CN109916951A - 一种锂电池隔膜闭孔-破膜温度检测装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池隔膜闭孔‑破膜温度检测装置及其测试方法，包括：圆柱加热主板、圆柱测试底板、锂电池隔膜、加热控制器、电加热棒、测温孔、热电偶、测阻孔、测阻传感器、测阻活动块、加热活动块、测温仪、测阻仪、加热孔、调节螺栓、弹簧、圆形密封环、矩形散热孔、螺栓，所述隔膜密封于圆柱测试底板空腔。使用方法：加热棒插入加热孔，温度和内阻在电脑实时显示；随着加热棒温度升高，装置温度升高，待温度升到一定值，隔膜微孔逐步闭合，阻值迅速升高，判定隔膜闭孔；当温度继续升高，隔膜破裂，阻值突然下降，此温度值为破膜温度。本发明使用方便、实时显示、内阻随温度同步变化、误差范围小。

Description

一种锂电池隔膜闭孔-破膜温度检测装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种能准确检测锂电池隔膜闭孔-破膜温度的装置及其测试方法。

背景技术

随着科学技术的发展，锂电池已成为动力电池发展的主流，其具有比能量高、工作温度范围宽、放电平稳等优点，但目前在使用过程中还存在各种安全隐患，制约其发展。安全性是电池必须考虑的因素，其中隔膜的闭孔温度和破膜温度是锂离子电池保障安全性的重要指标。现有锂电池主要由正极、负极、电解液及隔膜组成，隔膜的主要作用是将正极和负极隔开，防止正负极片直接接触而产生短路，防止电子通过，允许离子通过；其性能的优劣决定着电池的界面结构和内阻，进而影响着锂电池的容量、循环性、充放电电流密度等关键特性，因此隔离膜性能的优劣对于提高电池的综合性能起重要的作用。当锂电池内部温度升高时，隔膜关闭微孔，阻止锂离子通过，切断正与负极之间的联系，使电池内部化学反应停止，提高电池的安全性。

锂电池隔膜的结构由大量微孔组成，孔径1μm以下。由于电池内部短路所产生的热量使其温度迅速升高，当温度升高到一定程度，隔膜微孔会慢慢闭合，使电池内阻增大，直到隔膜微孔完全闭合，电池内部正负极反应完全停止，其内部温度得到控制，防止“热失控”现象的发生，有效的阻止了锂电池爆炸或起火等安全事故的发生。隔膜闭孔温度值越低，锂电池在短路情况下关闭电池内部反应的时间越早，锂电池越安全，反之，电池安全性难以得到保障。但隔膜闭孔温度必须在适当范围，同时应高于电池使用的环境温度，以保证电池正常使用。

如果电池内部产生的热量来不及散出，在锂电池内部聚集，在隔膜闭孔后温度继续上升，达到隔膜的熔融温度，隔膜破裂熔融，导致电池内部正负极片直接接触在一起，发生剧烈化学反应，内部温度重新迅速升高，引发“热失控”现象。温度升高达到锂的熔点或电解液的引燃点而引起火灾事故的发生，严重时导致电池起火爆炸，因此破膜温度也是锂电池安全性的一个重要指标。如果电池隔膜因熔化而使微孔闭合后，内部温度进一步升高，隔膜熔化粘度降低，达到破膜温度则发生破裂，电极会直接接触，引发危险，因此在熔融温度以上使隔离膜保持其形状是必要的。隔膜破裂温度越高，则阻止离子流通的时间也越长，安全性越高。膜破裂温度与闭孔温度的差值是决定电池安全性的决定因素。在隔膜实际生产中，其闭孔-破膜温度必须要控制且能准确的测出，因此其测试装置及测试方法的研究对锂电池隔膜质量控制及其重要的。

