CN110274815A - 一种锂离子电池内部结构机械强度的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及种锂离子电池内部结构机械强度的分析方法，包括锂离子电池预处理、锂离子电池内部结构、机械强度测试、数据耦合和过程还原、锂离子电池内部机械强度分析等主要步骤，这一方法可以验证锂离子电池的机械安全性，测试锂离子电池在经过各项机械安全性测试后内部结构的稳定性，为评估锂离子电池机械安全性提供了可靠的评估依据。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子电池内部结构机械强度的分析方法。
背景技术
锂离子电池最早由Whittingham等在1976年发明。随后1981年,Bell实验室将石墨作为负极材料成功制成了锂离子电池，解决了过去用锂片为负极所带来的储存困难、成本过高、条件苛刻等问题。1991年日本SONY公司第一次制造出商品锂离子电池，开始了锂离子电池的商业化应用。商业化锂离子电池的主要是由正极、隔膜、负极和电解液组成。锂离子电池的正极材料主要是富含锂的材料，而负极材料是由可以容纳锂的材料构成。当电池充电时，正极材料中的锂脱嵌，通过电解液和隔膜进入负极，而负极形成嵌锂化合物。电池放电时情况则相反，嵌锂的负极材料中锂脱嵌，通过电解液和隔膜回到正极，完成一个充放电循环。锂离子电池即是锂以离子的形式在电池正负极之间转移，使电池完成充放电的过程，因此锂离子电池又被称为“摇椅电池”。由于锂离子电池能量密度高、循环寿命长等因素，逐渐被应用于电动汽车中，作为动力电池使用。随着电动汽车的广泛普及，动力电池技术也得到了快速发展。
随着动力电池技术的快速发展，作为其评价手段的动力电池测试技术也得到了长足进步。动力电池测试处于新能源汽车产业链中游，是动力电池研发、生产及应用的重要组成部分。新能源汽车技术的发展，使动力电池测试技术日趋完善，但仍然存在测试方法相对单一、各层级测试相对独立的问题。
针对动力电池的寿命、电性能和安全性能要求，我国制定了一系列测试标准。然而现有动力电池测试评价体系最小测试单元是电池单体，采用的测试方法是对电池样品进行电信号、机械信号和环境信号的激励，并判断测试样品的响应情况。然而这一系列测试方法，对于电池单体内部的关键结构，如正极、负极、隔膜等在各项测试中的演变无从得知。就机械安全方面，在电动汽车的实际使用过程中，会由于碰撞等因素对动力电池的结构造成影响，并可能使电池产生起火、爆炸等安全问题。在国家标准中，通过模拟动力电池可能遇到的机械安全性问题，制定了跌落、挤压、穿刺等机械安全性测试。这类测试的评价指标是在经过特定的机械测试后，通过电池的表现(是否起火、是否爆炸、是否电解液泄漏)来判断电池是否符合机械安全标准。然而这些测试方法仅能够判断电池的整体结构是否安全，对于电池内部结构的机械强度无法得知。主要原因有两方面，一是因为经过机械安全性测试后的电池整体上可能会发生较大形变，难以从外观来分辨电池的结构的破坏情况。二是如果直接对电池进行解剖分析的话，会对电池的结构造成破坏，难以获得真实的内部信息。
计算机断层扫描(CT)测试方法能够观察到电池单体的内部结构,但无法判断内部结构各部分的机械强度。本发明利用计算机断层扫描的信息，结合发明的力学探针分析方法，提出了对锂离子电池内部结构机械强度的分析方法，能够有效的对锂离子电池的内部结构进行精准定位并对其机械强度进行测试评价。
发明内容
本发明旨在给出一种锂离子电池内部结构机械强度的分析方法，这一方法可以验证锂离子电池的机械安全性，测试锂离子电池在经过各项机械安全性测试后内部结构的稳定性，为评估锂离子电池机械安全性提供了可靠的评估依据。
为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：
一种锂离子电池内部结构机械强度的分析方法，包括如下步骤：
(1)锂离子电池预处理
将锂离子电池按照测试需求进行充放电预处理，调整电池的荷电状态至10％以下；
(2)锂离子电池内部结构机械强度测试
i)内部结构关键点标注
将锂离子电池样品进行计算机断层扫描仪器测试，得到电池截面的图像，并对截面图像中的关键点进行标注；
ii)机械强度力学探针分析
将力学探针注入电池内部，得到探针载荷随注入过程的力学变化曲线；
(3)数据耦合和过程还原
