CN108663273A - 测量锂离子电池机械形变应力的试验方法 - Google Patents

测量锂离子电池机械形变应力的试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法包括：在夹具上贴装压力传感器；选用未注液的开口锂离子电池置于夹具两端板间，调整夹具两端板间距等于电池壳厚度设计尺寸；往电池壳内注入惰性气体模拟电池充放电，激发电池壳产生机械形变，压力传感器感应机械形变产生应变信号，通过调控注入电池壳内的气体压强获得一系列应变信号数据，从而得到压力传感器工作曲线；选用激活后的锂离子电池置于两端板间，根据实测电池壳厚度或电池装配时厚度方向的尺寸要求确定两端板间的间距；对锂离子电池进行充放电循环，同时监测压力传感器的应变信号；根据压力传感器工作曲线计算电池机械形变应力。本发明可在不影响电池工作性能的前提下持续监测机械形变应力。

Description

测量锂离子电池机械形变应力的试验方法
技术领域
本发明涉及化学电源技术领域，具体涉及一种测量锂离子电池机械形变应力的试验方法。
背景技术
锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、荷电保持能力优、循环寿命长、工作温度范围宽、无记忆效应等特点，自商品化以来被广泛应用于电子产品，并且在航空、航天、航海、战术武器、交通工具、医疗仪器等领域逐步代替传统电池。
从外形上讲，锂离子电池有长方体形锂离子电池、圆柱体形锂离子电池及扣式锂离子电池等几种表现形式，而长方体形锂离子电池按包装形式又可以分为刚性外壳锂离子电池和软包装锂离子电池。采用刚性外壳的长方体形锂离子电池，除包含在刚性外壳内的正极片、负极片、隔膜和电解液外，还包括刚性外壳外的正负极柱和各种密封、绝缘、安全部件。采用刚性外壳的长方体形锂离子电池引流结构容易改进、承受大电流能力强、散热性能良好、电池成组方便且组合空间利用率高，能够适应大容量、大功率锂离子电池或电池组的开发。
锂离子电池实际上是Li+的浓差电池。充电时，Li+自正极材料的晶格中脱出，通过电解液迁移到负极，嵌入至负极材料的层状结构(或晶格)中或者是形成合金；放电时，Li+的迁移方向相反。由于Li+在正负极材料中嵌入和脱出引起的晶胞体积膨胀不一致，所以锂离子电池的工作过程伴随着电极材料体积的变化，在宏观上表现为极片厚度的变化，电极堆内极片厚度变化累加超过电池壳内腔的设计尺寸时则会对电池壳产生机械压力。此外，锂离子电池工作时可能会发生不同程度的电解液分解现象，如电池注液后首次充电、电化学反应体系内存在杂质、密封性不佳导致水含量超标、电池超设计性能使用等，均会引起电解液的氧化还原反应使之分解产生气体，造成电池壳内气压增高而使电池壳发生机械形变。
相比于圆柱体形锂离子电池，长方体形锂离子电池电池壳的耐压能力要弱很多，特别是长宽比越接近1，受力面积越大，机械形变越严重。极片厚度的变化直接作用于平行于极片的电池壳面，加之气压增长对电池壳的影响，会造成电池壳厚度方向的尺寸变化、使之发生鼓胀形变。电池壳厚度方向的尺寸变化是反映锂离子电池内部结构变化的一个重要参数，会随着电池的荷电状态、工作履历和约束状态而发生改变，同时也会对锂离子电池成组使用和寿命造成不利的影响，因此一般会在锂离子电池厚度方向施加一个限制结构用以约束其尺寸变化。基于此，测量锂离子电池机械形变应力对研究锂离子电池电极片和电极堆内部结构和应力变化、研究电池壳与电池组的结构设计和安全性设计就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，用以获得由于充放电循环引起的锂离子电池机械形变应力数据，为优化锂离子电池电极片、电极堆、电池壳及电池组结构设计提供支撑。
