CN113188957A - 一种锂离子二次电池电极极片的电解液浸润性的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子二次电池电极极片的电解液浸润性的测试方法，包括步骤：第一步，制得待测的锂离子二次电池电极极片；第二步，配置锂离子二次电池电解液；第三步，浸润性测试：在恒定的湿度和温度环境下，用两块带刻度的光滑夹具将待测电极极片夹紧固定，然后将电极极片的一端插入电解液中，实时记录在预设时长的浸润时间后电极极片被电解液浸润的面积，然后计算在单位时间内电极极片被电解液浸润的面积，即计算待测电极极片的电解液浸润率。本发明设计科学，利用电解液润湿多孔电极极片的毛细原理，模拟在电池内部极片吸液情况，测量电解液润湿电极极片的速率，从而对电极极片的电解液的浸润性进行定量分析和比较，具有重大的实践意义。

Description

一种锂离子二次电池电极极片的电解液浸润性的测试方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种锂离子二次电池电极极片的电解液浸润性的测试方法。

背景技术

锂离子二次电池，因具有高能量密度、高工作电压、长循环寿命和绿色环保等优点，被广泛应用于手机、笔记本电脑和新能源汽车等各行各业。随着市场对锂离子二次电池能量密度、循环寿命和安全性的要求不断提高，研究人员需要改进电池材料体系和合理优化电池的制备工艺。

锂离子二次电池在工作时，锂离子在正负极之间通过电解液进行穿梭，因此，电极极片的电解液浸润性，对电池的容量和循环寿命至关重要。电解液浸润性差的电极极片，在使用后会产生死区和锂金属析出现象，从而导致电池自放电，甚至锂枝晶刺穿隔膜，使正负极短路，造成电池起火爆炸。

不同的电解液配方、正负极电极材料的组分、电极极片的压实密度和极片的涂布碾压工艺，对电解液的浸润性优劣影响较大，快速地判断电极极片的电解液浸润性，有助于合理的电池设计和性能改善。

目前，常用的判断电极极片的电解液浸润性的方法包括以下方法：

1、测量电解液的粘度，间接评估电解液的浸润性，但是该方法无法评估不同电极极片之间的电解液浸润性差异；

2、测试电解液在电极极片上的接触角，但是电解液在电极极片上的铺开速度较快，需要使用高速摄像仪器记录电解液在极片上的接触角，测试成本和难度较高；

3、通过拆解注液后的电池，观察电池中电解液的情况，来判断电极极片的浸润性，该方法的影响因素多，容易造成较大误差；

4、将锂离子二次电池的电极极片制成表面光滑平整的片状样品，作为测试基底，将电解液滴在极片上，利用半角法观察极片的电解液浸润性，该方法对设备和环境要求较高，测试难度大。

由于在实际锂离子二次电池中，电解液主要是用过毛细作用浸润电极极片，因而上述的测试方法中电解液浸润极片的方式，与实际情况不符，因此，上述的测试方法不能准确地反映极片在电池中的吸液性。

因此，目前急需开发一种方法，其能够快速准确地判断锂离子二次电池电极极片的电解液浸润性优劣。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种锂离子二次电池电极极片的电解液浸润性的测试方法。

为此，本发明提供了一种锂离子二次电池电极极片的电解液浸润性的测试方法，其包括以下步骤：

第一步，将电极浆料涂覆到箔材表面，经过辊压、烘干、裁切处理后，制得待测的锂离子二次电池电极极片；

第二步，配置锂离子二次电池电解液；

第三步，浸润性测试：在恒定的湿度和温度环境下，用两块带刻度的光滑夹具将待测电极极片夹紧固定，然后将电极极片的一端插入电解液中，实时记录在预设时长的浸润时间后电极极片被电解液浸润的面积，然后计算在单位时间内电极极片被电解液浸润的面积，即计算待测电极极片的电解液浸润率。