根据步骤i)标注的关键点与步骤ii)获得的力学变化曲线进行耦合分析，根据关键点造成的力学曲线变化对曲线中关键点所在的区间进行定位，并与相应的内部结构图像对应，通过至少2点的定位过程使力学变化曲线与内部结构图像对应；
(4)锂离子电池内部机械强度分析
根据步骤(3)的结果，获得力学探针尖端处于不同内部结构时的载荷，结合力学探针的截面面积，分析电池内部结构的机械强度。
进一步，步骤ii)中力学探针注入速度为≤0.5mm/s。
进一步，所述关键点选择电池内部结构中的外壳、空腔部位。
进一步，所述关键点设置多个，该多个关键点为在电池内部结构中对称设置的6个点位。
本发明具有以下优点和有益效果：
本发明能够通过对锂离子电池内部结构机械强度的测试，对锂离子电池内部结构的机械状态进行深入分析，找到电池内部机械强度的优势点和薄弱点，促进电池工艺水平提高，增加消费电子用和电动汽车用锂离子电池的稳定性和安全性，并为电池的机械安全性评价提供一种新的评价方法。
附图说明
图1为实施例1中锂离子电池内部结构关键点标注示意图；
图2为实施例1中机械强度力学探针分析曲线图；
图3为实施例1中数据耦合分析图；
图4为实施例1中锂离子电池内部机械强度分析图；
图5为实施例2中锂离子电池内部结构关键点标注示意图；
图6为实施例2中机械强度力学探针分析曲线图；
图7为实施例2中数据耦合分析图；
图8为实施例2中锂离子电池内部机械强度分析图；
图9为实施例3中锂离子电池内部结构关键点标注示意图；
图10为实施例3中机械强度力学探针分析曲线图；
图11为实施例3中数据耦合分析图；
图12为实施例3中锂离子电池内部机械强度分析图。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。
实施例1
锂离子电池内部结构机械强度的分析方法，包括如下步骤：
(1)锂离子电池预处理
调整锂离子电池的荷电状态至5％，具体实施方式为：按标准充电策略以1I1电流恒电流充电至电池达到充电截止电压，转为恒电压充电至电流达到0.05I1时停止充电。搁置1小时后，以1I1电流恒电流放电0.95小时。
(2)锂离子电池内部结构机械强度测试
i)内部结构关键点标注
将锂离子电池样品进行计算机断层扫描仪器测试，得到电池截面的图像，并对截面图像中的关键点(外壳、空腔等机械强度的特异点)进行标注。如图1所示，A点为探针进入方向的不锈钢外壳，B点为探针进入方向的不锈钢内壳，C点为探针进入方向的电池中央空隙，D点为探针离开方向的中央空隙。E点为探针离开方向的不锈钢内壳，F点为探针离开方向的不锈钢外壳。
ii)机械强度力学探针分析
将力学探针以0.1mm/s的速度注入电池内部，得到探针载荷随注入过程的力学变化曲线，如图2所示。
(3)数据耦合和过程还原
根据步骤i)标注的特异点与步骤ii)获得的力学变化曲线进行耦合分析，如图3所示。根据特异点造成的力学曲线变化对曲线中特异点所在的区间进行定位，并与相应的内部结构图像对应。
(4)锂离子电池内部机械强度分析
根据步骤(3)的结果，获得电池不同内部结构的机械强度曲线。如图4所示。
实施例2
锂离子电池内部结构机械强度的分析方法，包括如下步骤：
(1)锂离子电池预处理
调整锂离子电池的荷电状态至5％，具体实施方式为：按标准充电策略以1I1电流恒电流充电至电池达到充电截止电压，转为恒电压充电至电流达到0.05I1时停止充电。搁置1小时后，以1I1电流恒电流放电0.95小时。
(2)锂离子电池内部结构机械强度测试
i)内部结构关键点标注
将锂离子电池样品进行计算机断层扫描仪器测试，得到电池截面的图像，并对截面图像中的关键点(外壳、空腔等机械强度的特异点)进行标注。如图5所示，A点为探针进入方向的不锈钢外壳，B点为探针进入方向的电池中央空隙，C点为探针离开方向的中央空隙。D点为探针离开方向的不锈钢内壳，E点为探针离开方向的不锈钢外壳。
ii)机械强度力学探针分析
将力学探针以0.1mm/s的速度注入电池内部，得到探针载荷随注入过程的力学变化曲线，如图6所示。
(3)数据耦合和过程还原
根据步骤i)标注的特异点与步骤ii)获得的力学变化曲线进行耦合分析，如图7所示。根据特异点造成的力学曲线变化对曲线中特异点所在的区间进行定位，并与相应的内部结构图像对应。
(4)锂离子电池内部机械强度分析
根据步骤(3)的结果，获得电池不同内部结构的机械强度曲线，如图8所示。
实施例3
(1)锂离子电池预处理