目前，现有测试装置及检测方法无法保证温度随测试量的同步性，不能保证检测温度范围的准确性；同时大多加热方法是将测试装置放在烘箱中加热，操作复杂，且不安全，导致大多数锂电池隔膜生产商不能对隔膜的闭孔和破膜温度进行准确的测量，提供的隔膜产品的闭孔、破膜温度范围以及相关参数准确度不够，导致锂电池产品时存在严重的安全隐患。电阻突变法（闭孔测试法）是模拟电池工作，在温度升高过程中，测定浸在电解液中隔膜两侧的电阻突变点。即在升温的条件下测试电池的电阻，当电阻瞬间升高时所对应的温度即是隔膜闭孔温度，再次降低时即为破膜温度。具体操作过程可以参考UL 2591-2009《Standard for Safety Outline of Investigation for Battery Separators》和NASA TM 2010-216099。根据现状，锂电池隔膜行业需要设计专门为测试锂电池隔膜闭孔温度和破膜温度等参数的专用装置及相关的完整检测方案，以弥补此参数测试方法的不足，为产品的安全使用提供保障。本发明测试装置只需要测量隔膜温度，测试方法直观、操作简便，绿色无污染。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，一种锂电池隔膜闭孔-破膜温度检测装置及其测试方法。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：一种锂电池隔膜闭孔-破膜温度的检测装置，包括：圆柱加热主板、圆柱测试底板、锂电池隔膜、加热控制器、测温孔、测阻孔、测阻活动块、加热活动块、测温仪、测阻仪、加热孔、调节螺栓、弹簧、圆形密封环、矩形散热孔、螺栓，所述圆柱加热主板和圆柱测试底板之间螺纹连接，所述圆柱空腔上方设置有一个调节螺栓，所述调节螺栓下方与弹簧固定连接，所述弹簧下方设有加热活动块，所述加热活动块有一水平加热孔；加热孔用于放置电加热棒，所述电加热棒与加热控制器连接；圆柱加热主板两侧有两对称散热孔；所述加热活动块的下方设有一个测阻活动块，所述测阻活动块连接测阻仪，所述测阻活动块的下方有圆形密封环，所述测阻活动块通过下方设有圆形密封环内孔直接与锂电池隔膜接触；所述锂电池隔膜下方设有测阻底孔，所述测阻底孔连接测阻仪；所述圆柱测试底板中心的侧端有两对称测温孔，所述测温孔连接测温仪；所述圆柱测试底板下端设置有两对称穿线孔，所述穿线孔的一侧设置有两个矩形散热孔。

所述调节螺栓由全螺纹杆构成，方便调节弹簧，调节距离范围为0-20mm。

所述电加热棒通过加热孔穿过加热活动块，方便加热均匀，加热的温度范围为0-300℃。

所述测阻活动块由测阻圆柱和测阻手柄构成，所述测阻手柄方便测阻活动块的放置。

所述圆形密封环为绝缘绿色氟胶材质,耐高温200℃-350℃，内径大于测阻活动块测阻圆柱的直径。

所述测阻底孔距离锂电池隔膜1-5mm，方便测阻传感器快速感应电阻变化。

所述测温孔为对称结构，长为0-20mm，宽为0-35mm，每侧距离锂电池隔膜0.5-5mm。

进一步的，所述圆柱加热主板和圆柱测试底板、调节螺栓、加热活动块、测阻活动块、弹簧、电加热棒表层、螺栓均为不锈钢。

一种锂电池隔膜闭孔-破膜温度检测装置的测试方法，其步骤具体如下：

1） 将锂电池隔膜剪成大小方形样品（15mm*15mm），在电解液中浸泡约10-15分钟，密封于圆柱测试底板空腔中；

2） 将加热控制器升温速率（10-60℃/min）设置为所需值200℃，给电加热棒通电；

3）将测温仪和测阻仪设定相同的同步采样速度10ms-100ms，收集温度值和内阻值，电脑界面实时显示温度-电阻变化曲线，记录温度T，对应内阻值R；

4）随着电加热棒温度升高，整个装置的温度随之升高，待温度升到130-140℃范围内，锂电池隔膜微孔逐步闭合，内部阻值迅速升高，根据电阻突变点据此判定闭孔温度；当温度继续升高到160-170℃范围内，隔膜开始破裂，内阻突然下降，据此判定破膜温度。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