优选地，在第一步中，电极极片的压实密度PD的数值范围，为1.0g/cm³～4.5g/cm³。

优选地，在第一步中，烘干条件为：在真空环境下，以80～110℃的温度烘烤10～30h。

优选地，在第二步中，对于锂离子二次电池电解液，溶剂为环状或链状有机碳酸酯；

锂盐包括LiPF₆、LiBF₄、LiClO₄、LiAsF₆、LiCF₃SO₃和LiN(CF₃SO2)₂中的至少一种；

添加剂，包括碳酸乙烯亚乙酯、碳酸乙烯亚乙酯衍生物、碳酸亚乙烯酯、碳酸亚乙烯酯衍生物环己基苯、1-丙烯-1,3-磺酸内酯和氟代碳酸乙烯酯中的至少一种。

优选地，在第三步中，带刻度的光滑夹具的材质，包括聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸树酯和聚四氟乙烯中的至少一种；

在第三步中，用两块带刻度的光滑夹具将待测电极极片夹紧固定，夹紧力的范围为0～500N。

优选地，在第三步中，恒定的湿度和温度环境，具体是：温度为25℃±3℃以及湿度<1％的环境。

优选地，第三步，具体包括以下步骤：

首先，在温度为25℃±3℃以及湿度<1％的环境中，将电极极片夹在第一带刻度亚克力板和第二带刻度亚克力板之间，并用固定夹具和螺栓夹紧，施加的夹紧力为10N；

其中，固定夹具的形状为“凵”字形，固定夹具的后端具有开口槽，该开口槽上下两侧以及后侧开口；

开口槽的口径，大于第一带刻度亚克力板、第二带刻度亚克力板以及电池极片的厚度之和；

固定夹具的左侧壁上开有螺纹孔，该螺纹孔与螺栓螺纹固定连接；

螺栓的下端穿过螺纹孔后与第一带刻度亚克力板的上表面顶紧接触；

然后，将配制好的电解液倒入透明的电解液容器中，再将夹住的电极极片的一端插入电解液中，使极片与电解液表面的角度为45°；

然后，在预设时长的浸润时间之后，记录电极极片被电解液浸润的面积，再用电极极片被电解液浸润的面积除以浸润时间，得到电解液浸润电极极片的速率，即待测电极极片的电解液浸润率。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种锂离子二次电池电极极片的电解液浸润性的测试方法，其设计科学，本发明利用电解液润湿多孔电极极片的毛细原理，模拟在电池内部极片吸液情况，测量电解液润湿电极极片的速率，从而对电极极片的电解液的浸润性进行定量分析和比较，本发明的测试方法操作简便、快速准确，能够用于判断锂离子二次电池电极极片的电解液浸润性优劣，为锂离子二次电池设计人员改善电极极片的电解液浸润性提供合理依据，从而避免由于电解液浸润性差引起的电池容量降低、析锂和循环性能的衰减，有助于研究人员改进电池材料体系和合理优化电池的制备工艺，具有重大的实践意义。

附图说明

图1为本发明提供的一种锂离子二次电池电极极片的电解液浸润性的测试方法的流程图；

图2为本发明提供的一种锂离子二次电池电极极片的电解液浸润性的测试方法，在具体实施例中，所使用的测试装置的示意图；

图中，1、第一带刻度亚克力板；2、第二带刻度亚克力板；3、电极极片；4、电解液；5、电解液容器；

6、固定夹具；7、螺栓。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1、图2，本发明提供了一种锂离子二次电池电极极片的电解液浸润性的测试方法，包括以下步骤：

第一步，将电极浆料涂覆到箔材表面，经过辊压、烘干、裁切处理后，制得待测的锂离子二次电池电极极片；

第二步，配置锂离子二次电池电解液；

第三步，浸润性测试：在恒定的湿度和温度环境下，用两块带刻度的光滑夹具将待测电极极片夹紧固定，然后将电极极片的下部插入电解液中，在毛细管力驱动下，电解液会润湿电极极片，实时记录在预设时长的浸润时间后电极极片被电解液浸润的面积，然后计算在单位时间内电极极片被电解液浸润的面积，即计算待测电极极片的电解液浸润率。