调整锂离子电池的荷电状态至5％，具体实施方式为：按标准充电策略以1I1电流恒电流充电至电池达到充电截止电压，转为恒电压充电至电流达到0.05I1时停止充电。搁置1小时后，以1I1电流恒电流放电0.95小时。
(2)锂离子电池内部结构机械强度测试
i)内部结构关键点标注
将锂离子电池样品进行计算机断层扫描仪器测试，得到电池截面的图像，并对截面图像中的关键点(外壳、空腔等机械强度的特异点)进行标注。如图9所示，A点为探针进入方向的不锈钢外壳，B点为探针进入方向的不锈钢内壳，C探针进入方向的电池中央空隙，D点为中央空隙的中点，E点为探针离开方向的中央空隙，F点为探针离开方向的不锈钢内壳，G点为探针离开方向的不锈钢外壳。
ii)机械强度力学探针分析
将力学探针以0.1mm/s的速度注入电池内部，得到探针载荷随注入过程的力学变化曲线，如图10所示。
(3)数据耦合和过程还原
根据步骤i)标注的特异点与步骤ii)获得的力学变化曲线进行耦合分析，如图11所示。根据特异点造成的力学曲线变化对曲线中特异点所在的区间进行定位，并与相应的内部结构图像对应。
(4)锂离子电池内部机械强度分析
根据步骤(3)的结果，获得电池不同内部结构的机械强度曲线，如图12所示。
小结：
通过选取不同数量的关键点，对圆柱电池进行了测试。实施例1选取6个关键点，测试结果能够准确反映电池不同内部结构的机械强度。具体表现为：机械强度曲线中的最低点对应电池的内部空隙，曲线中的最高点对应电池的不锈钢壳，符合电池的实际结果。同时，不锈钢外壳的机械强度测试结果为0.07N/mm2，该数值能够满足电池的机械强度要求。因此选取6个关键点能够取得准确的结果。
实施例2选取5个关键点，测试结果不准确。具体表现为：经过数据耦合与过程还原，机械强度的最高点与不锈钢壳所处的D点和E点出现位置偏差，无法反应真实情况。实施例3选取7个关键点，测试结果能够准确反映电池不同内部结构的机械强度。具体表现为：机械强度曲线中的最低点对应电池的内部空隙，曲线中的最高点对应电池的不锈钢壳，符合电池的实际结果。同时，不锈钢外壳的机械强度测试结果为0.07N/mm2，该数值能够满足电池的机械强度要求。因此选取7个关键点能够取得准确的结果。同时，该结果与实施例1的结果高度吻合。
结果表明，选取关键点的数量应大于等于6。从提高测试效率的角度出发，关键点的选取数量应为6个。
以上对本发明创造的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明创造的专利涵盖范围之内。
Claims (4)
1.一种锂离子电池内部结构机械强度的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)锂离子电池预处理
将锂离子电池按照测试需求进行充放电预处理，调整电池的荷电状态至10％以下；
(2)锂离子电池内部结构机械强度测试
i)内部结构关键点标注
将锂离子电池样品进行计算机断层扫描仪器测试，得到电池截面的图像，并对截面图像中的关键点进行标注；
ii)机械强度力学探针分析
将力学探针注入电池内部，得到探针载荷随注入过程的力学变化曲线；
(3)数据耦合和过程还原
根据步骤i)标注的关键点与步骤ii)获得的力学变化曲线进行耦合分析，根据关键点造成的力学曲线变化对曲线中关键点所在的区间进行定位，并与相应的内部结构图像对应，通过至少2点的定位过程使力学变化曲线与内部结构图像对应；
(4)锂离子电池内部机械强度分析
根据步骤(3)的结果，获得力学探针尖端处于不同内部结构时的载荷，结合力学探针的截面面积，分析电池内部结构的机械强度。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池内部结构机械强度的分析方法，其特征在于，步骤ii)中力学探针注入速度为≤0.5mm/s。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池内部结构机械强度的分析方法，其特征在于，所述关键点选择电池内部结构中的外壳、空腔部位。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池内部结构机械强度的分析方法，其特征在于，所述关键点设置多个，该多个关键点为在电池内部结构中对称设置的6个点位。
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