CN108801817A - 一种柔性电池的弯曲测试方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于具有高安全性储能、柔性储能的电池领域，具体涉及一种柔性电池的弯曲测试方法和设备。弯曲检测设备包括夹具、电化学工作站和万能试验机。夹具由两部分组成，上下两部分都具有“L”形或“土”结构，下部分平板上具有电接口。夹具的两部分的立板分别安装固定在万能试验机的上部和下部。本发明创造性地将材料力学领域的万能试验机，和电池领域的电化学工作站结合起来，利用万能试验机对垂直位移、负载力、运动速度、循环周期等参数的精确控制，进行柔性电池的可控弯曲；在同一时间，利用电化学工作站对柔性电池进行电池循环/倍率充放电、交流阻抗谱、循环伏安等电池性能的无信号干扰测试，测试重复性高，避免人为干扰。

Description

一种柔性电池的弯曲测试方法和设备

技术领域

本发明属于具有高安全性储能、柔性储能的电池领域，具体涉及一种柔性电池的弯曲测试方法和设备。

背景技术

电动汽车、笔记本、手机、充电宝等移动工具大多采用锂离子电池组。这类锂离子电池一般基于液态有机电解质和隔膜，属于“厚”的块体电池(厚度≥3mm)。然而，未来的消费类电子产品，如电子报纸、智能手机、柔性太阳能电池，往往采用柔性结构，器件能在弯曲、折叠、扭曲、撞击等外力干扰下保持正常显示工作状态，这就要求配套供电的电池具备同样的柔性功能，使器件整体具备在柔性环境下工作的能力。因此柔性电池，特别是柔性全固态锂电池是最具发展潜力的一类，这类电池厚度仅为1-3000μm，容量在0.05-500mAh。

目前，针对柔性电池的力学性能测试，即使该类电池最简单的力学测试——循环弯曲测试，目前也仅依赖于半定量测试平台，依赖手工或者半机械操作方法[1-3]，国内外尚无完备、精确的弯曲测试平台对柔性电池进行正常非弯曲状态，和弯曲状态下疲劳、充放电、交流阻抗谱、循环伏安的数据采集，最终针对柔性电池提供产品的力学分析测试报告。

发明内容

本发明的目的是针对目前弯曲测试系统的不足，以及市场对电池力学性能的定量考核的需求，提出一种柔性电池的弯曲测试方法和设备。本发明的技术解决方案如下：

弯曲检测设备包括夹具、电化学工作站和万能试验机。夹具由两部分组成，上下两部分都具有“L”形或“土”结构，下部分平板上具有电接口。夹具的两部分的立板分别安装固定在万能试验机的上部和下部，上部分和下部分的两个平板始终保持平行。下部分平板的电接口分别与电化学工作站的工作电极和对电极连接。测试方法是：

(1)柔性电池的安装：将柔性电池的两端分别固定在夹具的上、下部分的相互平行的平板之间并保证柔性电池无扭折现象，柔性电池的正负极与夹具下部分平板的电接口连接，并使柔性电池正负极引线与周边的设备完全电绝缘和信号隔离；

(2)设置测试参数：对万能试验机上的常用控制参数转换为弯曲测试参数的定义，柔性电池的弯曲测试参数包括控制弯曲的初始半径和最终半径、弯曲速度、弯曲加载力、弯曲循环次数，其中，控制弯曲的初始半径为夹具上下部分两个平板之间初始间距的1/2，控制弯曲的最终半径为夹具上下部分两个平板之间初始间距的1/2减去万能试验机控制的夹具上部分移动距离；柔性电池的弯曲速度为夹具上部分相对于下部分的相对移动速度；弯曲加载力为万能试验机施加在夹具上部分的力；弯曲循环次数为万能试验机控制的夹具上部分往返运动的次数；

(3)柔性电池的弯曲初始化：当提出测试柔性电池向内部结构中活性材料一面的弯曲时，控制万能试验机对初始状态下的柔性电池施加的初始控制力使柔性电池向活性材料一面包拢弯曲，当提出测试柔性电池向内部结构中不带有活性材料一面弯曲时的数据时，控制万能试验机对初始状态下的柔性电池施加的初始控制力使柔性电池向不带有活性材料一面包拢弯曲；

