CN112834393A - 一种测量隔膜浸润性的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量隔膜浸润性的方法及装置，包括以下步骤：S1、模拟隔膜在电芯中的设置，测量并记录所述隔膜的实时电压及其对应的时间；S2、根据Washburn方程，通过所述隔膜的实时电压与时间的关系来反映得到所述隔膜的浸润性，完成隔膜浸润性的测量。相比于现有技术，本发明提供的隔膜浸润性测量方法，根据Washburn方程，监测隔膜浸润过程中电压和电阻随时间的变化，来反应隔膜的浸润随时间的变化，进而较为精准的反应隔膜的浸润性问题，相比于现有的测量方法，本测量方法不仅更简单方便，且能快速精准的测定隔膜的在电解液中的浸润情况。

Description

一种测量隔膜浸润性的方法及装置

技术领域

本发明涉及锂电池领域，具体涉及一种测量隔膜浸润性的方法及装置。

背景技术

锂离子电池因具有高比能，无记忆效应和优异的循环寿命等优点，被广泛地应用于数码相机、手机、平板电脑、无人机等各种电子设备当中，并不断向新能源汽车领域发展，是电化学储能装置发展的重要推动力。而同时具备较高的能量密度以及较大电流快充性能要求成为当前锂离子电池发展的重要技术挑战之一。

在锂电池的结构中，包括正极、负极、电解液和隔膜，隔膜位于正极和负极之间，隔膜具有电子绝缘性，隔膜的作用是使正极和负极分隔开来，阻止活性物质迁移，避免自放电，延长寿命。锂电池的极片和隔膜对电解液的浸润能力会影响电池容量和循环寿命，尤其在高倍率充电情况下，如果电解液不能很好的浸润隔膜会极大的影响电池长期循环性能。

目前判断隔膜浸润性的方法主要包括三种：

1)将典型电解液滴在隔膜表面，查看液滴是否迅速消失，如果是说明浸润性基本满足要求。但此种方式只能定性比较隔膜的浸润性，且受到人为因素影响较大。

2)将电解液滴在隔膜上，测量隔膜与电解液的接触角，接触角越小，则说明隔膜的浸润性越好。但此种方式需要精确测定接触角，而隔膜与电解液浸润速率较快，难以准确测定接触角。

3)用超高分辨的摄像机记录从电解液接触隔膜到电解液消失的过程，通过时间来比较不同隔膜的浸润度。此种方式虽准确度高，但需要较大的成本投入，且操作复杂，并不利于在企业实际生产中操作。

有鉴于此，确有必要提供一种解决上述问题的技术方案。

发明内容

本发明的一目的在于：提供一种测量隔膜浸润性的方法，解决目前隔膜浸润性测试方法操作复杂，无法较为精准的反应隔膜浸润性的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种测量隔膜浸润性的方法，包括以下步骤：

S1、模拟隔膜在电芯中的设置，测量并记录所述隔膜的实时电压及其对应的时间；

S2、根据Washburn方程，通过所述隔膜的实时电压与时间的关系来反映得到所述隔膜的浸润性，完成隔膜浸润性的测量；

其中，所述Washburn方程为：h＝k*t^1/2；h为毛细管中的扩散高度，通过隔膜的电压来间接表征；k为电解液在隔膜中的扩散速率；t为扩散时间。

优选的，在步骤S1的测量中，将若干张隔膜层叠一同放置，测量若干张所述隔膜层叠后的实时电压。

优选的，步骤S1中，调节所述隔膜的环境温度，测量所述隔膜在不同温度下的实时电压。

优选的，步骤S1中，在测量所述隔膜的实时电压前，先调节至空白电压，待电压稳定后再进行测量并记录所述隔膜的实时电压。

本发明的另一目的在于，提供一种测量隔膜浸润性的装置，包括：

电源；

测试槽，包括夹持组件和电解液；所述夹持组件中设置有作用于隔膜上的拉力区，所述隔膜被夹持于所述夹持组件中；对所述隔膜浸润性进行测量时，夹持有隔膜的夹持组件浸于所述电解液中；

电压和时间测量件，连接在所述测试槽的两端，与所述电源电连接，用于测量并记录所述隔膜的实时电压及其对应时间。

优选的，所述电压和时间测量件为巡检仪。

优选的，所述夹持组件包括至少两个夹持件，两个相邻的所述夹持件上均设置有开孔区，所述开孔区正对设置，所述隔膜覆盖所述开孔区，以模拟所述隔膜在电芯中的受力。

优选的，所述开孔区位于所述夹持件的中部，且两个所述开孔区的大小相同。

优选的，所述测试槽中还设置有加热件，用于为所述隔膜提供不同的环境温度。

优选的，所述测试槽的槽体至少存在两处采用金属连接板进行设置。所述金属连接板可为铂金板和/或银板，该金属连接板应满足不与电解液反应，且可导电，以便电压和时间测量件可连接在测试槽的两端，以对隔膜的实时电压进行检测，保证测试结果。优选的，所述金属连接板可为铂金板。当然，金属连接板也可为其他不与电解液反应且能导电的材质。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