为了达到上述的目的，本发明提供一种测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，包括：1)在锂离子电池夹具上贴装压力传感器；2)选用未注液的开口锂离子电池，将该锂离子电池置于夹具两端板间，调整夹具两端板间距等于电池壳厚度设计尺寸；3)往锂离子电池电池壳内注入惰性气体模拟锂离子电池充放电，激发电池壳产生机械形变，电池壳的机械形变传递至夹具导致夹具发生机械形变，贴装于夹具的压力传感器感应到夹具的机械形变产生应变信号，通过调控注入电池壳内的气体压强获得一系列应变信号数据，从而得到应变信号与气体压强的函数关系y＝ax+b，即压力传感器工作曲线，其中，y为压力传感器应变信号，x为电池壳内气体压强；4)选用激活后的锂离子电池置于夹具两端板间，根据实测锂离子电池电池壳厚度或锂离子电池装配时厚度方向的尺寸要求确定夹具两端板间的间距；5)对锂离子电池进行充放电循环，同时监测夹具上压力传感器的应变信号；6)根据压力传感器工作曲线计算锂离子电池机械形变应力。
上述测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其中，所述步骤1)中，压力传感器贴装位置对应锂离子电池机械形变明显区域。
上述测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其中，所述步骤3)中，所述惰性气体为氮气或氦气。
上述测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其中，所述步骤3)中，气体压强调控范围为0～1.2MPa；气体压强调控方法为：以0起点，后续每次注入电池壳内的惰性气体为0.2MPa，直至电池壳内气体压强为1.2MPa；电池壳内气体压强稳定1min～2min后再记录压力传感器应变信号。
上述测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其中，所述步骤3)中，y与x的正向相关系数R值不低于0.99，a和b的值能根据监测需求通过在压力传感器上并联电阻来调整。
上述测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其中，所述步骤4)中，根据实测锂离子电池电池壳厚度确定夹具两端板间的间距，夹装后，锂离子电池电池壳与夹具端板间无预紧力；根据锂离子电池装配时厚度方向的尺寸要求确定夹具两端板间的间距，夹装后，锂离子电池电池壳与夹具端板之间有预紧力。
上述测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其中，所述夹具包括定位件、填充片、壁板和端板；所述端板为两块，两块端板相互平行设置；所述壁板为两块，两块壁板相互平行设置，两块壁板的平行方向与两块端板的平行方向相互垂直，且两块壁板均置于两块端板之间，所述壁板分别通过紧固件与两块端板连接；两块端板和两块壁板构成一容腔，在该容腔的四个角上各设置一个所述定位件，所述定位件通过紧固件与其相邻的壁板连接；锂离子电池置于所述容腔内，且夹持在四个定位件间；两块端板在锂离子电池厚度方向上分别位于锂离子电池的两侧；端板内壁上设有凹槽，该凹槽用于贴装压力感应器；所述填充片在压力感应器贴装固化后贴装于所述凹槽内，用于填充压力感应器周围的空隙。
上述测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其中，所述压力传感器包括四片电阻应变片，工作原理为四元式惠斯登电桥；两片电阻应变片装贴于端板内壁的凹槽内，另外两片电阻应变片装贴于端板外壁上，且凹槽内两片电阻应变片的装贴位置与外壁上两片电阻应变片的装贴位置对称；四片电阻应变片栅丝长度方向均与锂离子电池机械形变方向保持一致。
上述测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其中，锂离子电池为刚性外壳的长方体形锂离子电池。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
