CN109959360B - 一种软包锂电池负极膨胀率的测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种软包锂电池负极膨胀率的测量系统及方法，本通过首先测量正、负极极片干燥后的厚度值；接着计算层叠体的厚度；接着测量电芯注液后和满电状态下的电芯厚度；接着计算判断因子δ；最后根据判断因子δ对负极极片满电厚度、负极满电膨胀率进行计算。本发明提供的方案，可在不破坏电池的前提下，基于电池制作过程中记录的过程数据，实现负极满电膨胀率的估算，本发明方法简单可靠。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种软包锂电池负极满电膨胀率的测算方案。
背景技术
随着电池的能量密度不断提高，负极或是采用高面密度的石墨或是采用硅碳复合材料。无论是高面密度的石墨还是硅碳复合材料，在设计电池时，负极极片的膨胀率都是需要考量的一个关键参数之一。
现有技术测量负极极片膨胀率的一般方法是：测量负极极片初始厚度H0；电池满电状态下，在低湿环境下拆解电池，取出负极片，测量满电负极的厚度Hmax；计算负极满电膨胀率：Hmax/H0-1。这种方法，一来需要对电池进行破坏，二来需在低湿环境下拆解，三来存在一定的人身、财产安全隐患，同时由于负极片的厚度分布存在不均匀性，选取不同涂布段、不同测试点时所测量的负极初始厚度和负极满电厚度均存在一定误差，测得的数据一致性差，并不能准确反映负极的满电膨胀率。
鉴于此，本领域亟需一种能够安全、简单可靠估算负极满电膨胀率的方案。
发明内容
针对现有负极极片膨胀率的测量方案所存在的问题，需要一种安全且简单可靠的软包锂电池负极膨胀率的测量方案。
为此，本发明的目的在于提供一种软包锂电池负极膨胀率的测量系统，在此基础上进一步提供一种软包锂电池负极膨胀率的测量方法，以实现对软包锂电池负极膨胀率进行安全，可靠的测量。
为了达到上述目的，本发明提供的软包锂电池负极膨胀率的测量系统，包括：
极片厚度测量单元，所述极片厚度测量单元测量正、负极极片干燥后的厚度值；
层叠体厚度计算单元，所述层叠体厚度计算单元调取极片厚度测量单元测量得到的极片厚度值来计算层叠体的厚度；
电芯厚度测量单元，所述电芯厚度测量单元测量电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值；
判断因子计算单元，所述判断因子计算单元调取电芯厚度测量单元测量得到的电芯注液后的厚度值与层叠体厚度计算单元测量计算得到的层叠体厚度值计算得到判断因子；
负极膨胀率估算单元，所述负极膨胀率估算单元根据判断因子计算单元确定的判断因子，调用电芯厚度测量单元测量得到的电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值来计算负极极片满电厚度；再基于计算得到的负极极片满电厚度值来计算负极满电膨胀率。
进一步的，所述层叠体厚度计算单元通过如下数学模型来计算层叠体的厚度：
L＝Ht×nt+Hp×np+M×(np+nt)+S×2；
其中，L为层叠体厚度，Ht为干燥负极厚度，nt为负极层叠数，Hp为干燥正极厚度，np为正极层叠数，M为隔膜厚度，S为铝塑膜厚度。
进一步的，所述判断因子计算单元通过如下数学模型来计算判断因子：
其中，δ为判断因子。
进一步的，所述负极膨胀率估算单元通过如下数学模型来计算负极极片满电厚度：
Hmax为负极极片满电厚度，Ht为干燥负极厚度，nt为负极层叠数，δ为判断因子。
进一步的，所述负极膨胀率估算单元通过如下数学模型来计算负极满电膨胀率：
Hmax为负极极片满电厚度，H0为负极初始厚度。
为了达到上述目的，本发明提供的软包锂电池负极膨胀率的测量方法，包括：
(1)干燥正、负极极片，并测量干燥后正、负极极片的厚度；
(2)根据步骤(1)确定的正、负极极片的厚度来计算确定层叠体的厚度；
(3)测量电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值；
(4)根据步骤(3)测量得到的电芯注液后的厚度值与步骤(2)中计算得到的层叠体厚度值计算得到判断因子；
(5)根据步骤(4)确定的判断因子，调用步骤(3)得到的电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值来计算负极极片满电厚度；再基于计算得到的负极极片满电厚度值来计算负极满电膨胀率。
