CN109923395B - 包括弯曲夹具的夹具组件及利用其测量弯曲抗张强度的设备和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种测量电极以与芯部相似的半径弯曲时的抗张强度的夹具组件、包括该夹具组件的测量弯曲抗张强度的设备及利用该测量弯曲抗张强度的设备测量电极以与芯部相似的半径弯曲时的抗张强度的测量弯曲抗张强度的方法。本公开内容的夹具组件包括：固定样品的一个端部的固定单元；和板形状的弯曲夹具，该弯曲夹具在一个端部被固定的样品的纵长方向截面上引起一点弯曲，并且引导样品的另一个端部朝向抗张测试载荷单元。根据本公开内容，在电极被用在实际卷绕应用中之前，可在与卷绕工艺相似的条件下测量电极的抗张强度。

Description

包括弯曲夹具的夹具组件及利用其测量弯曲抗张强度的设备 和方法

技术领域

本公开内容涉及一种测量抗张强度的设备和方法，更具体地，涉及一种测量作为评估二次电池的电极的新参数的弯曲抗张强度所需的夹具组件、包括该夹具组件的测量弯曲抗张强度的设备及利用该设备来测量弯曲抗张强度的方法。本申请要求于2017年6月29日在韩国提交的韩国专利申请第10-2017-0082738号和2018年6月19日在韩国提交的韩国专利申请第10-2018-0070300号的优先权，这两个韩国专利申请的公开内容通过引用并入本文。

背景技术

一般来说，二次电池可分为电极组件嵌入圆柱形或棱柱形金属罐中的罐型和电极组件嵌入铝层压片的袋型壳体中的袋型，这样的常规二次电池使用片型电极。在它们之中，例如，通过在电池壳体中容纳隔膜插置在片型正极与片型负极之间的卷绕的电极组件并注入电解质溶液来制造包括卷绕型电极组件的二次电池。

图1是通常的圆柱形二次电池的垂直剖面图，其示出了该通常的圆柱形二次电池的主要结构。

参照图1，圆柱形二次电池1包括圆柱形电池壳体10、密封地连接在电池壳体顶部上的盖组件20以及与电解质溶液一起容纳在电池壳体10中的卷绕型电极组件30。通过将正极31和负极33放置成使隔膜32插置在正极31与负极33之间并且将它们卷成圆形来形成电极组件30。

通过在例如铝箔或不锈钢箔的金属箔的正极集流体片的表面上涂覆包括锂钴复合氧化物或锂锰复合氧化物的正极活性材料层，然后进行压缩来形成正极31。通过在例如铜箔或不锈钢箔的金属箔的负极集流体片的表面上涂覆包含石墨或焦炭的负极活性材料层，然后进行压缩来形成负极33。正极31的一部分具有其中未形成正极活性材料的未涂覆区域，并且正极接片40连接到未涂覆区域。负极33的一部分也具有其中未形成负极活性材料的未涂覆区域，并且负极接片50连接到未涂覆区域。正极接片40和负极接片50分别焊接到盖组件20和电池壳体10。

图2是图解制造卷绕型电极组件的方法的图。如图2所示，通过在被卷绕机旋转的芯部60上卷绕层压片35来制造电极组件30，其中层压片35包括片型正极和片型负极以及插置在它们之间的隔膜。

然而，以这种方式制造的电极组件30具有较小的卷绕半径，尤其围绕着芯部60，因此存在正极31和负极33中可能出现裂纹的风险。在此，裂纹包括活性材料层中的裂纹、集流体片中的裂纹以及甚至由此产生的电极的断开(包括部分断开)。其中，断开对电池性能是致命的，对断开的管理很重要。因此，有必要确定不会产生裂纹并且不会不必要地增加电池体积的卷绕半径，特别是芯部60的半径R，因此，还需要确定卷绕张力。

因此，重要的是确定精确的卷绕半径和卷绕张力，但是无法从卷绕之后的电极组件确认卷绕半径和卷绕张力是否合适。这是因为一旦拆卸卷绕的电极组件，就会在拆卸期间出现裂纹，而且难以将这种裂纹与卷绕期间发生的裂纹区分开。

因此，在卷绕电极组件之前，必须确定每个电极的抗张强度，特别是具有与芯部类似的半径的弯曲处的抗张强度，并且确定合适的卷绕半径和卷绕张力。然而，没有在弯曲电极的同时测量抗张强度的尝试，并且没有合适的测量设备或方法。

在本公开内容中待评估的电极具有涂覆在集流体上的活性材料层。用于评估涂层状态的常规方法包括铅笔硬度测试仪、纳米压痕仪和动态机械分析(DMA，DynamicMechanical Analysis)，可以考虑它们用于电极评估的应用。

然而，因为铅笔角度和铅笔表面设置由测量者决定，所以即使在使用相同涂层的测试中铅笔硬度测试仪也具有大的误差。纳米压痕仪利用纳米尖端压入涂层来测量硬度或弹性模量，因此当纳米尖端设置在涂层表面的凹部和凸部时，结果是相反的，导致大的误差。在通过夹持涂层的两端并上下移动来测量弹性模量的DMA的情形中，弹性模量不代表包括涂层和甚至包括下层的整个结构的性质，取决于厚度，结果值存在大的差异，测量需要花费很多时间，即使在同一样品中也存在大的误差，使得难以实现规范(specification)，并且设备本身的较高价格使其难以在实际过程中使用。

最重要的是，因为即使使用常规的铅笔硬度测试仪、纳米压痕仪和DMA在活性材料层上进行测试，也难以获得代表不仅包括活性材料层也包括集流体的整个电极性质的结果，所以存在限制。

