CN107727567B - 测试锂离子电池极片极限压实密度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试锂离子电池极片极限压实密度的方法。所述测试方法包括如下步骤：获得若干极片，分别对每一极片的压实密度进行测定，并对每一所述极片进行折叠处理以获得一折痕；对所述折痕两侧的所述极片分别施加拉力，直至使得所述极片发生断裂，并记录各所述极片断裂时的断裂拉力值；以所述压实密度为X轴，所述断裂拉力值为纵轴建立X‑Y坐标系，将测得各所述极片的所述压实密度与相应所述极片的所述断裂拉力值中所述X‑Y坐标系中形成曲线，获取所述曲线中斜率最大值处所对应的压实密度为极限压实密度。所述测试方法获得的极片极限压实密度与实际生产相符，准确度高。

Description

测试锂离子电池极片极限压实密度的方法

技术领域

本发明属于电池制造技术领域，具体的是涉及一种锂离子电池材料测试锂离子电池极片极限压实密度的方法。

背景技术

锂离子电池在制作过程中，压实密度对电池性能有较大的影响，实验证明，压实密度与能量密度、续航里程、比容量、充放电效率、内阻及电池循环性能有着密切的关系。因此，找出最大的极片压实密度(极限压实密度)对电池的设计非常重要。

一般来说，压实密度越大，电池的能量密度就能做得越高，所以压实密度也被看作是材料能量密度的参考指标之一。压实密度不仅与颗粒的大小、密度有关系，还和粒子的级配有关系，压实密度大的一般都有很好的粒子正态分布。可以认为，在工艺条件一定的情况下，压实密度越大，电池的容量密度越高。因此，压实密度对于锂电池电极材料特别是正极材料来说是一个关键指标，它与锂离子电池的能量密度、续航里程及寿命等息息相关。极限压实密度是评价材料压实特性的边界条件，越来越受到行业的重视。

现有极片极限压实密度的获得大多是通过一些计算公式直接推导，但往往与生产实际相偏离，无法获得一个较准确的极限压实密度。

再者，还有一些测试方法是通过将极片对折180°后再观察折痕的断裂或者透光情况来判断是否达到极限压实密度，这种方法人为因素过于严重，且判定标准没有直观的量化数据，不同的人员测试可能导致结果存在较大差异。同时，锂离子电池在制造过程中卷绕极片时并不存在极片完全对折的情况，这就造成实验与生产严重脱离。因此，采用该方法测试极限压实密度很难得到科学、准确的结果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种极限压实密度的测试方法，以解决现有测定极限压实密度测试方法与实际生产脱节和测试结果不准确的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种测试锂离子电池极片极限压实密度的方法。所述测试锂离子电池极片极限压实密度的方法包括如下步骤：

获得若干极片，分别对每一极片的压实密度进行测定，并对每一所述极片进行折叠处理以获得一折痕；其中，若干所述极片的形状和面密度相同，且各所述极片的厚度不同；

对所述折痕两侧的所述极片分别施加拉力，直至使得所述极片发生断裂，并记录各所述极片断裂时的断裂拉力值；

以所述压实密度为X轴，所述断裂拉力值为纵轴建立X-Y坐标系，将测得各所述极片的所述压实密度与相应所述极片的所述断裂拉力值中所述X-Y坐标系中形成曲线，获取所述曲线中斜率最大值处所对应的压实密度为极限压实密度。

与现有技术相比，本发明测试锂离子电池极片极限压实密度的方法是先获得一组具有不同压实密度的极片，将每一极片进行折叠处理获得折痕，再将这组极片逐一进行拉伸实验，记录其在折痕处拉断时的断裂拉力。利用压实密度和各自对应的断裂拉力值获得关系曲线，利用多组数据拟合的关系曲线能直观地体现断裂拉力随压实密度的变化情况，其中拉力为模拟生产过程中卷绕极片时的切向拉伸力，极限压实密度为拟合后的关系曲线上切线最大处对应的压实密度值。该方法使极限压实密度可以通过拉力值的变化来判断，能够使判定标准量化，提高了极片极限压实密度的测试准确度。

附图说明

图1为一极片做平行试验时的裁剪方式及裁剪后的极片样品；

图2是发明实施例测试锂离子电池极片极限压实密度的方法中由各极片的压实密度与对应极片断裂拉力值构建的曲线图；

图3是从图2中ρ1与ρ3之间一共选取至少5个压实密度和读取的对应断裂拉力值重新构建的曲线图；

图4是LFP测试锂离子电池极片极限压实密度的方法中由各LFP极片的压实密度与对应极片断裂拉力值构建的曲线图；

图5是从图4中曲线斜率最大值处左右一共选取的多个压实密度和读取的对应断裂拉力值重新构建的修正曲线图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种测试锂离子电池极片极限压实密度的方法，以实现对极片极限压实密度的精确化和量化并与生产相符合的测试。所述极片极限压实密度测试方法包括如下步骤：