本发明的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法采用贴装于夹具上的压力传感器测量锂离子电池的机械形变应力，可在不影响锂离子电池工作性能的前提下持续监测工作寿命期间或特殊工作状态下的机械形变应力。本发明的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法既可用于锂离子电池单体，又可用于锂离子电池组；
本发明的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法中设计的夹具，两端板间的间距由壁板控制，安装精度高，可间接提高试验精度。
附图说明
本发明的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法由以下的实施例及附图给出。
图1是本发明较佳实施例中锂离子电池机械形变应力测量装置示意图。
图2是本发明较佳实施例中夹具的主视图。
图3是本发明较佳实施例中夹具的侧视图。
图4是图2中的A-A视图。
图5是本发明较佳实施例中压力传感器的示意图。
图6是本发明较佳实施例中使用试验方法获得的压力传感器工作曲线示意图。
图7是锂离子电池荷电态与压力传感器应变信号的对应关系示意图。
图8是锂离子电池荷电态与机械形变应力的对应关系示意图。
具体实施方式
以下将结合图1～图8对本发明的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法作进一步的详细描述。
本发明中，所述机械形变主要是指锂离子电池充放电循环中产生的锂离子电池厚度方向(也可称为锂离子电池电池壳厚度方向)的尺寸变化；所述机械形变应力为电池壳内部产生的、使锂离子电池发生机械形变的应力，此应力可传递至与锂离子电池接触的外部结构件(例如夹具)。
本发明主要针对长方体形锂离子电池而言，尤其是刚性外壳的长方体形锂离子电池。
本发明的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法包括：
1)在锂离子电池夹具上贴装压力传感器；
若锂离子电池为电池单体，采用夹具约束电池单体外形尺寸，若锂离子电池为电池组，则直接利用该电池组自带的外部结构件，该外部结构件是用于约束电池组外形尺寸的组件，故，对于电池组，步骤1)中的夹具即指电池组自带的外部结构件，为了描述的简便，本申请统一使用“夹具”；
压力传感器贴装位置对应锂离子电池机械形变明显区域；
2)选用未注液的开口锂离子电池，将该锂离子电池置于夹具两端板间，调整夹具两端板间距等于电池壳厚度设计尺寸；
未注液的开口锂离子电池，其外形尺寸为设计尺寸；
夹具两端板在锂离子电池厚度方向上分别位于锂离子电池两侧；
夹具两壁板在其平行方向上的长度等于未注液的开口锂离子电池电池壳厚度设计尺寸；
步骤2)中将锂离子电池置于夹具内时，锂离子电池处于自然状态，即锂离子电池电池壳与夹具端板间无挤压，此时，锂离子电池电池壳与夹具端板之间无压力产生；
3)往锂离子电池电池壳内注入惰性气体模拟锂离子电池充放电，激发电池壳产生机械形变，电池壳的机械形变传递至夹具导致夹具发生机械形变，贴装于夹具的压力传感器感应到夹具的机械形变产生应变信号，通过调控注入电池壳内的气体压强获得一系列应变信号数据，从而得到应变信号与气体压强的函数关系y＝ax+b，即压力传感器工作曲线，其中，y为压力传感器应变信号，x为电池壳内气体压强；
较佳地，所述惰性气体为氮气或氦气；气体压强调控范围为0～1.2MPa；气体压强调控方法为：以0起点，后续每次注入电池壳内的惰性气体为0.2MPa，直至电池壳内气体压强为1.2MPa；电池壳内气体压强稳定1min～2min后再记录压力传感器应变信号。
较佳地，y与x的正向相关系数R值不低于0.99，a和b的值可根据监测需求通过在压力传感器上并联电阻来调整；
4)选用激活后的锂离子电池置于夹具两端板间，根据实测锂离子电池电池壳厚度或锂离子电池装配时厚度方向的尺寸要求确定夹具两端板间的间距；
根据实测锂离子电池电池壳厚度确定夹具两端板间的间距，夹装后，锂离子电池处于自然状态，即锂离子电池电池壳与夹具端板间无挤压，此时，锂离子电池电池壳与夹具端板之间无压力产生；