发明内容

技术问题

本公开内容的一个目的是提供一种测量在具有与芯部类似的半径的弯曲处的电极的抗张强度的夹具组件。

本公开内容的另一个目的是提供一种包括该夹具组件的测量弯曲抗张强度的设备。

本公开内容的又一个目的是提供一种利用测量弯曲抗张强度的设备来测量在具有与芯部类似的半径的弯曲处的电极的抗张强度的测量弯曲抗张强度的方法。

技术方案

为了解决上述问题，本公开内容的夹具组件包括：固定样品的一个端部的固定单元；和板形状的弯曲夹具，所述弯曲夹具在一个端部被固定的样品的纵长方向截面上引起一点(one point)弯曲，并且引导样品的另一个端部朝向抗张测试载荷单元。

样品的纵长方向截面上的一点可表示：由于沿与纵长方向垂直的宽度方向的线的形状，根据本公开内容的弯曲夹具在沿样品的宽度方向的线的基础上引起弯曲。

所述弯曲夹具可具有扁平的长方体形状，其中长而窄的侧面形成底面，并且所述底面可以是引起样品弯曲的部分且具有半球形(semi-sphere)形状或半多边形棱柱形状的前端部分。

优选地，样品是用于制造卷绕型电极组件的电极样品，并且所述前端部分的截面的半径或大小具有与用于制造目标电极组件的芯部相同的尺寸。

在此情况下，所述前端部分的截面具有半径为0.25mm至0.5mm的半圆形形状。

根据本公开内容的夹具组件可进一步包括：在所述弯曲夹具的两端处固定所述弯曲夹具的支撑件，并且所述固定单元可包括：基座，样品的一个端部被放置在所述基座上，使得样品的一个端部设置成高于所述弯曲夹具的底面；和固定板，所述固定板将样品的一个端部固定到所述基座。

在此，从所述基座下趋的样品与所述弯曲夹具之间的角度可以是0°到10°。

夹具组件可进一步包括：设置在所述固定板中以设定样品的中心位置的样品位置中心设定夹具。

夹具组件可进一步包括：作为具有所述支撑件和所述基座的基础件的底板。所述支撑件可包括：安装在所述底板中的块；夹具固定块，所述夹具固定块安装在所述块上并且在上表面上具有供所述弯曲夹具插入的槽；和翼形螺栓，所述翼形螺栓用于固定安装在所述夹具固定块中的所述弯曲夹具。

所述基座可设置在与所述支撑件相对的一侧，并且可包括：从所述底板直立的垂直固定块；和朝向所述弯曲夹具以直角连接并固定到所述垂直固定块的水平固定块，并且样品的一个端部可被放置在所述水平固定块上，使得样品的一个端部设置成高于所述弯曲夹具的底面。

所述固定板可包括：用于将样品的一个端部直接按压到所述基座上的夹块；和给所述夹块施加力的铰接夹。

另外，夹具组件可进一步包括：螺钉，所述螺钉使所述夹块向下移动以按压样品的一个端部，使得样品的一个端部固定在所述基座与所述夹块之间，从而防止样品的一个端部移动。

为了解决另一问题，根据本公开内容的测量弯曲抗张强度的设备包括：根据本公开内容的夹具组件；和抗张强度测量装置，所述抗张强度测量装置连接到样品的被设定成通过夹具组件的弯曲夹具的底面的另一个端部以在垂直方向上提供抗张测试载荷单元，从而在弯曲样品的同时测量抗张强度。

所述抗张强度测量装置的载荷单元可具有位于床身上方的台部、下横梁和上横梁，所述台部可通过液压缸向上操作，所述下横梁可沿由电机操作的垂直螺杆上下移动，所述上横梁可随所述台部的向上移动而被抬起，并且所述夹具组件可安装在所述下横梁与所述上横梁之间或所述台部与所述下横梁之间。

为了解决再一问题，测量弯曲抗张强度的方法是利用测量弯曲抗张强度的设备来测量弯曲抗张强度的方法，所述方法包括：使用夹具组件的固定单元固定样品的一个端部；将样品放置在弯曲夹具下方并且在样品被卷绕在弯曲夹具上的同时向上弯曲样品；将样品的另一个端部连接到抗拉强度测量装置；和给样品的另一个端部施加力，并且根据样品破裂时的时间点的力计算抗张强度。

有益效果

根据本公开内容，在电极被用在实际卷绕应用中之前，可在与绕组工艺类似的条件下测量电极的抗张强度。

另外，可根据弯曲水平识别出现裂纹的时间点，并因此能够规范电极特性。

因此，可减少裂纹的发生，并且有助于确定卷绕半径和卷绕张力，从而防止任何不必要的体积增加并且允许锂离子平稳地移动，最终提供具有良好性能的卷绕型锂二次电池。

与诸如铅笔硬度测试仪、纳米压痕仪和DMA的常规方法相比，本公开内容的夹具组件和包括该夹具组件的测量弯曲抗张强度的设备确保了精度，需要较短的测量时间，使得能够易于规范，操作成本低，并且可测量代表电极特性的弯曲抗张强度。