进一步的，所述步骤(1)中在真空干燥箱进行极片干燥，，温度为80℃，干燥时间为24-72h。
进一步的，所述步骤(2)中基于如下公式来计算层叠体的厚度：
L＝Ht×nt+Hp×np+M×(np+nt)+S×2；
其中，L为层叠体厚度，Ht为干燥负极厚度，nt为负极层叠数，Hp为干燥正极厚度，np为正极层叠数，M为隔膜厚度，S为铝塑膜厚度。
进一步的，所述步骤(4)中通过如下公式来计算判断因子：
其中，δ为判断因子。
进一步的，所述步骤(5)中通过如下公式来计算负极极片满电厚度：
Hmax为负极极片满电厚度，Ht为干燥负极厚度，nt为负极层叠数，δ为判断因子。
进一步的，所述步骤(5)中通过如下公式来来计算负极满电膨胀率：
Hmax为负极极片满电厚度，H0为负极初始厚度。
本发明提供的软包锂电池负极满电膨胀率的测量方案，可在不破坏电池前提下，基于电池制作过程中记录的过程数据，简单实现计算负极满电膨胀率的目的，且整个实施过程安全可靠。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明实例中进行软包锂电池负极膨胀率测量的流程示意图；
图2为本发明实例中软包锂电池负极膨胀率测量系统的组成框图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本实例提供的软包锂电池负极膨胀率的测量方案能够在在不破坏电池的前提下，实现负极满电膨胀率的测算，整个过程简单且安全可靠。
参见图1，其所示为本软包锂电池负极膨胀率的测量方案进行软包锂电池负极膨胀率测量的基本流程示意图。
由图可知，本软包锂电池负极膨胀率的测量方案主要包括以下基本步骤：
(1)干燥正、负极极片，并测量干燥后正、负极极片的厚度；
(2)根据步骤(1)确定的正、负极极片的厚度来计算确定层叠体的厚度；
(3)测量电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值；
(4)根据步骤(3)测量得到的电芯注液后的厚度值与步骤(2)中计算得到的层叠体厚度值计算得到判断因子；
(5)根据步骤(4)确定的判断因子，调用步骤(3)得到的电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值来计算负极极片满电厚度；再基于计算得到的负极极片满电厚度值来计算负极满电膨胀率。
本方案在具体实施时，优选在真空干燥箱进行极片干燥，且温度设定为80℃，干燥时间为24-72h，由此能够达到非常好的干燥效果。
再者，在测量干燥后正、负极极片的厚度时，可采用千分尺测量，测量精度为0.001mm，再记录测量的结果，以便后续调用。但测量方案并不限于此，根据需要也可采用测量精度高的电子化测量设置或仪器来进行测量，据此来测量正、负极极片的厚度时不仅精度高，还能够自动存储所得到的厚度，以便后续调用。
对于步骤(2)中计算确定软包锂电池中层叠体的厚度时，根据层叠体中层叠的结构来计算确定整体厚度，常规层叠体主要由若干层的正极极片、若干层的负极极片，隔膜以及铝塑膜来构成。为此，本实例方案中基于如下公式来计算层叠体的厚度：
L＝Ht×nt+Hp×np+M×(np+nt)+S×2；
其中，L为层叠体厚度，Ht为干燥负极极片的厚度，nt为负极层叠数，Hp为干燥正极极片的厚度，np为正极层叠数，M为隔膜厚度，S为铝塑膜厚度。
对于干燥负极极片的厚度和干燥正极极片的厚度，则直接根据步骤(1)中测量的结果获得，而对于隔膜厚度和铝塑膜厚度，则可通过常规厚度测量工作来测量获得，如可采用千分尺或游标卡尺来测量获得，并记录测量的结果，以便后续调用。
但测量方案并不限于此，根据需要也可采用测量精度高的电子化测量设置或仪器来进行测量，据此来测量隔膜厚度和铝塑膜的厚度时不仅精度高，还能够自动存储所得到的厚度，以便后续调用。
作为举例，本步骤在具体实施，构建如下的层叠体厚度计算模型：
L＝Ht×nt+Hp×np+M×(np+nt)+S×2；
其中，L为层叠体厚度，Ht为干燥负极极片的厚度，nt为负极层叠数，Hp为干燥正极极片的厚度，np为正极层叠数，M为隔膜厚度，S为铝塑膜厚度。
同时，该层叠体厚度计算模型与测量干燥后正、负极极片厚度以及测量隔膜厚度和铝塑膜厚度的高精度电子化测量设置或仪器进行数据连接，以调取测量得到的干燥负极极片的厚度值、干燥正极极片的厚度值、隔膜厚度值以及铝塑膜厚度值，并基于建立的计算模型进行计算得到软包锂电池中层叠体的厚度，并进行存储，以便后续调取。由此能够实现层叠体厚度的自动化计算。
