进，所述步骤6)只需将步骤5)得到的曲线图延长，找到电池极片的断裂力值F_极片所对应的充放电循环次数N，即为电池极片膨胀断裂时的充放电循环次数。

作为本发明锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法的一种改进，所述步骤1)测试电池极片的断裂力值F_极片的过程为：分别测试正极片和负极片在拉断时所承受的最大力值F_正和F_负，以F_正和F_负中较小者为电池极片的断裂力值F_极片。

作为本发明锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法的一种改进，所述步骤1)中电池极片的长度与步骤2)中的导线的长度相同，宽度与步骤3)中的电芯中的极片宽度相同。

作为本发明锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法的一种改进，所述步骤2)准备的每根导线的断裂力值F_导线均不大于电池极片的断裂力值F_极片。

作为本发明锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法的一种改进，所述步骤2)准备的导线优选为铜线。

作为本发明锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法的一种改进，所述步骤2)中的导线的长度为能够在电芯外层缠绕2圈的长度。

作为本发明锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法的一种改进，所述步骤1)和2)中，断裂力值F_极片和F_导线的测试设备为拉力机。

作为本发明锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法的一种改进，所述步骤3)将导线两端从电池顶盖或壳体引出的过程为，先将电池顶盖或壳体开孔并用绝缘胶处理开孔处，之后将导线的两端从顶盖或壳体的开孔中引出，再用绝缘胶固定导线，并将顶盖或壳体的开孔封口处理。

作为本发明锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法的一种改进，所述步骤3)中，导线两端的引出方向垂直于电芯的卷绕轴线延伸方向。

与现有技术相比，本发明锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法通过监控导线两端的电阻值变化来确定极片断裂情况，因此具有测试周期短、操作简便、不受环境温度干扰、适用范围宽、准确度高、资源耗费少等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法及其有益技术效果进行详细说明，其中：

图1为采用本发明测试方法对一种锂离子电池进行极片膨胀断裂测试的结构示意图；

图2为采用本发明测试方法对另一种锂离子电池进行极片膨胀断裂测试的结构示意图；

图3为采用本发明测试方法做出的电芯极片膨胀力与电池充放电循环次数的对应曲线图；

图4为利用图3分析电池充放电循环次数与极片断裂的对应关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。

本发明锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法包括以下步骤：

1)测试电池极片的断裂力值F_极片：分别测试电池正极片和负极片在拉断时所承受的最大力值F_正和F_负。比较F_正和F_负的大小，将其中较小者定为电池极片的断裂力值F_极片；

2)准备多种不同断裂力值的导线，并测试出每一导线的断裂力值F_导线：准备n种不同拉断力的导线，测试其拉断时所承受的最大力值，分别记为断裂力值F1、F2、F3、……、Fn；其中，导线材质不限，但以铜线(纯铜含量≥99％)为最佳，原因是：一来铜线的延伸率较低；二来铜线处于电池中低电位时，不会参与反应；三来电池阳极集流体为铜箔，铜线的引入，不会对电池体系产生影响；导线的直径和电阻均不限，直径只需保证导线在拉断时所承受的最大力值F不大于极片在拉断时所承受的力值F_极片就可以了；

步骤1)和2)中，断裂力值F_极片和F_导线的测试工具和参数为：

A、测试设备：拉力机；

B、测试用导线样品长度为能够在电芯外层缠绕2圈的长度；

C、测试用极片样品规格为：长度与导线长度相同，宽度与电芯中的极片宽度相同；

D、拉伸速度：不限，但是拉伸速度越慢，拉力测试结果越准确；

3)将不同断裂力值的导线分别安装于不同的待测锂离子电池，安装方法为将导线缠绕电芯两圈，并将导线两端从电池顶盖或壳体引出，再在导线的两端分别焊接一个电极作为测量端；请参阅图1，在电芯10入壳前用一根导线12紧密缠绕电芯10最外层2圈，同时将电池顶盖14开孔并用绝缘胶处理开孔处，之后将导线12的两端从顶盖14的开孔中引出，再用绝缘胶固定导线12，并将顶盖14的开孔封口处理，最后在导线12的两端分别焊接电极20、22作为测量端(锂离子电池的其他制作步骤如注液、封口、化成等均与现有技术相同，不再赘述)；当然，针对缠绕入壳方式不同的电芯，还可以如图2那样在壳体16上开孔引出导线12，由于除开孔位置外，导线12相关的安装方式均与在顶盖14上开孔的安装方式相同，此处不再赘述；总之，导线12两端的引出方向需要垂直于电芯10的卷绕轴线延伸方向；

4)对上述安装有导线12的多个锂离子电池做充放电循环测试，同时通过电极20、22监控导线12的电阻值变化：当两个电极间的电阻值极小趋于0时，表明电芯10外缠绕的导线12未断裂，电池充放电循环测试继续进行；当两个电极20、22间的电阻值突增时，表明电芯10外缠绕的导线12已经发生断裂，结束充放电循环测试，并记录对应电池的充放电循环次数；