（1）本发明采用电阻法的基本原理，将隔膜密封于圆柱测试底板和测阻活动块之间，创造性地采用电加热法与电阻法结合，检测锂电池隔膜的闭孔温度和熔融破膜温度等参数，而且通过不同温度、不同内阻条件下隔膜的闭孔温度等参数对实际生产提供指导，解决了隔膜闭孔-破膜检测装置加热源单一的问题，替代的现有的烘箱加热，解决了加热不方便的问题；

（2）调节螺栓下方与弹簧固定连接，弹簧可以缓解金属活动块因在加热状态热胀冷缩产生弹力；同时可通过调节螺栓，改变弹簧的受力，保证加热活动块与测阻活动块接触，同时改变测阻活动块的压力，使锂电池隔膜与圆柱测试底板和测阻活动块更好的全面接触；

（3）本发明设计了对接传感器或热电偶的上位机软件，包含实时曲线显示、数据记录、数据保存、数据查询和导出。实时曲线：横轴为温度（℃），纵轴为内阻值（Ω/cm²），最大采样速度10ms，内阻随温度实时变化，内阻与温度一一对应。解决了现有的内阻随温度变化不同步的问题，减少了测试数据的误差范围。

本发明具有结构简单、使用方便、实时显示数据、内阻随温度同步变化、误差范围小等优点。

附图说明

图1为本发明使用时的连接示意图；

图中标号为：1-圆柱加热主板；2-圆柱测试底板；3-调节螺栓；4-弹簧；5-加热孔；6-加热活动块；7-测阻活动块；8-测阻孔；9-圆形密封环；10-测温孔；11-矩形散热孔；12-穿线孔；13-测阻底孔；14-散热孔；15-锂电池隔膜；16-电加热棒；17-加热控制器；

18-测阻仪；19-测温仪；20-电脑；

图2为本发明的正视图；

图3为本发明的三维结构图；

图4为本发明内阻随温度变化示意图。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。

如图1所示的一种锂电池隔膜闭孔-破膜温度的检测装置，包括：圆柱加热主板1、圆柱测试底板2、调节螺栓3、弹簧4、加热孔5、加热活动块6、测阻活动块7、测阻孔8、圆形密封环9、测温孔10、矩形散热孔11、穿线孔12、测阻底孔13、散热孔14、锂电池隔膜15、电加热棒16、加热控制器17、测阻仪18、测温仪19、电脑20，所述圆柱加热主板1和圆柱测试底板2之间螺纹连接，所述圆柱空腔上方设置有一个调节螺栓3，所述调节螺栓3下方与弹簧4固定连接，所述调节螺栓3由全螺纹杆构成，方便调节弹簧4，调节距离范围为0-20mm，所述弹簧4下方设有加热活动块，所述加热活动块6有一水平加热孔5；加热孔5用于放置电加热棒16，所述电加热棒16与加热控制器17连接；所述电加热棒16通过加热孔5穿过加热活动块6，方便加热均匀，加热的温度范围为0-300℃，圆柱加热主板1两侧有两对称散热孔14；所述加热活动块6的下方设有一个测阻活动块7，所述测阻活动块7由测阻圆柱和测阻手柄构成，所述测阻手柄方便测阻活动块7的放置，所述测阻活动块7连接测阻仪18，所述测阻活动块7的下方有圆形密封环9，所述圆形密封环9为绝缘绿色氟胶材质,耐高温200℃-350℃，内径大于测阻活动块7测阻圆柱的直径，所述测阻活动块7通过下方设有圆形密封环9内孔直接与锂电池隔膜15接触；所述锂电池隔膜15下方设有测阻底孔13，所述测阻底孔13连接测阻仪，所述测阻底孔13与锂电池隔膜15的距离1-5mm，方便测阻传感器快速感应电阻变化；所述圆柱测试底板2中心的侧端有两对称测温孔10，所述测温孔10为对称结构，长为0-20mm，宽为0-35mm，每侧与锂电池隔膜15的距离0.5-5mm；所述测温孔10连接测温仪19；所述圆柱测试底板2下端设置有两对称穿线孔12，所述穿线孔12的一侧设置有两个矩形散热孔11。