附图说明

附图图解了本公开内容的优选实施方式，并且附图与下面的详细描述一起用于提供对本公开内容的技术方面的进一步理解，因此，本公开内容不应被解释为限于附图。

图1是一般的圆柱形二次电池的垂直剖面图。

图2是图解制造卷绕型电极组件的方法的图。

图3是根据本公开内容一实施方式的夹具组件和包括该夹具组件的测量弯曲抗张强度的设备的示意图。

图4是可包括在图3的夹具组件中的弯曲夹具的透视图。

图5是可包括在图3的测量设备中的抗张强度测量装置的示意图。

图6是根据本公开内容另一实施方式的夹具组件的透视图。

图7是图6的夹具组件的顶视图。

图8是图6的夹具组件的侧视图。

图9是利用图6的夹具组件测量弯曲抗张强度的方法中的每个步骤的示意图。

图10和图11是在图6的夹具组件中设置电极样品之后的透视图。

图12是图11的侧视图，其示意性地示出了图6的夹具组件和包括该夹具组件的测量弯曲抗张强度的设备。

图13是示出根据实验例的弯曲抗张强度测量结果的图。

具体实施方式

下文中，将参照附图详细描述本公开内容的优选实施方式。在描述之前，应当理解，说明书和所附权利要求中使用的术语或词语不应被解释为限于一般含义和词典含义，而是在允许发明人为最佳解释而适当地定义术语的原则的基础上，基于对应于本公开内容的技术方面的含义和概念来解释。因此，在此描述的实施方式和附图中示出的图示仅是本公开内容的最优选实施方式，但是并不旨在完全描述本公开内容的技术方面，因此应当理解，在递交申请时可以做出其他等同和修改。

可被应用于本公开内容的夹具组件、包括该夹具组件的测量设备和利用该测量设备的测量方法的电极可以是负极或正极，并且不限于特定类型。然而，取决于存储条件，电极的活性材料层的状态具有较大的变化，由此裂纹方面也会变化。因此，为了精确测量，期望使用以恒定条件存储的电极来进行测量。例如，理想的是，在集流体上涂覆电极活性材料糊、干燥并且进行压碾之后的1天(24小时)内测量抗张强度。另外，希望在0至10％的相对湿度和室温(25℃)下存储电极，直到电极被测量为止。

在本申请中，“样品”是指利用本公开内容的夹具组件进行弯曲之后用于抗张强度测量的目标，并且例如，可以是电极样品。

一般来说，在测量材料的机械性能时，抗张强度、弯曲强度(挠曲强度，flexuralstrength，bending strength)和压缩强度是已知的。

在材料的抗张测试中，通过将样品破裂前的最大拉伸载荷除以样品在测试前的截面积(或长度)所获得的值是抗张强度。

当通过载荷来弯曲材料时，弯曲随载荷而增加，通过将材料在端部处破裂时的应力除以截面积所获得的值是弯曲强度。该值可从诸如陶瓷之类的脆性材料获得。然而，尽管试图弯曲诸如电极集流体之类的具有丰富的延性和展性性质的金属材料，但是其不发生破裂，此时不可能确定弯曲强度的值。

在脆性材料的压缩测试中，出现了描述垂直裂纹的裂纹破裂、描述破裂成颗粒的颗粒破裂、或描述倾斜裂纹的剪切破裂。在压缩破裂的情况下，通过将截面中的垂直应力，即此时的压缩载荷，除以样品的截面积而获得的值是压缩强度。不能从诸如电极集流体之类的具有丰富的延性和展性性质的金属材料计算出压缩强度。

在这种考虑下，在测量包括电极集流体的电极的机械性能时，本公开内容决定测量抗张强度。另外，为了模拟卷绕情况，本公开内容在将电极围绕与芯部半径类似的半径弯曲的同时测量抗张强度。考虑到在卷绕期间给电极集流体和涂覆在电极集流体上的活性材料层施加过大的力时，可能会出现裂纹，这会影响电极的抗张强度。因此，本公开内容在出现由于弯曲电极而产生裂纹的情况之后测量抗张强度，并且因为在弯曲电极时测量抗张强度，所以对电极性质评估引入新参数“弯曲抗张强度”有意义。

因此，本公开内容提出了一种与简单测量抗张强度的常规设备和方法以及简单测量弯曲强度的常规设备和方法完全不同，而且不是它们的组合的新设备和方法。由于材料的特性，基于上述原因，测量包括电极集流体的电极的弯曲强度没有意义，因此不可能将弯曲强度测量与抗张强度测量结合。应注意的是，本公开内容不是这样的结合。

另外，在评估有机涂层时，芯轴弯曲测试仪是已知的，在将样品放入圆柱形芯轴并且弯曲样品之后，使用芯轴弯曲测试仪，用裸眼观察涂层被破坏多少。芯轴弯曲测试仪不用于评估本公开内容中目标电极的活性材料层。另外，本公开内容不是简单观察涂层被破坏了多少，而是设计成在弯曲具有活性材料层的电极，就好像它被置于实际卷绕情况中一样时测量抗张强度，由此完全不同于芯轴弯曲测试仪。

如在常规技术中所指出的，评估涂层状态的常规方法包括铅笔硬度测试仪、纳米压痕仪和DMA。然而，因为要被本公开内容评估的电极包括集流体上的活性材料层，即使利用诸如铅笔硬度测试仪、纳米压痕仪和DMA之类的常规方法来对活性材料层进行测试，结果也不代表电极特性。本公开内容的夹具组件和包括该夹具组件的测量弯曲抗张强度的设备确保了精度，需要较短的测量时间，使得能够易于规范，操作成本低，并且可测量代表电极特性的弯曲抗张强度。

图3是根据本公开内容一实施方式的夹具组件和包括该夹具组件的测量弯曲抗张强度的设备的示意图。图4是可包括在图3的夹具组件中的弯曲夹具的透视图。图5是可包括在图3的测量设备中的抗张强度测量装置的示意图。