根据锂离子电池装配时厚度方向的尺寸要求确定夹具两端板间的间距，夹装后，夹具端板在锂离子电池电池壳厚度方向对锂离子电池电池壳的尺寸有约束作用，此时，锂离子电池电池壳与夹具端板之间有预紧力；
5)对锂离子电池进行充放电循环，同时监测夹具上压力传感器的应变信号；
6)根据压力传感器工作曲线计算锂离子电池机械形变应力。
本发明的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法采用贴装于夹具上的压力传感器测量锂离子电池的机械形变应力，可在不影响锂离子电池工作性能的前提下持续监测工作寿命期间或特殊工作状态下的机械形变应力。本发明的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法既可用于锂离子电池单体，又可用于锂离子电池组。
以测量锂离子电池单体机械形变应力为例，详细说明本发明的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法。
本实施例中，锂离子电池电池壳为长方体铝壳，外形设计尺寸为185.5mm×75.2mm×30.7mm，电化学体系为LCO/graphite，额定容量为30Ah。外形尺寸中尺寸最小的方向为锂离子电池电池壳厚度方向，也可称为锂离子电池厚度方向，本实施例锂离子电池电池壳设计厚度为30.7mm。
图1所示为本发明较佳实施例中锂离子电池机械形变应力测量装置示意图。如图1所示，该测量装置包括锂离子电池充放电设备1、夹具2、恒流源3、数据采集仪4和压力传感器。
图2所示为本发明较佳实施例中夹具的主视图；图3所示为本发明较佳实施例中夹具的侧视图；图4所示为图2中的A-A视图。
参见图2至图4，本实施例的夹具包括定位件21、填充片22、壁板23和端板24；所述端板24为两块，两块端板24相互平行设置，两块端板24之间的间距与锂离子电池电池壳厚度有关；所述壁板23为两块，两块壁板23相互平行设置，两块壁板23的平行方向与两块端板24的平行方向相互垂直，且两块壁板23均置于两块端板24之间，所述壁板23分别通过紧固件与两块端板24连接；两块端板24和两块壁板23构成一容腔，在该容腔的四个角上各设置一个所述定位件21，所述定位件21通过紧固件与其相邻的壁板23连接；待测量锂离子电池5(本实施例为电池单体)置于所述容腔内，且夹持在四个定位件21间；两块端板24在锂离子电池厚度方向上分别位于待测量锂离子电池5的两侧；端板24内壁上设有凹槽25，该凹槽25用于贴装压力感应器，故该凹槽25的位置对应锂离子电池机械形变明显区域，例如端板24中心；端板24上设有第一贯通孔26，该第一贯通孔26用于压力感应器走线，避免压力感应器的引出导线对锂离子电池机械形变产生影响；所述填充片22在压力感应器贴装固化后贴装于所述凹槽25内，用于填充压力感应器周围的空隙。
参见图4，所述壁板23上设有多个螺纹孔，所述螺纹孔中心轴线在两块壁板23的平行方向上，多个螺纹孔相互平行排布；一个所述螺纹孔对应两个螺栓27，两个螺栓27分别穿过两块端板24在对应螺纹孔内与螺纹孔螺纹连接，实现壁板23与两块端板24的紧固连接。所述壁板23用于控制两块端板24之间的间距。
参见图4，所述定位件21上设有第二贯通孔，该第二贯通孔包含两端同心但直径不同的通孔，所述第二贯通孔中心轴线在两块端板24的平行方向上，螺钉28经所述第二贯通孔旋入所述壁板23内，实现定位件21与壁板23的紧固连接。所述定位件21用于保证待测量锂离子电池5竖直装入夹具，即不会在两块端板24的平行方向上偏移，从而使待测量锂离子电池5最易产生机械形变的部位正对着压力传感器。所述定位件21采用非金属材料制作。
图5所示为本发明较佳实施例中压力传感器的示意图。