(4)测试并记录：利用电化学工作站检测柔性电池在弯曲测试条件下的倍率以及循环充放电、交流阻抗谱、循环伏安常规参数，与柔性电池在弯曲前的对应参数进行对比分析。

所述的控制过程为自动控制或人工干预的手动控制。

万能试验机的夹具上可以同时安装测试2个以上的柔性电池，同时配套相应个数的电化学工作站。

万能试验机的夹具上可以同时测试向不同方向弯曲的柔性电池，同时配套相应个数的电化学工作站。

测试数据时，电化学工作站记录数据可以在万能试验机的夹具处于动态、静态、动态静态交替中进行，同时万能试验机与电化学工作站同步记录柔性电池的测试数据。

本发明具有的优点和有益效果

(1)现有弯曲测试装置采用手工或者半自动弯曲，重复性差，自动化程度低。本发明创造性地将材料力学领域的万能试验机，和电池领域的电化学工作站结合起来，利用万能试验机对垂直位移、负载力、运动速度、循环周期等参数的精确控制，进行柔性电池的可控弯曲；在同一时间，利用电化学工作站对柔性电池进行电池循环/倍率充放电、交流阻抗谱、循环伏安等电池性能的无信号干扰测试，测试重复性高，避免人为干扰。

(2)采用类似双层平板的柔性电池夹具，可针对不同类型的柔性电池(如薄膜电解质型锂电池、超薄凝胶电解质锂电池)，不同数量的柔性电池(最多100个以上)同时进行安装和弯曲测试。弯曲测试过程中，柔性电池的曲率半径为双层平板的一半。该夹具也可单独对包封后的电解质、正负极等电池主要组成部分进行电化学与机械弯曲试验。

附图说明

图1柔性电池的弯曲测试设备。其中，101：初始状态下的柔性电池；101’：弯曲过程中的柔性电池；102：弯曲夹具固定部分；102’：初始状态下的弯曲夹具移动部分；102”：移动状态下的弯曲夹具移动部分；103：电化学工作站；104：柔性固态锂电池正负极和连接线；105：万能试验机。

图2柔性电池弯曲夹具1。其中，201：初始状态下的柔性电池；201’：弯曲过程中的柔性电池；202：弯曲夹具固定部分；202’：初始状态下的弯曲夹具移动部分；202”：移动过程下的弯曲夹具移动部分。

图3柔性电池弯曲测试中位移-加载力随时间的变化

图4柔性电池弯曲测试中开路电压、电流随时间的变化

图5柔性电池测试夹具2。其中，301-1和301-2：初始状态下的柔性电池1和电池2；301-1’：弯曲过程中的柔性固态锂电池1和电池2；302：弯曲夹具固定部分；302’：初始状态下的弯曲夹具移动部分；302”：移动状态下的弯曲夹具移动部分。

图6针对薄膜锂电池的两种弯曲结构。左图为基片在外侧，薄膜在内侧的结构，标记为“向内”弯曲；右图为基片在内侧，薄膜在外侧的结构，标记为“向外”弯曲。

图7针对薄膜锂电池向内/向外两种弯曲结构，10000次弯曲后的放电容量曲线

具体实施方式

本发明的基本思想是基于利用以下设备：(1)利用万能试验机105对位移、加载力、移动速率的精确控制；(2)电化学工作站103对柔性电池101电压、电流、时间的精确控制；(3)利用柔性电池弯曲测试夹具102，一次装载1个以上的柔性电池，电池可选择向内弯曲/向外弯曲。典型的弯曲测试夹具示意图如图2和图3。三者结合，用于柔性电池的弯曲下电化学性能评估。使用过程中，固定电池正负极一端的夹具不动，且进行电绝缘、信号屏蔽处理，弯曲测试在电池的另一端开展，力学和电化学测试完全独立开展。

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述，但应当理解本发明不局限于此。

采用弯曲夹具固定一个或多个电池的两端，将带有柔性电池的夹具固定于万能试验机上，电池正负极引线连接电化学工作站。测试过程中，利用万能试验机控制动态弯曲的前后半径、弯曲频率和速度、弯曲加载力、弯曲循环次数、内外弯曲性质；控制静态弯曲的前后半径；利用电化学工作站监测电池循环和倍率充放电、交流阻抗谱、循环伏安特性等参数相对于正常非弯曲状态下的变化；

柔性电池整体厚度为1～3000微米，容量在0.05～500mAh；可以同时在夹具上同时安装不少于一个柔性电池；固定电池的弯曲夹具具有两个平行板结构，平行板两端固定柔性电池的两端，其中一端为柔性电池的正负两个电极端；装载在万能试验机上的带夹具的电池，电池正负极引线与周边完全电绝缘和信号隔离；弯曲过程中，弯曲夹具其中一块平行板固定，另一块沿着与平行板垂直方向往返运动，平行板间的距离为柔性电池弯曲半径的两倍；弯曲过程中，从电池弯曲夹具中引出的电池正负极引线静止不动，另一端与电化学工作站连接；

一种柔性电池的弯曲测试设备，设备包含柔性电池、弯曲测试夹具、万能试验机、电化学工作站，满足实现上述柔性电池弯曲测试方法。设备所述的控制过程为自动控制或人工干预的手动控制。