在本发明中，在第一步中，需要说明的是，电极浆料，采用现有锂离子二次电池采用的、现有常规的电池浆料组分和含量配比即可，为现有技术，不是本发明的创新点，在此不再赘述。例如，正极电极浆料可以为过渡金属氧化物、磷酸铁锂中的一种或多种混合物，负极电极浆料可以为人造石墨、天然石墨、钛酸锂、硅基负极中的一种或多种混合物。

在第一步中，正极箔材可以为铝箔，负极箔材可以为铜箔。

在本发明中，在第一步中，电极极片的压实密度PD的数值范围，优选为1.0g/cm³～4.5g/cm³。

在本发明中，在第一步中，烘干条件为：在真空环境下，以80～110℃的温度烘烤10～30h(例如通过真空烘烤箱)。

在本发明中，在第二步中，需要说明的是，锂离子二次电池电解液，包括溶剂、锂盐和添加剂，按照现有的常规组分和比例混合即可，也就是说，采用现有锂离子二次电池采用的、现有常规的电解液组分和含量配比即可，为现有技术，不是本发明的创新点，在此不再赘述。

具体实现上，在第二步中，对于锂离子二次电池电解液，溶剂可以为环状或链状有机碳酸酯；锂盐可以包括LiPF₆、LiBF₄、LiClO₄、LiAsF₆、LiCF₃SO₃和LiN(CF₃SO2)₂中的至少一种；添加剂，可以包括碳酸乙烯亚乙酯、碳酸乙烯亚乙酯衍生物、碳酸亚乙烯酯、碳酸亚乙烯酯衍生物环己基苯、1-丙烯-1,3-磺酸内酯和氟代碳酸乙烯酯中的至少一种。

在本发明中，在第三步中，带刻度的光滑夹具的材质，包括聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸树酯和聚四氟乙烯中的至少一种。

在本发明中，在第三步中，用两块带刻度的光滑夹具将待测电极极片夹紧固定，夹紧力的范围可以为0～500N。

在本发明中，在第三步中，恒定的湿度和温度环境，具体是：温度为25℃±3℃以及湿度<1％的环境。

在本发明中，在第三步中，预设时长的浸润时间优选为1～3分钟。

基于以上技术方案可知，对于本发明，利用电解液润湿多孔电极极片的毛细原理，模拟在电池内部极片吸液情况，测量电解液润湿电极极片的速率，即单位时间内电极极片被电解液润湿的面积。

为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面通过具体实施例来说明本发明的技术方案。

在本发明中，实施例1～6，均按如下方法进行测试

第一步，正极极片制备。

首先，将锂镍钴锰氧化物LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂、导电剂CNT、导电剂super P、粘结剂PVDF，按质量比95.0:2.0:1.5:1.5进行混合，在分散均匀后将上述材料溶解在溶剂NMP中，并在真空环境中进行充分搅拌，获得混合均匀的正极浆料；

然后，将得到的正极浆料均匀涂覆在正极集流体铝箔的两个表面上，并在温度为110℃的真空烘箱中烘干15h，烘干后的极片通过碾压(通过现有的极片碾压机)得一定压实密度的极片，电池极片的压实密度分别满足表1中对应的六个实施例(即实施例1～6)的参数；

最后，将电池极片裁切至长80mm、宽15mm的长方形尺寸待用。

第二步，电解液配制。

首先，将碳酸乙烯酯(EC)和碳酸甲乙酯(EMC)按预设的体积比进行混合，得到有机溶剂，碳酸乙烯酯(EC)和碳酸甲乙酯(EMC的体积比满足表1中对应的六个实施例(即实施例1～6)的参数；

然后，锂盐LiPF₆在经过充分干燥后，溶解在有机溶剂中；

最后，加入重量比1％的VC添加剂，最终制得锂盐含量为1mol/L的电解液。

第三步，浸润性测试。

首先，在温度为25℃±3℃以及湿度<1％的环境中，参见图2所示，将电极极片3(例如正极极片)夹在两个带刻度的亚克力板(即第一带刻度亚克力板1和第二带刻度亚克力板2)之间，并用固定夹具6和螺栓7夹紧，施加的夹紧力为10N；