S01.对极片的预处理：获得若干极片，分别对每一极片的压实密度进行测定，并对每一所述极片进行折叠处理以获得一折痕；

S02.测试各极片断裂拉力值：对所述折痕两侧的所述极片分别施加拉力，直至使得所述极片发生断裂，并记录各所述极片断裂时的断裂拉力值；

S03.对各极片的压实密度和断裂拉力值进行数据处理：以所述压实密度为X轴，所述断裂拉力值为纵轴建立X-Y坐标系，将测得各所述极片的所述压实密度与相应所述极片的所述断裂拉力值中所述X-Y坐标系中形成曲线，获取所述曲线中斜率最大值处所对应的压实密度为极限压实密度。

具有地，上述步骤S01中，若干所述极片的数量是多片的，如至少选5片，以便获得一定数量的压实密度等相关数据。

另外，上述步骤S01中的若干所述极片在形状和面密度相同在理论上应该是相同，因此，在实际测试时，应该尽可能选择形状和面密度相同的极片，这样，以保证除了厚度之外，该些因素是相同的，从而以最大限度地保证测试的极片极限压实密度的准确性。

在若干所述极片在形状和面密度相同在理论上应该是相同的基础上，各极片的厚度应该是不同的，以获得不同的压实密度(压实密度＝极片面密度/(极片厚度-集流体厚度))。各极片的厚度可以根据不同电极材料的特性以及制备成极片时的压实密度要求范围进行调节和控制以及选用的。

在对每一片极片进行测试压实密度可以根据常规测定极片压实密度方法进行测试，如在具体实施例中，压实密度可以按照如下公式进行测定：

ρ＝S/h，其中，ρ为极片压实密度，S为极片单面面密度；h为辊压后极片一侧电极材料的平均厚度。其中，极片面密度可以通过已知的参数计算出来，如已知的参数包括集流体质量m₀、极片质量m₁、极片面积A，当在集流体相对两面均涂覆电极材料时，所述极片面密度为：S＝(m₁-m₀)/2A。因此，当电极材料确定后，相应极片的压实密度的范围也基本确定，在常规极片压实密度的范围内，至少选取多个如5个点值的压实密度，根据压实密度公式，相应极片的厚度也基本上是确定的。为使最终构建的曲线图拟合得更加准确，选取的多个极片的压实密度值之间的间隔尽可能小。

因此，若干所述极片的压实密度可以分别记载为ρ1、ρ2、ρ3、ρ4、ρ5、、、、ρn。N优选的大于或等于5的正整数。

另外，为了保证测得的断裂拉力值是在尽可能的同等条件下，一实施例中，在对各所述极片进行折叠处理中，是沿所述极片上同一固定位置同一方向进行所述折叠处理。具体地，在所述折叠处理过程中，对所述极片进行的折叠处理可以是正向折叠、反向折叠或正反向交替折叠，且各极片折叠处理方式一致。在具体实施例中，所述极片进行的所述折叠处理是沿所述极片上一固定位置同一方向进行正反交替一共折叠3次，每次的角度为180^°。当然，还可以是其他角度折叠角度的，不管如何折叠，只要是在所有极片的一固定位置进行同样折叠操作，并在极片上有折痕即可均在本发明实施例公开的范围。

上述各实施例中的所述极片可以是正极片，也可以是负极片。

上述步骤S02中，对所述折痕两侧的所述极片分别施加拉力是为了测定直至使得极片沿着折痕处发生断裂，并记录每片极片发生断裂时的拉力值。在对所述折痕两侧的所述极片分别施加拉力时，可以采用拉力机进行提供，以便于记录极片断裂时的断裂拉力值。该断裂拉力值记为F，则若干所述断裂拉力值可以分别记载为F1、F2、F3、F4、F5、、、、Fn。n优选的大于或等于5的正整数。其中，所述断裂拉力值和压实密度值与相应极片的编号是对应，如编号为1的极片的压实密度值为ρ1，断裂拉力值为F1；编号为2的极片的压实密度值为ρ2，断裂拉力值为F2；依次类推，编号为n的极片的压实密度值为ρn，断裂拉力值为Fn。另外，对极片实施的断裂拉力是模拟极片生产中卷绕极片时所受的切向拉伸力，因此，所述断裂拉力方向优选的是与折痕垂直的，而且上述断裂拉力值也是所述极片沿折痕发生瞬间断裂并形成两半的拉力值。

为了测试结果的准确性，在对每一极片测试压实密度、面密度等参数时，均是记录同一极片的3个样品平行实验数据。具体如图1所示，对同一极片进行平行裁剪成三条，对每一条极片按照上文所述的测试锂离子电池极片极限压实密度的方法进行测试三组平行数据。