所述圆柱加热主板1和圆柱测试底板2、调节螺栓4、加热活动块6、测阻活动块7、弹簧4、电加热棒16表层、螺栓均为不锈钢。

一种锂电池隔膜闭孔-破膜温度的测试装置的测试方法，其步骤具体如下：

1）将锂电池隔膜裁剪成大小相同略小于圆柱测试底板截面面积的方形样品（15mm*15mm），在电解液中浸泡约10-15分钟。

2）通过圆柱测试底板与测阻活动块、圆形密封环、圆柱加热主板，将隔膜密封于圆柱测试底板空腔中，圆形密封环和测阻活动块放在隔膜上方，其底部与隔膜接触。

3）将圆柱加热主板与圆柱测试底板相匹配成一体，通过调节加热主板的调节螺栓调节弹簧的受力，保证加热活动块与测阻活动块接触，同时改变测阻活动块的压力。

4）加热控制器的电加热棒插入加热活动块的加热孔内，将加热控制器温速率（10-60℃/min）设置为所需值200℃，给电加热棒通电。

5） 将测温仪通过测温线连接于圆柱测试底板两侧测温孔，并与电脑连接，打开测温仪“on”按钮，设置测温仪的测量量程范围0-200℃。

6） 将测温仪通过测温线连接于圆柱测试底板两侧测温孔，并与电脑连接，打开测温仪“on”按钮，设置测温仪的测量量程范围0-10000ohms/m²。

7） 打开电脑，启动上位机软件，点击启动按钮“START”,测试开始，将测温仪和测阻仪设定相同的同步采样速度10ms-100ms，收集温度值和内阻值，电脑界面实时显示温度-电阻变化曲线，记录温度T，对应内阻值R。

8） 随着电加热棒温度升高，整个装置的温度随之升高，待温度升到130-140℃范围内，锂电池隔膜微孔逐步闭合，内部阻值迅速升高，根据电阻突变点据此判定闭孔温度；当温度继续升高到160-170℃范围内，隔膜开始破裂，内阻突然下降，据此判定破膜温度。

9）数据整理：查询相关数据和并导出，根据温度-电阻变化曲线上的电阻突变点，判断出锂电池隔膜的闭孔和破膜温度。

表1 不同隔膜样品测试结果

10）测完破膜和破膜温度后，关闭测温仪、测阻仪的电源，拆除测试装置的连线，取出测阻活动块；清洗测阻活动块，更换样品，按上述方法重复测试；若两次测试的闭孔和破膜温度差值超过2℃时，需重新检测。

11）测试完成后，关闭加热控制器，将电加热棒从加热孔取出，室温放置；拆卸检测装置，将测试装置部件清洗干净。

本装置的体积小，结构简单，操作方便，调节螺栓和弹簧起到一个很好的调节作用，当圆形密封环和金属受热膨胀时，弹簧根据装置内部气压变化自动伸缩，避免了因应力大而锂电池隔膜形变，导致测试失败；测试装置的圆形加热主板和圆形测试主板都设有散热孔，有利于稳定装置的气压，解决了锂电池隔膜受热不匀的问题。

测试装置实时曲线显示、数据记录、数据保存、数据查询和导出；最大采样速度10ms，内阻随温度实时变化，内阻与温度一一对应；解决了现有的内阻随温度变化不同步的问题，减少了测试数据的误差范围；同时也解决了隔膜破膜后测试装置电阻下降速率缓慢，没有明显的拐点，难以判明破膜温度的困扰，提高了测试的精确度。本装置所采用的设计，在升温速率及与内阻同步变化上有明显优势，测试用时少，工作效率高；本测试装置组装简便、测阻仪和测温仪精密度高，温度与内阻测试结果重现性和一致性较好。