对于步骤(3)中测量电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值时，可采用游标卡尺测量，测量精度为0.01mm，再记录测量的结果，以便后续调用。但测量方案并不限于此，根据需要也可采用测量精度高的电子化测量设置或仪器来进行测量，据此来分别测量电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值时不仅精度高，还能够自动存储所得到的厚度值，以便后续调用。
对于步骤(4)中计算确定判断因子δ时，本实例方案中基于如下公式来计算判断因子：
其中，δ为判断因子。
作为举例，本步骤在具体实施时，可构建如下的判断因子计算模型：
其中，δ为判断因子。
同时，该判断因子计算模型与测量电芯厚度值的高精度电子化测量设置或仪器进行数据连接，以调取测量得到的电芯注液后的厚度值；同时与层叠体厚度计算模型进行数据连接，以调取计算得到的层叠体厚度，并基于建立的计算模型进行计算得到判断因子δ，并进行存储，以便后续调取。由此能够实现层叠体厚度的自动化计算。
对于步骤(5)中计算负极极片满电厚度时，首先，判断因子δ值≥0％，还是<0％：若判断因子δ值≥0％，则调用步骤(3)中测得的电芯满电状态下的厚度，骤(2)中计算得到的层叠体厚度值，以及步骤(1)中测得的干燥负极极片厚度来计算负极极片满电厚度；若判断因子δ值<0％，则调用步骤(3)中测得的电芯满电状态下的厚度和电芯注液后的厚度，以及步骤(1)中测得的干燥负极极片厚度来计算负极极片满电厚度。
为此，本实例方案中基于如下公式来计算负极极片满电厚度：
Hmax为负极极片满电厚度，Ht为干燥负极厚度，nt为负极层叠数，δ为判断因子。
作为举例，本步骤在具体实施时，可构建如下的负极极片满电厚度计算模型：
Hmax为负极极片满电厚度，Ht为干燥负极厚度，nt为负极层叠数，δ为判断因子。
同时，该负极极片满电厚度计算模型与测量干燥负极厚度的高精度电子化测量设置或仪器和测量电芯厚度值的高精度电子化测量设置或仪器进行数据连接，以及与判断因子计算模型和层叠体厚度计算模型进行数据连接。
由此，该负极极片满电厚度计算模型首先调取判断因子计算模型计算得到的判断因子δ，并对其进行判断，判断因子δ值≥0％，还是<0％，并根据判断结果，调取相应的数值，且依据基于建立的计算模型进行计算得到负极极片满电厚度值Hmax，并进行存储，以便后续调取。由此能够实现负极极片满电厚度的自动化计算。
在此基础上进一步计算负极满电膨胀率时，基于如下公式来计算负极满电膨胀率：
Hmax为负极极片满电厚度，H0为负极初始厚度。
作为举例，本方案在具体实施时，可构建如下的负极满电膨胀率计算模型：
Hmax为负极极片满电厚度，H0为负极初始厚度。
同时，该负极满电膨胀率计算模型与负极极片满电厚度计算模型进行数据连接，以调取计算得到的负极极片满电厚度值；并基于建立的计算模型进行计算得到负极满电膨胀率，并进行存储，以便后续调取。由此能够实现负极满电膨胀率的自动化计算。
针对上述的软包锂电池负极膨胀率的测量方案，以下给出一种能够实施该软包锂电池负极膨胀率测量方案的测量系统。
参见图2，该软包锂电池负极膨胀率测系统100主要由厚度测量单元110、层叠体厚度计算单元120、判断因子计算单元130、负极膨胀率估算单元140以及数据库150相互配合构成。
本系统中的厚度测量单元110用于在软包锂电池的制备过程中，实时测量正、负极极片干燥后的厚度值，软包锂电池中隔膜厚度值，铝塑膜厚度值，以及电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值。
该厚度测量单元110优选由高精度的电子化测量设置或仪器构成，具体构成方案对本领域技术人员来说为熟知技术，此处不加以赘述。该厚度测量单元110将在软包锂电池的制备过程测量得到的正、负极极片干燥后的厚度值，软包锂电池中隔膜厚度值，铝塑膜厚度值，以及电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值对应的存储到数据库160中。
本系统中的层叠体厚度计算单元120，与数据库160进行数据连接，用于从数据库160中调取极片厚度测量单元测量得到的极片厚度值、隔膜厚度值以及铝塑膜厚度值来计算层叠体的厚度。