将参照图3到图5来描述根据本公开内容一实施方式的夹具组件、包括该夹具组件的测量弯曲抗张强度的设备以及利用该设备测量电极的弯曲抗张强度的方法。

首先参照图3，测量弯曲抗张强度的设备100包括夹具组件185，夹具组件185基本上包括弯曲夹具120和固定单元150。除了夹具组件185之外，测量弯曲抗张强度的设备100还包括抗张强度测量装置190。

样品110具有被固定单元150固定的一个端部110a。固定方法没有特别限制，并且包括例如胶带(taping)、粘合剂、焊接和螺钉。弯曲夹具120在样品110的一个端部110a与另一个端部110b之间引起样品110弯曲。另外，弯曲夹具120将样品110的另一个端部110b引导到抗张测试载荷单元。样品110的另一个端部110b连接到适于提供抗张测试载荷单元的抗张强度测量装置190，并且受到在图3中所示的箭头方向上拉动的力。

弯曲夹具120是用于在一个端部110a被固定的样品110的纵向截面上引起一点弯曲的构件，并且例如模拟其中片型电极卷绕在芯部(见图2中的60)上来制造卷绕型电极组件的卷绕情况。

该实施方式采用弯曲夹具120具有扁平的长方体形状的示例，其中长而窄的侧面形成底面。底面是在与抗张强度测量装置190拉动样品110的方向相反的方向上放置的表面，并且是指直接引起样品110弯曲的部分。弯曲夹具120不限于特定形状，但是当弯曲夹具120被制造成类似圆柱形芯轴的杆状时，其在测量抗张强度时可能会由于较低的强度而弯曲，并且为了确保预定的强度，期望将弯曲夹具120制造成如图4所示的具有预定厚度T的板状。板状适于将样品110附接到板并且将样品110的另一个端部110b移动到抗张测试载荷单元，因此，板状比杆状更适于引导样品110的另一个端部110b。

例如，弯曲夹具120可具有厚度T小于宽度W和长度H的板状。期望制备宽度W大于样品110的宽度的弯曲夹具120。因此，样品110在整个宽度上被支撑，并且沿样品110的宽度均匀地弯曲且受力。弯曲夹具120可具有，例如0.5mm至1.0mm的范围内的厚度T。

弯曲夹具120设置成使得长而窄的侧面面向下方，并且弯曲夹具120的长而窄的侧面，即引起样品110弯曲的底面的前端部分F可具有半球形(semi-sphere)形状或半多边形棱柱形状。因此，前端部分F在弯曲夹具120的纵长H方向截面中可以是半圆形或半多边形。当前端部分F形成为平面时，与弯曲夹具120的侧面相交的弯曲夹具120的底面形成为矩形边缘的形状，并且在这种情况下，由于矩形边缘而给样品110施加不必要的力，使得难以精确地测量抗张强度。因此，弯曲夹具120的底面的前端部分F将优选是没有角部且可实现最接近芯部形状的半球形形状，并且只要没有给测量精度带来负面影响即可，可通过以多个角度对半球进行倒角来形成半多边形棱柱形状。

当弯曲夹具120的底面的前端部分F的截面是半圆形或半多边形时，半径或尺寸(从半圆形或半多边形的中心到半圆形或半多边形的外周的最长长度)优选制造成具有与用于制造目标电极组件的芯部类似的尺寸。最优选地，制造成相同的尺寸。例如，该实施方式示出了其中弯曲夹具120的底面的前端部分F的截面是具有与芯部半径R相同的半径的半圆形的情况。

前端部分F的截面的半径或尺寸可根据目标样品的厚度和活性材料类型而不同地调节，但是通常可在0.25mm至0.5mm的范围内。当基于直径表示时，范围可以在0.5mm至1.0mm之间。当在利用弯曲夹具120弯曲样品110的同时测量抗张强度时，抗张强度可在测量值中的噪声被最小化的情况下得到适当地测量。当前端部分F的截面的半径或尺寸小于0.25mm时，对电极造成的损坏较大并且测量值的精度较低，当前端部分F的截面的半径或尺寸大于0.5mm时，电极不易破裂，难以测量抗张强度。

弯曲夹具120不限于特定材料并且包括满足本公开内容目的的任何材料，但是当考虑待测量电极的硬度时，理想的是阳极氧化铝(anodizing aluminum)。另外，因为阳极氧化铝具有强韧性和高耐磨性并且重量轻且耐氧化，所以阳极氧化铝对于夹具组件185的持久使用是理想的。

如本公开内容所提出的，为了在弯曲样品110的同时测量抗张强度，可利用夹具组件185的固定单元150固定样品110的一个端部110a，可使样品110通过夹具组件185的弯曲夹具120的前端部分F下方，样品110的另一个端部110b可连接到抗张强度测量装置190，然后可缓慢地拉动样品110。样品110通过施加到样品110的张力被前端部分F弯曲，然后样品110在与弯曲夹具120的一个表面接触的情况下被连续拉动。根据样品110破裂时的力来计算抗张强度。

替代地，可在样品110的一个端部110a被固定单元150固定而其余部分与弯曲夹具120的底面的前端部分F接触，然后样品110设置成与弯曲夹具120的一个表面接触，并且样品110的另一个端部110b连接到抗张强度测量装置190的情况下弯曲样品110。随后，利用抗张强度测量装置190将力施加到样品110直到样品110破裂时的时间点为止，并且根据样品110破裂时的时间点的力来计算抗张强度。这是一种在卷绕弯曲之后进行的抗张测试。

抗张强度测量装置190连接到被设定成通过夹具组件185的弯曲夹具120的底面的样品110的另一个端部110b，以在垂直方向上提供抗张测试载荷单元。为此，抗张强度测量装置190可以例如是张力退火(TA，Tension Annealing)装置或通用材料测试仪，也称为通用测试机(UTM，Universal Testing Machine)。