1)本发明提供的隔膜浸润性测量方法，根据Washburn方程，监测隔膜浸润过程中电压和电阻随时间的变化，来反应隔膜的浸润随时间的变化，进而较为精准的反应隔膜的浸润性问题，相比于现有的测量方法，本测量方法不仅更简单方便，且能快速精准的测定隔膜的在电解液中的浸润情况。其中，在Washburn方程中，由于隔膜为非均匀性多孔材料，难以直接准确测定h值，则通过隔膜的电压来间接表征测试，一开始将隔膜浸润在电解液中，由于隔膜基本处于绝缘状态，电阻较大，电路基本被完全切断，电压迅速达到一个最大值，随着隔膜逐渐被浸润，隔膜电阻逐渐减小，其两端的电压逐渐下降，待隔膜完全浸润后电压不再发生改变，恢复到平稳状态，则实时电压随时间的变化则可反应出隔膜的吸液速度，因此本方法可定量衡量隔膜的浸润性。

2)本发明还提供了该测量方法用装置，本装置的测试槽通过模拟隔膜在电芯中的设置，拉力区模拟在电芯中的受力情况，然后通过测量件测试隔膜的实时电压及其对应时间，来反映隔膜的浸润随时间的变化，进而反映出隔膜的吸液速度，定量衡量隔膜的浸润性问题。

附图说明

图1为本发明测试装置的电路图。

图2为本发明测量装置的结构示意图。

图3为一层隔膜测试中，电压和电阻随时间的变化关系图。

图4为三层隔膜测试中，电压和电阻随时间的变化关系图。

图中：1-测试槽；11-夹持件；111-开孔区；12-金属连接板；13-加热件；2-电压和时间测量件。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式和说明书附图，对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。

实施例1

如图1、3～4所示，一种测量隔膜浸润性的方法，包括以下步骤：

S1、模拟隔膜在电芯中的设置，测量并记录所述隔膜的实时电压及其对应的时间；

S2、根据Washburn方程，通过所述隔膜的实时电压与时间的关系来反映得到所述隔膜的浸润性，完成隔膜浸润性的测量；

其中，所述Washburn方程为：h＝k*t^1/2；h为毛细管中的扩散高度，通过隔膜的电压来间接表征；k为电解液在隔膜中的扩散速率；t为扩散时间。

具体的，Washburn方程的推导公式为：dh/dt＝(r²/8ηh)*[(2γcosθ/r)-Δρgh]，当r取值很小的时候，对两边进行积分则可以得到，h＝k*t^1/2，而k＝(rγcosθ/2η)^1/2；其中，r为毛细管半径，η为界面表面张力，γ为液体粘度(电解液粘度)，θ为接触角，Δρ为液固面密度变化。

进一步地，在步骤S1的测量中，将若干张隔膜层叠一同放置，测量若干张所述隔膜层叠后的实时电压。一次性放入多层隔膜，可以有效解决单层隔膜浸润速率过快而导致无法精准测量的问题，同时有效消除了隔膜孔隙分布不均匀所带来的误差值。如图3～4所示，在一层隔膜的测试中，电压下降的时间较快，而随着隔膜层数的增加，电压开始下降的时间往后推移，完全浸润的时间也随之增长，如此不仅便于实验者更好的纪录变化情况，电压变化情况也更便于比较不同隔膜之间浸润速率的差别。其中，图3～4的测试结果是采用1.3g/cm³的氢氧化钾水溶液作为测试溶液。

进一步地，步骤S1中，调节隔膜的环境温度，测量隔膜在不同温度下的实时电压。控制隔膜的环境温度可更为准确的纪录隔膜的实时电压，设置多组温度进行测试，也可以更为全面的判断隔膜的浸润情况。

进一步地，步骤S1中，在测量隔膜的实时电压前，先调节至空白电压，待电压稳定后再进行测量并记录隔膜的实时电压。该空白电压主要为了调节测量仪器自身固定的恒定电压及测试槽1所带来的电压，避免此些电压对测试结果产生影响，降低测量误差。

实施例2

如图2所示，一种测量隔膜浸润性的装置，包括电源、测试槽1和电压和时间测量件2；测试槽1包括夹持组件和电解液；夹持组件中设置有作用于隔膜上的拉力区，隔膜被夹持于夹持组件中；对隔膜浸润性进行测量时，夹持有隔膜的夹持组件浸于电解液中；电压和时间测量件2连接在测试槽1的两端，并与电源电连接，用于测量并记录隔膜的实时电压及其对应时间。其中，该电源为稳压电源，作为装置整体的电流来源。

进一步地，电压和时间测量件2为巡检仪。该巡检仪测量完电压后，可以根据时间显示出电压的变化曲线，通过该曲线即可反应出隔膜的吸液速度，然后定量衡量隔膜的浸润性。其中该巡检仪为稳压巡检仪。