实施例1

制备一块柔性全固态薄膜锂电池，其材料体系为金属箔基片、钴酸锂正极、掺杂氮的磷酸锂负极，锂负极，电池厚度为200μm，容量180mAh，电压平台3.9V。

将此电池安装于如图2的夹具中，电池正负极端固定在下部夹具底座上，另一端可根据万能试验机弯曲，弯曲曲率半径R在20-100mm之间变动，对应的万能试验机位移在0-200mm，加载力在0-4N，弯曲周期为50s，移动速率恒定为2mm/s，如图3所示，过程采用自动控制。

如图4，经历了5000次循环弯曲之后，置于静止状态，继续测试6小时之内的开路电压(4.039V-4.042V)和漏电流(-0.25uA～-0.15uA)保持稳定。

实施例2

制备两块柔性全固态薄膜锂电池，其材料体系为聚合物基片、钴酸锂正极、掺杂氮的磷酸锂负极、锂负极、金集流体，每一块电池厚度为1mm，容量10mAh，电压平台3.9V。

将这两块电池以图6的方式，安装于如图5的夹具中。两块电池分别为“向内”弯曲(薄膜在基片的内侧)、“向外”弯曲(薄膜在基片的外侧)，电池正负极端固定在下部夹具底座上，另一端可根据万能试验机弯曲，弯曲曲率半径R在10-50mm之间变动，对应的万能试验机位移在0-100mm，加载力在1-10N，弯曲周期为100s，移动速率恒定为1mm/s，过程采用自动控制，两块电池各连接一套电化学工作站。

如图7，在10000次循环弯曲期间(动态过程中)，两块电池以0.5C倍率、100％DoD循环充放电；10000次循环弯曲之后，电池在向内弯曲/向外弯曲情况的放电容量，分别相当于初始为弯曲状态下的99.5％/99.4％。

综上所述，虽然已参照本发明较好的具体实施例来描述本发明，本领域技术人员应了解，可在外型与细节上进行各种修改与修饰，而不背离本发明的精神和范围。附随权利要求理应涵括所有此类的修改与修饰。

Claims (5)

1.一种柔性电池的弯曲检测设备，其特征是，弯曲检测设备包括夹具、电化学工作站和万能试验机。夹具由两部分组成，上下两部分都具有“L”形或“土”结构，下部分平板上具有电接口，夹具的两部分的立板分别安装固定在万能试验机的上部和下部，上部分和下部分的两个平板始终保持平行，下部分平板的电接口分别与电化学工作站的工作电极和对电极连接，测试方法是：

(1)柔性电池的安装：将柔性电池的两端分别固定在夹具的上、下部分的相互平行的平板之间并保证柔性电池无扭折现象，柔性电池的正负极与夹具下部分平板的电接口连接，并使柔性电池正负极引线与周边的设备完全电绝缘和信号隔离；

(2)设置测试参数：对万能试验机上的常用控制参数转换为弯曲测试参数的定义，柔性电池的弯曲测试参数包括控制弯曲的初始半径和最终半径、弯曲速度、弯曲加载力、弯曲循环次数，其中，控制弯曲的初始半径为夹具上下部分两个平板之间初始间距的1/2，控制弯曲的最终半径为夹具上下部分两个平板之间初始间距的1/2减去万能试验机控制的夹具上部分移动距离；柔性电池的弯曲速度为夹具上部分相对于下部分的相对移动速度；弯曲加载力为万能试验机施加在夹具上部分的力；弯曲循环次数为万能试验机控制的夹具上部分往返运动的次数；

(3)柔性电池的弯曲初始化：当测试柔性电池向内部结构中活性材料一面的弯曲时，控制万能试验机对初始状态下的柔性电池施加的初始控制力使柔性电池向活性材料一面包拢弯曲，当测试柔性电池向内部结构中不带有活性材料一面弯曲时的数据时，控制万能试验机对初始状态下的柔性电池施加的初始控制力使柔性电池向不带有活性材料一面包拢弯曲；

(4)测试并记录：利用电化学工作站检测柔性电池在弯曲测试条件下的倍率以及循环充放电、交流阻抗谱、循环伏安常规参数，与柔性电池在弯曲前的对应参数对比分析。

2.根据权利要求1所述的一种柔性电池的弯曲检测设备，其特征是，所述的控制过程为自动控制或人工干预的手动控制。

3.根据权利要求1所述的一种柔性电池的弯曲检测设备，其特征是，万能试验机的夹具上可以同时安装测试2个以上的柔性电池，同时配套相应个数的电化学工作站。

4.根据权利要求1所述的一种柔性电池的弯曲检测设备，其特征是，万能试验机的夹具上可以同时测试向不同方向弯曲的柔性电池，同时配套相应个数的电化学工作站。

5.根据权利要求1所述的一种柔性电池的弯曲检测设备，其特征是，测试数据时，电化学工作站记录数据可以在万能试验机的夹具处于动态、静态、动态静态交替中进行，同时万能试验机与电化学工作站同步记录柔性电池的测试数据。