其中，UTM是一种广泛用于测量机械性能的通用装置，典型的是INSTRON UTM。取决于测试的不同，UTM可替换样品固定夹持件(grip)来对每种尺寸进行测试。UTM可测试样品的各种性质，并且测量例如包括抗张强度、弯曲强度和压缩强度以及剥离强度、COF(静摩擦系数、动摩擦系数)、IFD、ILD(硬度测试)和W弯曲的各种数据之类的各种性质。

图5所示的抗张强度测量装置190是一种UTM装置。抗张强度测量装置190是可给样品施加测试载荷的液压UTM。液压UTM可以是指示施加到样品的载荷的测量值的模拟指示器型、或者利用作为电子感测装置和电位计的载荷传感器来在数字显示器上进行显示的数字显示器型。

抗张强度测量装置190可包括载荷单元191和控制分析单元199。

载荷单元191具有位于床身192上方的台部193、下横梁194和上横梁195。台部193通过液压缸向上操作，下横梁194沿由电机操作的垂直螺杆196上下移动，并且上横梁195随台部193的向上移动而被抬起。可在上横梁194和下横梁195上安装夹持件以固定样品，并且通常在上横梁194与下横梁195之间固定用于抗张强度测试的样品，在台部193与下横梁194之间固定用于压缩强度测试或弯曲强度测试的样品，并且它们被用于每次测试。

控制分析单元199可包括控制液压缸和电机的操作的各种装置，以及接收与载荷单元10带来的载荷及样品位移有关的数据的输入、使用测试分析程序进行分析并在监视器上显示分析数据的计算机装置。

抗张强度测量装置190设计成在上横梁194和下横梁195向上移动或向下移动的情况下通过对样品施加垂直载荷来测试张力、压缩和弯曲。

根据本公开内容一实施方式的夹具组件185可安装在图5所示的抗张强度测量装置190的下横梁194与上横梁195之间或台部193与下横梁194之间，以测量弯曲抗张强度。

例如，如图3所示，本公开内容将夹具组件185固定在抗张强度测量装置190的下横梁194上并且将样品110的另一个端部110b连接到上横梁195，使得上横梁195随台部193的向上移动而被抬起，从而拉动样品110的另一个端部110b，测量破裂时的力，并且通过计算获得抗张强度。或者，将夹具组件185固定在台部193上并且将样品110的另一个端部110b连接到下横梁194，下横梁194在沿垂直螺杆196向上移动的同时拉动样品110的另一个端部110b，测量破裂时的力，并且通过计算获得抗张强度。

抗张强度测量装置190的控制分析单元199计算在拉动样品110的另一个端部110b的同时在样品110破裂时的时间点的抗张强度。在这种情况下，通过用橡胶夹持件将样品110的另一个端部110b连接到抗张强度测量装置190，可使由于力损失引起的测量值偏差最小化。

下面将依次描述利用测量弯曲抗张强度的设备100测量弯曲抗张强度的方法。通过夹具组件185的固定单元150将样品110的一个端部110a固定，将样品110的其余部分放置在具有类似于芯部的前端部分F的弯曲夹具120下方，朝向弯曲夹具120向上抬起样品110的其余部分。当样品110被抬起好像样品110围绕弯曲夹具120被卷绕时，样品110被弯曲并且设置成通过弯曲夹具120的底面的前端部分F、与弯曲夹具120的一个表面接触。随后，将样品110的另一个端部110b连接到抗张强度测量装置190。通过施加垂直方向的力来拉动样品110直到样品110破裂时的时间点为止，并且根据样品110破裂时的时间点的力来计算抗张强度。因此，可在与卷绕情况相似的条件下测量电极的抗张强度。所测量的抗张强度，即作为新参数的弯曲抗张强度可用于标识样品110的性质。

根据本公开内容的测量弯曲抗张强度的方法可用于通过模拟的卷绕情况来预先验证电极的使用适合性或电极组件的卷绕条件。

例如，为了模拟建立的卷绕条件的情况，将弯曲夹具120的底面的前端部分F的截面设定为具有与芯部半径R相同的半径的半圆形形状。另外，考虑到卷绕张力，设定抗张强度测量装置190施加到样品110上的载荷或抗张强度测量装置190拉动样品的速度。当在该条件下测量弯曲抗张强度时，在确定抗张强度不足以进行卷绕的情况下，确定电极不适于卷绕的电极组件。在这种情况下，预期改变电极制造配方或引入新规范的电极。

确定抗张强度不足以进行卷绕，但如果在不改变电极制造配方，即原样使用电极的情况下进行卷绕，则必须改变卷绕条件。本公开内容可应用于调节芯部半径和/或卷绕张力。使用前端部分的尺寸与改变的芯部半径对应的不同的弯曲夹具，以与改变的卷绕张力对应的不同载荷和/或不同速度拉动样品110的同时测量弯曲抗张强度。可在改变的测量条件下重复测试直到获得期望水平的结果为止，以确定最终适合的芯部半径和/或卷绕张力。

同时，除了用于预先验证之外，本公开内容可应用于根据弯曲水平识别出现裂纹的时间点。弯曲夹具的前端部分的尺寸调节可提供各种条件的弯曲水平，由此识别裂纹出现的时间点。

另外，本公开内容可应用于实现电极特性的规范。例如，当测量特定芯部半径处的弯曲抗张强度时，可实现规范以确定适于制造二次电池的电极所需的抗张强度。通过建立的标准电极制造工艺来生产电极，并且执行根据本公开内容的测量方法来确定电极是否满足规范，从而测试所生产的电极的质量。从随后的组装工艺中去除在规范之外的电极，并且研究电极在规范之外的原因。例如，可通过检查在建立的制造工艺中出现变量的生产线来识别和更正原因。本公开内容可应用于在将来的测试中实现规范并排除在规范之外的电极。