参见图5，所述压力传感器包括四片电阻应变片，分别为电阻应变片R1、电阻应变片R2、电阻应变片R3和电阻应变片R4，工作原理为四元式惠斯登电桥；两片电阻应变片装贴于端板24内壁的凹槽25内(例如电阻应变片R1和电阻应变片R2)，另外两片电阻应变片装贴于端板24外壁上(例如电阻应变片R3和电阻应变片R4)，且凹槽25内两片电阻应变片的装贴位置与外壁上两片电阻应变片的装贴位置对称，四片电阻应变片的装贴位置均对应锂离子电池机械形变明显区域。四片电阻应变片栅丝长度方向均与锂离子电池机械形变方向保持一致。本实施例中，四片电阻应变片阻值均为350Ω±1Ω。
如图5所示，压力传感器的激励信号端接入恒流源，输入恒定电流20mA；压力传感器的应变信号端接入数据采集仪，采集电压信号，连续两次采样的时间间隔为15s。压力传感器应变信号为电压信号。
本实施例的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法包括：
1)在夹具上贴装压力传感器；
既可在两块端板24上各装贴一个压力传感器，又可只在其中一块端板24上装贴一个压力传感器；一个压力传感器的四片电阻应变片装贴于同一块端板24上；本实施例装贴一个压力传感器；
2)选用未注液的开口锂离子电池，测量该锂离子电池电池壳的厚度，选择与该锂离子电池电池壳厚度相匹配的壁板，将该锂离子电池置于两块端板24之间，旋紧螺栓27，旋紧螺栓27的过程中压力传感器的应变信号基本不变；
未注液的开口锂离子电池，其电池壳厚度为设计厚度，本实施例中为30.7mm；
壁板用于控制两块端板之间的间距，故该步骤中选择的壁板，其在两块壁板平行方向上的长度等于还未注入电解液的锂离子电池电池壳的厚度，即等于30.7mm；
3)往步骤2)选用的锂离子电池电池壳内注入氮气模拟锂离子电池充放电，激发电池壳产生机械形变，电池壳的机械形变传递至夹具导致夹具发生机械形变，贴装于夹具的压力传感器感应到夹具的机械形变产生应变信号；注入氮气的过程中对压力传感器桥路进行调整，分别记录电池壳内气体压强为0、0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MP时，压力传感器应变信号，并以电池壳内气体压强为自变量x、以压力传感器应变信号为因变量y绘制出压力传感器工作曲线y＝5.0500x-0.0086，正向相关系数R＝0.9999，见图6；
记录压力传感器应变信号时，应等电池壳内气体压强稳定1min～2min后再记录；
4)选用已激活锂离子电池，测量该锂离子电池电池壳厚度或根据电池组装配对锂离子电池厚度方向的尺寸要求，选择相匹配的壁板，将该锂离子电池置于两块端板24之间，旋紧螺栓27；
本实施例中，实测已激活锂离子电池电池壳厚度为31.82mm，既可根据该厚度选择相匹配的壁板(即选择在两块壁板平行方向上的长度等于31.82mm的壁板)，又可根据电池组装配对锂离子电池厚度方向的尺寸要求选择相匹配的壁板；
本实施例根据电池组装配对锂离子电池厚度方向的尺寸要求选择相匹配的壁板，壁板在两块壁板平行方向上的长度等于31.70mm；由于夹具两端板24限制了锂离子电池厚度方向上的尺寸，故此时锂离子电池承受了一定的预紧力，根据端板24上压力传感器应变信号的变化值2.238mV和压力传感器工作曲线y＝5.0500x-0.0086可知该预紧力值为0.4455MPa，即锂离子电池电池壳承受了0.445MPa的机械形变应力；
5)对锂离子电池进行20周次充放电循环，充放电倍率为0.28C，充电截止电压为4.1V，放电深度为17.5％，充放电过程中持续监测夹具端板24上的压力传感器应变信号；图7所示为锂离子电池荷电态与压力传感器应变信号的对应关系示意图；压力传感器应变信号与锂离子电池荷电态的变化趋势始终保持一致，恒流充电时应变信号线性增长，恒流放电时应变信号线性衰减；锂离子电池4.1V满电态时，压力传感器应变信号为3.054mV；
6)根据压力传感器工作曲线y＝5.0500x-0.0086，计算锂离子电池的机械形变应力，图8所示为锂离子电池荷电态与机械形变应力的对应关系示意图；锂离子电池4.1V满电态时，电池壳内产生的机械形变应力为0.606MPa。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其特征在于，包括：
1)在锂离子电池夹具上贴装压力传感器；