以上是对本发明一种锂电池隔膜闭孔-破膜温度检测装置及其测试方法进行了阐述，用于帮助理解本发明，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种锂电池隔膜闭孔-破膜温度检测装置，其特征在于：包括圆柱加热主板（1）和圆柱测试底板（2），圆柱加热主板（1）中间有一圆柱型空腔，所述圆柱加热主板（1）和圆柱测试底板（2）之间螺纹连接，所述圆柱空腔上方设置有一个调节螺栓（3），所述调节螺栓（3）下方与弹簧（4）固定连接，所述弹簧（4）下方设有加热活动块（6），所述加热活动块（6）有一水平加热孔（5）；加热孔（5）用于放置电加热棒（16），所述电加热棒（16）与加热控制器（17）连接；圆柱加热主板（1）两侧有两对称散热孔（14）；所述加热活动块（6）的下方设有一个测阻活动块（7），所述测阻活动块（7）连接测阻仪（18），所述测阻活动块（7）的下方有圆形密封环（9），所述测阻活动块（7）通过下方设有圆形密封环（9）内孔直接与锂电池隔膜（15）接触；所述锂电池隔膜（15）下方设有测阻底孔（13），所述测阻底孔（13）连接测阻仪（18）；所述圆柱测试底板（2）中心的侧端有两对称测温孔（10），所述测温孔（10）连接测温仪（19）；所述圆柱测试底板（2）下端设置有两对称穿线孔（12），所述穿线孔（12）的一侧设置有两个矩形散热孔（11）。

2.根据权利要求1所述的一种锂电池隔膜闭孔-破膜温度检测装置，其特征在于：所述调节螺栓（3）由全螺纹杆构成，方便调节弹簧（4），调节距离范围为0-20mm。

3.根据权利要求1所述的一种锂电池隔膜闭孔-破膜温度检测装置，其特征在于：所述电加热棒（16）通过加热孔（5）穿过加热活动块（6），方便加热均匀，加热的温度范围为0-300℃。

4.根据权利要求1所述的一种锂电池隔膜闭孔-破膜温度测试装置，其特征在于：所述测阻活动块（7）由测阻圆柱和测阻手柄构成，所述测阻手柄方便测阻活动块（7）的放置。

5.根据权利要求1所述的一种锂电池隔膜闭孔-破膜温度测试装置，其特征在于：所述圆形密封环（9）为绝缘绿色氟胶材质,耐高温200℃-350℃，内径大于测阻活动块（7）测阻圆柱的直径。

6.根据权利要求1所述的一种锂电池隔膜闭孔-破膜温度检测装置，其特征在于：所述测阻底孔（13）距离锂电池隔膜（15）1-5mm，方便测阻传感器快速感应电阻变化。

7.根据权利要求1所述的一种锂电池隔膜闭孔-破膜温度检测装置，其特征在于：所述测温孔（10）为对称结构，长为0-20mm，宽为0-35mm，每侧距离锂电池隔膜（15）0.5-5mm。

8.根据权利要求1所述的一种锂电池隔膜闭孔-破膜温度检测装置，其特征在于：所述圆柱加热主板（1）和圆柱测试底板（2）、调节螺栓（3）、加热活动块（6）、测阻活动块（7）、弹簧（4）、电加热棒（16）表层、螺栓均为不锈钢。

9.一种利用使用权利要求1的锂电池隔膜闭孔-破膜温度检测装置的测试方法，其特征在于：其步骤具体如下：

1）将锂电池隔膜（15）剪成大小方形样品（15mm*15mm），在电解液中浸泡约10-15分钟，密封于圆柱测试底板（2）空腔中；

2）将加热控制器（15）升温速率（10-60℃/min）设置为所需值200℃，给电加热棒（16）通电；

3）将测温仪（19）和测阻仪（18）设定相同的同步采样速度10ms-100ms，收集温度值和内阻值，电脑界面实时显示温度-电阻变化曲线，记录温度T，对应内阻值R；

4）随着电加热棒（16）温度升高，整个装置的温度随之升高，待温度升到130-140℃范围内，锂电池隔膜（15）微孔逐步闭合，内部阻值迅速升高，根据电阻突变点据此判定闭孔温度；当温度继续升高到160-170℃范围内，隔膜开始破裂，内阻突然下降，据此判定破膜温度。