根据本公开内容，可量化抗张强度和电极的特性。其可用于识别卷绕前电极中出现裂纹的风险。可量化电极特性并实现规范。

测量弯曲抗张强度的设备100具有简单的结构，但是它的应用超出了本领域技术人员的预期。因此，作为电极评估的新参数的弯曲抗张强度的意义是特殊的。

另外，虽然与该实施方式有关的图3示出了当样品110连接到抗张强度测量装置190，使得具有一个固定端部110a的样品110通过弯曲夹具120的底面、与弯曲夹具120的一个表面接触时，样品110与弯曲夹具120之间的角度是0°，使得样品110和弯曲夹具120紧密接触，从而使其类似于片型电极卷绕成卷绕型电极组件的情况，但是该角度可根据固定单元150和弯曲夹具120的实现方法及布置而改变。这将在下一实施方式中进行更详细地描述。

基于用于实现在样品弯曲时测量样品的抗张强度，本公开内容的夹具组件和利用该夹具组件测量弯曲抗张强度的设备具有各种实施方式，例如，图6至图8中所示的夹具组件类型也是可预期的。图6是根据本公开内容另一实施方式的夹具组件的透视图，图7是顶视图，图8是侧视图。

夹具组件285包括与上述测量弯曲抗张强度的设备100中的夹具组件185的弯曲夹具120几乎类似的弯曲夹具120'。考虑到与用于固定弯曲夹具120'的其他构件的结构关系，仅在结构上更改了弯曲夹具120'的上表面。夹具组件185的固定单元150被更改为固定单元250。可利用夹具组件285和未更改的测量弯曲抗张强度的设备100的抗张强度测量装置190一起来实现用于测量弯曲抗张强度的新设备(如下所述的图11中的200)，或者进一步包括其类似的抗张强度测量装置。

夹具组件285包括底部固定模具202。底部固定模具202呈近似矩形板的形状并且具有容纳底板204的凹槽206和位于凹槽206底部上的固定孔208。可使用内六角螺栓209来固定底部固定模具202和底板204。由于包括底部固定模具202，夹具组件285被牢固地固定到如图5所示的诸如抗拉强度测量装置190的台部193或下横梁194之类的工作台，从而即使多次重复也能确定夹具组件285的稳定位置。

底板204是基本上实现夹具的机械结构的基础。底板204具有支撑件230。支撑件230在弯曲夹具120'的两端上固定弯曲夹具120'。弯曲夹具120'被位于两侧的支撑件230固定，并且弯曲夹具120'设计成使得弯曲夹具120'的底面不接触底板204。就是说，在样品穿过弯曲夹具120'的底面的位置处安装样品并且不会产生任何不必要的摩擦。

支撑件230固定弯曲夹具120'的方法没有特别限制。在一个实施方式中，支撑件230可包括安装在底板204中的块232、安装在块232上的夹具固定块234以及用于在夹具固定块234中安装弯曲夹具120'之后固定弯曲夹具120'的翼形螺栓236。内六角螺栓238可用于固定块232和夹具固定块234。设置成对的块232、成对的夹具固定块234和成对的翼形螺栓236，以在两侧支撑弯曲夹具120'。在夹具固定块234的上表面上形成槽235，并且弯曲夹具120'可插入槽235中。在弯曲夹具120'插入槽235中之后，通过紧固翼形螺栓236，弯曲夹具120'可被牢固地固定到槽235的内表面。

基座251被设计成固定样品的一个端部，基座251设置在底板204上的支撑件230的相对侧上，并且在材料方面没有特别限制。然而，为了防止由于基座251的角部而给样品施加不必要的力，基座251的接触样品的角部优选是圆形的。基座251是其上放置样品的一个端部的构件，使得样品的一个端部设置成高于弯曲夹具120'的底面。

基座251可包括从底板204直立的垂直固定块252和朝向弯曲夹具120'以直角连接并固定至垂直固定块252的水平固定块254。可使用内六角螺栓256来固定垂直固定块252和水平固定块254。调节高度，使得样品的一个端部被放置在水平固定块254上并且样品的一个端部设置成高于弯曲夹具120'的底面。

固定板240将样品的一个端部固定到基座251。固定板240基本上包括直接按压样品的一个端部的夹块241，并且可包括给夹块241施加力的铰接夹245。铰接夹245是通过施加较小的力而作为较大的力来固定夹块241的工具。另外，在夹块241与铰接夹245之间形成连接部242。连接部242可包括夹具销、弹簧和E型卡环。E型卡环是通过施加的力打开以便使用并且通过紧密配合(snug fit)固定的紧固件。

螺钉260、260'设置在固定板240的夹块241的两侧，并且在样品的一个端部被放置在基座251上之前，通过抬起铰接夹245的杠杆，将固定板240的夹块241与基座251间隔开。随后，在样品的一个端部被放置在基座251上之后，通过降下铰接夹245的杠杆，将固定板240的夹块241放置在样品的一个端部上，然后，调节位于固定板240的两侧上的螺钉260、260'，以使固定板240的夹块241进一步向下移动，使得样品的一个端部被按压，并且样品的一个端部不移动且被固定在基座251与固定板240的夹块241之间。基座251、固定板240以及螺钉260、260'是本实施方式的固定单元250，对应于前一实施方式中描述的固定单元150。