该层叠体厚度计算单元120构建如下的层叠体厚度计算模型：
L＝Ht×nt+Hp×np+M×(np+nt)+S×2；
其中，L为层叠体厚度，Ht为干燥负极极片的厚度，nt为负极层叠数，Hp为干燥正极极片的厚度，np为正极层叠数，M为隔膜厚度，S为铝塑膜厚度。
如此的层叠体厚度计算单元120从数据库160调取所需的数值，并基于构建的计算模型，完成层叠体厚度的自动计算，并对应的存入到数据库中。
本系统中的判断因子计算单元130，与数据库160进行数据连接，用于从数据库160中调取电芯注液后的厚度值以及层叠体厚度计算单元120计算得到的层叠体厚度值来计算判断因子。
本判断因子计算单元130中构建如下的判断因子计算模型：
其中，δ为判断因子。
如此的判断因子计算单元130从数据库160调取所需的数值，并基于构建的计算模型，完成判断因子的自动计算，并对应的存入到数据库中。
本系统中的负极膨胀率估算单元140与数据库160进行数据连接，用于从数据库160数据库160中调取判断因子，并根据判断因子，调用电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值以及层叠体厚度值和干燥负极极片的厚度值来计算负极极片满电厚度；再基于计算得到的负极极片满电厚度值来计算负极满电膨胀率，完成负极膨胀率的自动估算，并对应的存入到数据库中。
本负极膨胀率估算单元140中分别负极极片满电厚度计算模型和负极满电膨胀率计算模型。
其中，构建的负极极片满电厚度计算模型如下：
Hmax为负极极片满电厚度，Ht为干燥负极厚度，nt为负极层叠数，δ为判断因子。
由此，该负极极片满电厚度计算模型首先从数据库中调取判断因子计算模型计算得到的判断因子δ，并对其进行判断，判断因子δ值≥0％，还是<0％，并根据判断结果，调取相应的数值，且依据基于建立的计算模型进行计算得到负极极片满电厚度值Hmax，并进行存储，以便后续调取。由此能够实现负极极片满电厚度的自动化计算。
而构建的负极满电膨胀率计算模型如下：
Hmax为负极极片满电厚度，H0为负极初始厚度。
该负极满电膨胀率计算模型在负极极片满电厚度计算模型完成计算后，获取计算得到的负极极片满电厚度，并调取负极初始厚度，由此来自动完成负极满电膨胀率的计算。
由此构成的软包锂电池负极膨胀率测系统100可配套应用于软包锂电池的生成流程中，实时记录电池制作过程中相关的过程数据，在电池完成生产后，即可在不破坏电池前提下，自动实现负极满电膨胀率计算，且安全可靠。
下面结合具体的实施例对本方案作进一步说明。
这些实例都采用本发明提供的软包锂电池负极膨胀率的测量方案，在软包锂电池的生产过程中完成数据测量和记录，并在电池完成生产后，且不破坏电池前提下，完成负极满电膨胀率计算。
整个操作流程如下：
(1)测量正、负极极片干燥后的厚度值，分别记为H正、H负；
(2)计算层叠体的厚度，记为H层；
(3)测量电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值，分别记为H注、H满；
(4)计算判断因子δ，计算确认δ值≥0％或<0％；
(5)采用估算公式对负极极片满电厚度、负极满电膨胀率进行计算。
实施例1
(1)测量正、负极极片干燥后的厚度值。其中正极极片厚度取值20个，数值在0.149～0.154mm之间，平均厚度为0.1516mm；负极极片厚度取值20个，数值在0.135～0.142mm之间，平均厚度为0.1387mm。
(2)计算层叠体的厚度，为8.1156mm。
(3)测量电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值，列于表1中；
(4)计算判断因子δ，数据列于表1中，δ值均>0％；
(5)对负极极片满电厚度、负极满电膨胀率进行计算，并列于表1中。
表1
实施例2
1)测量正、负极极片干燥后的厚度值。其中正极极片厚度取值20个，数值在0.151～0.160mm之间，平均厚度为0.1540mm；负极极片厚度取值20个，数值在0.161～0.168mm之间，平均厚度为0.1611mm。
(2)计算层叠体的厚度，为8.7084mm。
(3)测量电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值，列于表2中；
(4)计算判断因子δ，数据列于表2中，δ值均<0％；
(5)对负极极片满电厚度、负极满电膨胀率进行计算，并列于表2中。
表2