5)当所有电池的充放电循环测试全部结束后，以导线电阻值突增时的电池充放电循环次数为横坐标，导线12的断裂力值F_导线为纵坐标，制作电芯极片膨胀力与电池充放电循环次数的对应曲线图：由于各个导线12的断裂力值F_导线与当时的电芯极片膨胀力相等，因此只需将步骤4)的测试结果在坐标系中取点，并将各点拟合即可得到所需的曲线，结果如图3所示；

6)分析电芯极片膨胀力与电池充放电循环次数的对应曲线图，得到锂离子电池充放电循环次数与极片断裂的对应关系：如图4所示，将曲线按现有规律延长，电池极片的断裂力值F_极片所对应的充放电循环次数N，即为电池极片膨胀断裂时的充放电循环次数。

易于理解的是，步骤5)所制作的曲线图横纵坐标可以互换，这并不影响步骤6)中对电池极片膨胀断裂时的充放电循环次数的分析。

与现有技术相比，本发明锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法通过监控导线12两端的电阻值变化来确定极片断裂情况，其至少具有以下优点：

1)测试周期短：本发明的测试方法直接测试电池充放电循环过程中导线12的断裂情况，选用的导线12的断裂力值低于极片的断裂力值，导线断裂比极片断裂更早发生，因此能更早完成测试；

2)操作简便：本发明的测试方法直接测试导线12两端的电阻值变化，方便简捷，不像CT扫描那样需要频繁地暂停电池充放电循环测试；

3)不受环境温度干扰：本发明的测试方法在电池充放电循环测试的环境中即可直接测试导线12两端的电阻值变化，不需要将电池从循环测试炉中取出再做CT扫描，有效地排除了环境温度不断变化对测试结果造成的影响；

4)适用范围宽：本发明的测试方法不需要做CT扫描，排除了夹具材料及厚度的限制，测试结果更接近电池在模组中使用的真实情况；

5)准确度高：本发明的测试方法可以在线监控导线12两端电阻值的变化，及时发现导线12的断裂情况，无时间滞后，误差小；

6)资源耗费少：本发明的测试方法不需要频繁做CT扫描，不需要频繁暂停循环测试过程，对人力、物力及经费的消耗很少。

根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测试出电池极片的断裂力值F_极片；

2)准备多种不同断裂力值的导线，并测试出每一导线的断裂力值F_导线；

3)将不同断裂力值的导线分别安装于不同的待测锂离子电池，安装方法为用导线紧密缠绕电芯最外层两圈，并将导线两端从电池顶盖或壳体引出，再在导线的两端分别连接一个电极作为测量端；

4)对上述安装有导线的多个锂离子电池做充放电循环测试，同时通过两个测量端监控导线的电阻值变化，记录导线电阻值突增时的充放电循环次数；

5)以导线电阻值突增时的充放电循环次数和导线的断裂力值F_导线中的一个为横坐标，另一个为纵坐标，制作出电芯极片膨胀力与电池充放电循环次数的对应曲线图；

6)分析电芯极片膨胀力与电池充放电循环次数的对应曲线图，得到锂离子电池充放电循环次数与极片断裂的对应关系。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法，其特征在于：所述步骤6)只需将步骤5)得到的曲线图延长，找到电池极片的断裂力值F_极片所对应的充放电循环次数N，即为电池极片膨胀断裂时的充放电循环次数。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法，其特征在于：所述步骤1)测试电池极片的断裂力值F_极片的过程为：分别测试正极片和负极片在拉断时所承受的最大力值F_正和F_负，以F_正和F_负中较小者为电池极片的断裂力值F_极片。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法，其特征在于：所述步骤1)中的电池极片的长度与步骤2)中的导线的长度相同，宽度与步骤3)中的电芯中的极片宽度相同。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法，其特征在于：所述步骤2)准备的每根导线的断裂力值F_导线均不大于电池极片的断裂力值F_极片。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法，其特征在于：所述步骤2)准备的导线优选为铜线。

7.根据权利要求1所述的锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法，其特征在于：所述步骤2)中的导线的长度为能够在电芯外层缠绕2圈的长度。

8.根据权利要求1所述的锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法，其特征在于：所述步骤1)和2)中，断裂力值F_极片和F_导线的测试设备为拉力机。

9.根据权利要求1所述的锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法，其特征在于：所述步骤3)将导线两端从电池顶盖或壳体引出的过程为，先将电池顶盖或壳体开孔并用绝缘胶处理开孔处，之后将导线的两端从顶盖或壳体的开孔中引出，再用绝缘胶固定导线，并将顶盖或壳体的开孔封口处理。

10.根据权利要求1所述的锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法，其特征在于：所述步骤3)中，导线两端的引出方向垂直于电芯的卷绕轴线延伸方向。

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