优选地，夹具组件285可进一步包括设置在固定板240中以设定样品的中心位置的样品位置中心设定夹具270、270'。当样品的厚度较小，在微米级别时，样品易于弯曲，使得样品由于其自载荷而下垂，并且可能难以确定位置。另外，为了在重复实验中始终保持相同的测试条件，需要相同的样品固定位置。为此，本公开内容具有样品位置中心设定夹具270、270'。当样品被设置在样品位置中心设定夹具270、270'之间时，样品的中心位置始终相同地保持。

夹具组件285可进一步包括利于移动的手柄280。例如，手柄280可设置在基座251中。特别是，该实施方式示出了手柄280设置在垂直固定块252中的示例。

利用夹具组件285和抗张强度测量装置190一起测量弯曲抗张强度的方法与利用上述测量弯曲抗张强度的设备100的方法没有太大不同，并且将参照图9至图12更详细地描述夹具组件285的使用。

图9是利用图6的夹具组件测量弯曲抗张强度的方法中的每个步骤的示意图。图10和图11是在图6的夹具组件中设置电极样品之后的透视图。图12是图11的侧视图，其示意性地示出了图6的夹具组件和包括该夹具组件的测量弯曲抗张强度的设备。

首先，如图9的(a)所示，准备具有一个端部110a和另一个端部110b的样品110。随后，如(b)所示，样品110的一个端部110a被固定在夹具组件285的基座251与固定板240之间。当铰接夹245的杠杆被抬起时，夹块241向上移动。当样品110的一个端部110a被放置在基座251上并且铰接夹245的杠杆降下时，夹块241向下移动并且样品110的一个端部110a被固定。随后，如(c)所示，将样品110放置在弯曲夹具120'下方。随后，如(d)所示，样品110被放置成通过弯曲夹具120'的底面、与弯曲夹具120'的一个表面接触，并且样品110的另一个端部110b连接到抗张强度测量装置(见图5和图12中的190)。样品110被抬起好像它被卷绕在弯曲夹具120'上一样，并且样品110被连接到抗张强度测量装置190。

图10和图11示出了完成样品110的设置。尽管为了便于说明而简要示出了每个构件并且在图9的(b)至(d)中省略了样品位置中心设定夹具270、270'，但是如图10所示，设置了样品位置中心设定夹具270、270'并且样品110设置在它们之间。同时，即使在如图11所示的样品110较宽的情况下，也可利用图9所示的方法来执行设置。

随后，如图12所示，通过使用抗张强度测量装置190保持样品110的另一个端部110b来将力施加到样品110直到样品110破裂的时间点为止，并且通过测量抗张强度来识别电极特性。

如上所述，基座251的水平固定块254的上表面设置成高于弯曲夹具120'的底面。因此，详细地如图12所示，当样品110被连接到抗拉强度测量装置190，使得一个端部110a被固定在基座251与固定板240之间的样品110通过弯曲夹具120'的底面、与弯曲夹具120'的一个表面接触时，在从基座251下趋的样品110与弯曲夹具120'的一个表面之间形成均匀的角度(α)。如前一实施方式中的示例所采取的那样并且在理论基础上，该角度最优选为0°，但是当考虑容许误差范围和成本时，该角度优选地在0°到10°之间的范围内。当该角度大于10°时，不能获得精确的测量值。

下文中，将通过实验例来更详细地描述本公开内容。

<实验例>

通过以97.2：0.9：1.5：0.4的重量比混合作为正极活性材料的LiCoO₂、作为导电材料的炭黑、作为粘合剂的PVdF和作为添加剂的Li₂Co₂，并将它们添加到N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)来制备正极活性材料浆料。将制备的浆料涂覆在铝箔的一个表面上，干燥并进行压碾以制备第一电极。对第一电极施加过大的力，故意引起裂纹，以制备第二电极。

例如，当正极活性材料浆料的涂覆厚度为200μm时，可通过压碾来制备第一电极和第二电极，使得第一电极为150μm厚，并且通过施加更大的力使得第二电极为140μm厚。

通过使用抗张测试样品冲压机将第一电极和第二电极冲压成预定尺寸来制造样品。从第一电极的中心部分冲压出中心样品1，其中以20mm×100mm的尺寸冲压8次。从第一电极的边缘部分冲压出边缘样品1，其中以20mm×100mm的尺寸冲压8次。从第二电极的中心部分冲压出中心样品2，其中以20mm×100mm的尺寸冲压8次。从第二电极的边缘部分冲压出边缘样品2，其中以20mm×100mm的尺寸冲压8次。

利用本公开内容的测量弯曲抗张强度的设备200测量样品的弯曲抗张强度。弯曲夹具120'的前端部分F的直径设定为0.96mm。以半径表示时为0.48mm，这是在0.25与0.5mm之间的半径范围条件中的值。INSTRON UTM机用于抗张强度测量装置190，并且在将样品安装在UTM机上之后，测量当在速度为50mm/min的张力退火(TA，Tension Annealing)条件下拉动时施加的力，由此通过计算测量并获得破裂时的力。从基座251下趋的样品与弯曲夹具120'的一个表面之间的角度α设定为5°。这是0°到10°范围条件中的值。

下文中，将通过实验例来更详细地描述本公开内容。

所获得的测量结果如表1和图13的图所示。表1中的值表示抗张强度(gf/mm)，计算了8个样品的平均值，并且在图13中示出了该平均值。

[表1]

	中心样品1	边缘样品1	中心样品2	边缘样品2
					平均值	69.1	66.5	59.3	53.5
1	70	67	57	50
					2	71	66	58	51
3	69	67	60	55
					4	68	64	56	54
5	66	68	58	54
					6	69	65	61	53
7	70	69	63	56
					8	70	66	61	55