上述步骤S03中的数据处理，以所述极片的所述压实密度ρ和拉力值F建立X-Y坐标系，获得各压实密度ρ与其对应拉力值F的关系曲线，如图2所示。具体的是将所述极片的压实密度值ρ作为横坐标X，断裂拉力值F作为纵坐标Y。因此，各极片对应的压实密度值ρ和断裂拉力值F在X-Y坐标系中构建曲线。选取所述曲线斜率最大值处对应的压实密度ρ为极限压实密度ρ_max。

进一步实施例中，在上述步骤S03之后，还包括在靠近所述极限压实密度ρ_max两侧X轴上如图2中ρ1与ρ3之间一共选取至少5个压实密度，如图3中ρ1’、ρ2’、ρ3’、、、ρn’所示。再根据图2所示的压实密度ρ与断裂拉力值F关系曲线，由ρ1’、ρ2’、ρ3’、、、ρn’读出对应的断裂拉力值F1’、F2’、F3’、、、F n’。n优选的大于或等于5的正整数。然后ρ1’、ρ2’、ρ3’、、、ρn’与F1’、F2’、F3’、、、Fn’按照图2所示的规则重新构建，获得如图3所示各压实密度ρ’与其对应拉力值F’的关系曲线，最后从图3所示曲线中获取斜率最大值处所对应的压实密度，该极限压实密度ρ_max’，即为由图2曲线获得的ρ_max进行修正的极限压实密度。因此，该图3中极限压实密度ρ_max’相对该图2中极限压实密度ρ_max更加准确，还可以根据需要进一步修正，但是一般间隔太小的压实密度无法满足，一般一个极片上的压实密度之间是允许一定误差的。

现结合具体实例，对本发明实施例测试锂离子电池极片极限压实密度的方法进行进一步详细说明。

具体对磷酸铁锂(LFP)极片极限压实密度进行测试，具体测试方法如下：

1.材料及相应设备：选用常规的LFP极片，实验仪器为电子天平、千分尺、拉力材料试验机；

2.对LFP极片极限压实密度测试方法详细步骤为：

步骤1：裁剪极片，选取面密度相同的5组LFP极片用作实验，每组极片的尺寸为55mm*100mm(长条形，有利于夹持和拉伸)，5组极片分别辊压为不同厚度的极片(也即是在LFP极片常规压实密度范围内随机选取5个点值的压实密度的极片)，每一极片又分别做3组平行实验，裁剪方式如图1所示；由于在涂布过程中，极片的面密度也会存在差异，误差小于0.03g/100cm²均在允许范围内，针对这一误差，还可以设计更多的平行实验。压实密度之间的误差允许在0.05g/cm³。

步骤2：计算每一极片的压实密度ρ，并沿所述极片上同一固定位置将步骤1中的极片分别进行折叠处理以获得折痕；

步骤3：将各个极片的短边进行夹持后拉伸，记录每个极片的断裂拉力值F。

3.相关项目测试数据。

按照第2部分测试方法进行处理和测试个项目的相关数据，记录如表1。

表1

由表1初步获得的曲线如图4所示。根据图4中曲线，选取曲线斜率最大值对应的极限压实密度值，并以该极限压实密度值为基，在其两侧的曲线上选取如表2中的修正数据，每个拉力值对应均有平行实验，省略了平行实验的数据，整理后的数据如下表2所示：

表2

修正后的关系曲线如下：由表2所示的修正数据获得如图5所示的修正曲线。根据修正曲线，获得曲线斜率最大处的极限压实密度为2.12g/cm³。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测试锂离子电池极片极限压实密度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

获得若干极片，分别对每一极片的压实密度进行测定，并对每一所述极片进行折叠处理以获得一折痕；其中，若干所述极片的形状和面密度相同，且各所述极片的厚度不同；

对所述折痕两侧的所述极片分别施加拉力，直至使得所述极片发生断裂，并记录各所述极片断裂时的断裂拉力值；

以所述压实密度为X轴，所述断裂拉力值为纵轴建立X-Y坐标系，将测得各所述极片的所述压实密度与相应所述极片的所述断裂拉力值在所述X-Y坐标系中形成曲线，获取所述曲线中斜率最大值处所对应的压实密度为极限压实密度。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：还包括在靠近所述极限压实密度两侧X轴上一共选取至少5个压实密度，根据选取的各所述压实密度从所述曲线上获得对应的断裂拉力值，并重在X-Y坐标系中构建曲线，获取所述曲线中斜率最大值处所对应的压实密度，为修正的所述极限压实密度。

3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：对每一所述极片进行折叠处理是沿所述极片上同一固定位置进行所述折叠处理。

4.根据权利要求1-3任一项所述的测试方法，其特征在于：所述折叠处理为正向折叠、反向折叠或正反向交替折叠。

5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于：对所述极片进行的所述折叠处理是沿所述极片上一固定位置同一方向进行正反交替一共折叠3次，每次的角度为180^°。

6.根据权利要求1-3、5任一项所述的测试方法，其特征在于：所述极片数量至少为5片。

7.根据权利要求1-3、5任一项所述的测试方法，其特征在于：所述极片为正极片或负极片。