2)选用未注液的开口锂离子电池，将该锂离子电池置于夹具两端板间，调整夹具两端板间距等于电池壳厚度设计尺寸；
3)往锂离子电池电池壳内注入惰性气体模拟锂离子电池充放电，激发电池壳产生机械形变，电池壳的机械形变传递至夹具导致夹具发生机械形变，贴装于夹具的压力传感器感应到夹具的机械形变产生应变信号，通过调控注入电池壳内的气体压强获得一系列应变信号数据，从而得到应变信号与气体压强的函数关系y＝ax+b，即压力传感器工作曲线，其中，y为压力传感器应变信号，x为电池壳内气体压强；
4)选用激活后的锂离子电池置于夹具两端板间，根据实测锂离子电池电池壳厚度或锂离子电池装配时厚度方向的尺寸要求确定夹具两端板间的间距；
5)对锂离子电池进行充放电循环，同时监测夹具上压力传感器的应变信号；
6)根据压力传感器工作曲线计算锂离子电池机械形变应力。
2.如权利要求1所述的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其特征在于，所述步骤1)中，压力传感器贴装位置对应锂离子电池机械形变明显区域。
3.如权利要求1所述的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述惰性气体为氮气或氦气。
4.如权利要求1所述的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其特征在于，所述步骤3)中，气体压强调控范围为0～1.2MPa；气体压强调控方法为：以0起点，后续每次注入电池壳内的惰性气体为0.2MPa，直至电池壳内气体压强为1.2MPa；电池壳内气体压强稳定1min～2min后再记录压力传感器应变信号。
5.如权利要求1所述的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其特征在于，所述步骤3)中，y与x的正向相关系数R值不低于0.99，a和b的值能根据监测需求通过在压力传感器上并联电阻来调整。
6.如权利要求1所述的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其特征在于，所述步骤4)中，根据实测锂离子电池电池壳厚度确定夹具两端板间的间距，夹装后，锂离子电池电池壳与夹具端板间无预紧力；根据锂离子电池装配时厚度方向的尺寸要求确定夹具两端板间的间距，夹装后，锂离子电池电池壳与夹具端板之间有预紧力。
7.如权利要求1所述的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其特征在于，所述夹具包括定位件、填充片、壁板和端板；所述端板为两块，两块端板相互平行设置；所述壁板为两块，两块壁板相互平行设置，两块壁板的平行方向与两块端板的平行方向相互垂直，且两块壁板均置于两块端板之间，所述壁板分别通过紧固件与两块端板连接；两块端板和两块壁板构成一容腔，在该容腔的四个角上各设置一个所述定位件，所述定位件通过紧固件与其相邻的壁板连接；锂离子电池置于所述容腔内，且夹持在四个定位件间；两块端板在锂离子电池厚度方向上分别位于锂离子电池的两侧；端板内壁上设有凹槽，该凹槽用于贴装压力感应器；所述填充片在压力感应器贴装固化后贴装于所述凹槽内，用于填充压力感应器周围的空隙。
8.如权利要求7所述的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其特征在于，所述压力传感器包括四片电阻应变片，工作原理为四元式惠斯登电桥；两片电阻应变片装贴于端板内壁的凹槽内，另外两片电阻应变片装贴于端板外壁上，且凹槽内两片电阻应变片的装贴位置与外壁上两片电阻应变片的装贴位置对称；四片电阻应变片栅丝长度方向均与锂离子电池机械形变方向保持一致。
9.如权利要求1所述的测量锂离子电池机械形变应力的试验方法，其特征在于，锂离子电池为刚性外壳的长方体形锂离子电池。
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