参照表1和图13，测量出从故意产生裂纹的第二电极获得的中心样品2和边缘样品2的抗张强度比从没有产生裂纹的正常的第一电极获得的中心样品1和边缘样品1的抗张强度低16％至24％。正常的第一电极是符合规范的电极，而破裂的第二电极是在规范之外的电极。结果表明，根据本公开内容的弯曲抗张强度测量装置可显著区分这两个电极。

另外，测量出边缘样品的抗张强度低于中心样品的抗张强度。因为在压碾时电极的边缘受到辊子的力比电极的中心部更多，所以边缘比中心部弱。结果表明，根据本公开内容的测量弯曲抗张强度的设备可显著区分这一差异。

根据规范标准，该实验结果可用于预先挑选出可能出现裂纹的故障电极。参照上述实验结果，可将与故意破裂的第二电极的抗张强度和正常的第一电极的抗张强度之间的值对应的任意抗张强度设定为规范。例如，可将65gf/mm设定为规范。当将来测试电极时，如果电极的抗张强度等于或大于65gf/mm，则确定电极是正常的。当电极的抗张强度小于65gf/mm时，则在实际卷绕过程中可能出现裂纹并且确定电极有缺陷。

虽然已经关于有限数量的实施方式和附图在上文中描述了本公开内容，但是本公开内容不限于此，并且对于本领域技术人员显而易见的是，可在本公开内容的技术方面以及所附权利要求的等同范围内对其做出各种修改和改变。

Claims (13)

1.一种夹具组件，包括：

固定样品的一个端部的固定单元；

板形状的弯曲夹具，所述弯曲夹具具有扁平的长方体形状，其中长而窄的侧面形成底面，所述底面是引起样品弯曲的部分且具有半球形形状或半多边形棱柱形状的前端部分；和

在所述弯曲夹具的两端固定所述弯曲夹具的支撑件，

其中一个端部被固定的样品通过所述弯曲夹具的所述底面的所述前端部分弯曲并且接触所述弯曲夹具的与所述底面垂直的一个表面，以引导样品的另一个端部朝向设置在与所述弯曲夹具的所述底面的方向相反的方向上的抗张测试载荷单元，

其中所述样品是用于制造卷绕型电极组件的电极样品。

2.根据权利要求1所述的夹具组件，其中所述前端部分的截面的半径或大小具有与用于制造目标电极组件的芯部相同的尺寸。

3.根据权利要求2所述的夹具组件，其中所述前端部分的截面具有半径为0.25mm至0.5mm的半圆形形状。

4.根据权利要求1所述的夹具组件，其中所述固定单元包括：

基座，样品的一个端部被放置在所述基座上，使得样品的一个端部设置成高于所述弯曲夹具的底面；和

固定板，所述固定板将样品的一个端部固定到所述基座。

5.根据权利要求4所述的夹具组件，其中从所述基座下趋的样品与所述弯曲夹具之间的角度为0°至10°。

6.根据权利要求4所述的夹具组件，进一步包括：

设置在所述固定板中以设定样品的中心位置的样品位置中心设定夹具。

7.根据权利要求4所述的夹具组件，进一步包括：

作为具有所述支撑件和所述基座的基础件的底板，

其中所述支撑件包括：

安装在所述底板中的块；

夹具固定块，所述夹具固定块安装在所述块上并且在上表面上具有供所述弯曲夹具插入的槽；和

翼形螺栓，所述翼形螺栓用于固定安装在所述夹具固定块中的所述弯曲夹具。

8.根据权利要求4所述的夹具组件，进一步包括：

作为具有所述支撑件和所述基座的基础件的底板，

其中所述基座设置在所述支撑件的相对侧上，并且包括：

从所述底板直立的垂直固定块；和

朝向所述弯曲夹具以直角连接并固定到所述垂直固定块的水平固定块，

样品的一个端部被放置在所述水平固定块上，使得样品的一个端部设置成高于所述弯曲夹具的底面。

9.根据权利要求4所述的夹具组件，其中所述固定板包括：

用于将样品的一个端部直接按压到所述基座上的夹块；和

给所述夹块施加力的铰接夹。

10.根据权利要求9所述的夹具组件，进一步包括：

螺钉，所述螺钉使所述夹块向下移动以按压样品的一个端部，使得样品的一个端部固定在所述基座与所述夹块之间，从而防止样品的一个端部移动。

11.一种测量弯曲抗张强度的设备，包括：

根据权利要求1至10中任一项所述的夹具组件；和

抗张强度测量装置，所述抗张强度测量装置连接到被设定成通过夹具组件的弯曲夹具的底面的样品的另一个端部以在垂直方向上提供抗张测试载荷单元，从而在弯曲样品的同时测量抗张强度。

12.根据权利要求11所述的测量弯曲抗张强度的设备，其中所述抗张强度测量装置的载荷单元具有位于床身上方的台部、下横梁和上横梁，所述台部通过液压缸向上操作，所述下横梁沿由电机操作的垂直螺杆上下移动，并且所述上横梁随所述台部的向上移动而被抬起，

所述夹具组件安装在所述下横梁与所述上横梁之间或所述台部与所述下横梁之间。

13.一种利用权利要求11中限定的测量弯曲抗张强度的设备来测量弯曲抗张强度的方法，所述方法包括：

使用夹具组件的固定单元固定样品的一个端部；

将样品放置在弯曲夹具下方并且在样品被卷绕在弯曲夹具上的同时向上弯曲样品；

将样品的另一个端部连接到抗拉强度测量装置；和

在所述夹具组件固定不动的同时，给样品的另一个端部施加力，并且根据样品破裂时的时间点的力计算抗张强度。

Images