从上述表1和2中，可看出，负极满电膨胀率的估算结果一致性好，数据可靠，由此可以确定，本方案能够实现在不破坏电池前提下，有效对电池负极满电膨胀率进行估算。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.软包锂电池负极膨胀率的测量系统，其特征在于，包括：
极片厚度测量单元，所述极片厚度测量单元测量正、负极极片干燥后的厚度值；
层叠体厚度计算单元，所述层叠体厚度计算单元调取极片厚度测量单元测量得到的极片厚度值来计算层叠体的厚度；
电芯厚度测量单元，所述电芯厚度测量单元测量电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值；
判断因子计算单元，所述判断因子计算单元调取电芯厚度测量单元测量得到的电芯注液后的厚度值与层叠体厚度计算单元测量计算得到的层叠体厚度值计算得到判断因子；
负极膨胀率估算单元，所述负极膨胀率估算单元根据判断因子计算单元确定的判断因子，调用电芯厚度测量单元测量得到的电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值来计算负极极片满电厚度；再基于计算得到的负极极片满电厚度值来计算负极满电膨胀率。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述层叠体厚度计算单元通过如下数学模型来计算层叠体的厚度：
L＝Ht×nt+Hp×np+M×(np+nt)+S×2；
其中，L为层叠体厚度，Ht为干燥负极厚度，nt为负极层叠数，Hp为干燥正极厚度，np为正极层叠数，M为隔膜厚度，S为铝塑膜厚度。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述判断因子计算单元通过如下数学模型来计算判断因子：
其中，δ为判断因子。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述负极膨胀率估算单元通过如下数学模型来计算负极极片满电厚度：
Hmax为负极极片满电厚度，Ht为干燥负极厚度，nt为负极层叠数，δ为判断因子。
5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述负极膨胀率估算单元通过如下数学模型来计算负极满电膨胀率：
Hmax为负极极片满电厚度，H0为负极初始厚度。
6.软包锂电池负极膨胀率的测量方法，其特征在于，包括：
(1)干燥正、负极极片，并测量干燥后正、负极极片的厚度；
(2)根据步骤(1)确定的正、负极极片的厚度来计算确定层叠体的厚度；
(3)测量电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值；
(4)根据步骤(3)测量得到的电芯注液后的厚度值与步骤(2)中计算得到的层叠体厚度值计算得到判断因子；
(5)根据步骤(4)确定的判断因子，调用步骤(3)得到的电芯注液后和满电状态下的电芯厚度值来计算负极极片满电厚度；再基于计算得到的负极极片满电厚度值来计算负极满电膨胀率。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中在真空干燥箱进行极片干燥，温度为80℃，干燥时间为24-72h。
8.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中基于如下公式来计算层叠体的厚度：
L＝Ht×nt+Hp×np+M×(np+nt)+S×2；
其中，L为层叠体厚度，Ht为干燥负极厚度，nt为负极层叠数，Hp为干燥正极厚度，np为正极层叠数，M为隔膜厚度，S为铝塑膜厚度。
9.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中通过如下公式来计算判断因子：
其中，δ为判断因子。
10.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(5)中通过如下公式来计算负极极片满电厚度：
Hmax为负极极片满电厚度，Ht为干燥负极厚度，nt为负极层叠数，δ为判断因子；
所述步骤(5)中通过如下公式来来计算负极满电膨胀率：
Hmax为负极极片满电厚度，H0为负极初始厚度。
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