进一步地，夹持组件包括至少两个夹持件11，两个相邻的夹持件11上均设置有开孔区111，开孔区111正对设置，隔膜覆盖开孔区111，以模拟隔膜在电芯中的受力。开孔区111的孔径为40～60mm。优选的，开孔区111位于夹持件11的中部，且两个开孔区111的大小相同。在测试时，两个夹持件11需夹紧隔膜，保证彼此之间紧密接触，然后利用开孔区111的设置可以模拟隔膜在实际电芯中的受力情况。而同时，因夹持件11夹持隔膜需要与电解液接触，其材质应采用不与电解液反应的高聚物，且两个夹持件11之间可以达到紧密连接的状态。

进一步地，测试槽1中还设置有加热件13，用于为隔膜提供不同的环境温度。

进一步地，测试槽1的槽体至少存在两处采用金属连接板12进行设置。金属连接板12可为铂金板和/或银板，该金属连接板12应满足不与电解液反应，且可导电，以便电压和时间测量件2可连接在测试槽1的两端，以对隔膜的实时电压进行检测，保证测试结果。优选的，所述金属连接板12可为铂金板。当然，金属连接板12也可为其他不与电解液反应且能导电的材质。具体的，该测试槽1的槽体左右两端设置为铂金板，槽体其余部分则采用无机玻璃设置。

结合上述的测试装置，本发明的测试方法为：

S1、按照图1所示连接好电路，一开始巡检仪的示数为其体系自身固定恒定电压和电解液所带来的电压，调节巡检仪至空白电压，具体的将夹持组件紧密相连，并插入测试槽1中，此时巡检仪的示数为夹持组件所带来的电压，记录此时的电压作为空白电压，然后取出夹持组件进行干燥，待用；

S2、待电压稳定后，将干燥的隔膜放入夹持组件中，确保隔膜大小可以完全覆盖开孔区111，并保证开孔区111内隔膜平整且具有一定的张力，以模拟隔膜在电芯中的受力情况；

S3、将装配好的夹持组件迅速完全浸没在电解液中，巡检仪实时记录隔膜的电压随时间变化情况。当隔膜未被浸润时，隔膜为绝缘体，电阻较大，电路基本完全被切断，测试装置未被连通；而当隔膜接触电解液，电路被导通，电压迅速达到一个最大值，随着隔膜被润湿，隔膜电阻逐渐减小，隔膜两端电压逐渐下降，待隔膜完全浸润后电压不再发生改变，恢复到平稳状态。此时巡检仪上所显示出的电压变化曲线即可反应出隔膜的吸液速度，因此可以定量衡量隔膜的浸润性，隔膜润湿速度越快电压减小速率越快。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种测量隔膜浸润性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、模拟隔膜在电芯中的设置，测量并记录所述隔膜的实时电压及其对应的时间；

S2、根据Washburn方程，通过所述隔膜的实时电压与时间的关系来反映得到所述隔膜的浸润性，完成隔膜浸润性的测量；

其中，所述Washburn方程为：h＝k*t^1/2；h为毛细管中的扩散高度，通过隔膜的电压来间接表征；k为电解液在隔膜中的扩散速率；t为扩散时间。

2.根据权利要求1所述的测量隔膜浸润性的方法，其特征在于，在步骤S1的测量中，将若干张隔膜层叠一同放置，测量若干张所述隔膜层叠后的实时电压。

3.根据权利要求1所述的测量隔膜浸润性的方法，其特征在于，步骤S1中，调节所述隔膜的环境温度，测量所述隔膜在不同温度下的实时电压。

4.根据权利要求1所述的测量隔膜浸润性的方法，其特征在于，步骤S1中，在测量所述隔膜的实时电压前，先调节至空白电压，待电压稳定后再进行测量并记录所述隔膜的实时电压。

5.一种测量隔膜浸润性的装置，其特征在于，包括：

电源；

测试槽(1)，包括夹持组件和电解液；所述夹持组件中设置有作用于隔膜上的拉力区，所述隔膜被夹持于所述夹持组件中；对所述隔膜浸润性进行测量时，夹持有隔膜的夹持组件浸于所述电解液中；

电压和时间测量件(2)，连接在所述测试槽(1)的两端，与所述电源电连接，用于测量并记录所述隔膜的实时电压及其对应时间。

6.根据权利要求5所述的测量隔膜浸润性的装置，其特征在于，所述电压和时间测量件(2)为巡检仪。

7.根据权利要求5所述的测量隔膜浸润性的装置，其特征在于，所述夹持组件包括至少两个夹持件(11)，两个相邻的所述夹持件(11)上均设置有开孔区(111)，所述开孔区(111)正对设置，所述隔膜覆盖所述开孔区(111)，以模拟所述隔膜在电芯中的受力。

8.根据权利要求7所述的测量隔膜浸润性的装置，其特征在于，所述开孔区(111)位于所述夹持件(11)的中部，且两个所述开孔区(111)的大小相同。

9.根据权利要求5～8任一项所述的测量隔膜浸润性的装置，其特征在于，所述测试槽(1)中还设置有加热件(13)，用于为所述隔膜提供不同的环境温度。

10.根据权利要求5所述的测量隔膜浸润性的装置，其特征在于，所述测试槽(1)的槽体至少存在两处采用金属连接板(12)进行设置。

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