其中，固定夹具6的形状为“凵”字形，固定夹具6的后端具有开口槽，该开口槽上下两侧以及后侧开口；

开口槽的口径(即两侧壁之间的垂直距离)，大于第一带刻度亚克力板1、第二带刻度亚克力板2以及电池极片3的厚度之和；

固定夹具6的左侧壁上开有螺纹孔，该螺纹孔与螺栓7螺纹固定连接；

螺栓7的下端穿过螺纹孔后与第一带刻度亚克力板1的上表面顶紧接触；因此，通过调节螺栓7的下端穿过螺纹孔后露出部分的长度，可以调节对电极极片3施加的夹紧力。

然后，将配制好的电解液4倒入透明的电解液容器5中，再将夹住的电极极片3(例如正极极片)的一端插入电解液4中，使极片与电解液表面的角度为45°；

然后，在预设时长的浸润时间之后(例如一分钟后)，记录电极极片被电解液浸润的面积，再用电极极片被电解液浸润的面积除以浸润时间，得到电解液浸润电极极片的速率，即待测电极极片的电解液浸润率。

表1：各实施例的参数以及浸润性测试结果。

从表1中的实施例1～3可以看出，不同压实密度的正极极片的电解液的浸润速率不同，压实越高的正极极片的电解液的浸润性越差。

根据实施例4～6的测试结果显示，随着EC的占比增加，正极极片的电解液浸润速率逐渐降低，极片的电解液浸润性越差。因此，根据实施例的测试结果，能够对不同电极极片和电解液的浸润性做出直接明了的判断。

因此，对于本发明，能够快速准确地判断锂离子二次电池电极极片对电解液的浸润性，有利于优化电池设计和合理改善电池制备工艺，改善电池的性能，从而提高产品的市场竞争力。

因此，对于本发明，本发明采用毛细原理，测试电解液在电极极片上的浸润速率，记录在单位时间内电极极片被电解液润湿的面积，从而对电极极片的电解液的浸润性进行定量分析和比较，该测试方法操作简便、快速准确，能够用于判断锂离子二次电池电极极片的电解液浸润性优劣，为锂离子二次电池设计人员改善电极极片的电解液浸润性提供合理依据，从而避免由于电解液浸润性差引起的电池容量降低、析锂和循环性能的衰减。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种锂离子二次电池电极极片的电解液浸润性的测试方法，其设计科学，本发明利用电解液润湿多孔电极极片的毛细原理，模拟在电池内部极片吸液情况，测量电解液润湿电极极片的速率，从而对电极极片的电解液的浸润性进行定量分析和比较，本发明的测试方法操作简便、快速准确，能够用于判断锂离子二次电池电极极片的电解液浸润性优劣，为锂离子二次电池设计人员改善电极极片的电解液浸润性提供合理依据，从而避免由于电解液浸润性差引起的电池容量降低、析锂和循环性能的衰减，有助于研究人员改进电池材料体系和合理优化电池的制备工艺，具有重大的实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种锂离子二次电池电极极片的电解液浸润性的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将电极浆料涂覆到箔材表面，经过辊压、烘干、裁切处理后，制得待测的锂离子二次电池电极极片；

第二步，配置锂离子二次电池电解液；

第三步，浸润性测试：在恒定的湿度和温度环境下，用两块带刻度的光滑夹具将待测电极极片夹紧固定，然后将电极极片的一端插入电解液中，实时记录在预设时长的浸润时间后电极极片被电解液浸润的面积，然后计算在单位时间内电极极片被电解液浸润的面积，即计算待测电极极片的电解液浸润率。

2.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在第一步中，电极极片的压实密度PD的数值范围，为1.0g/cm³～4.5g/cm³。

3.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在第一步中，烘干条件为：在真空环境下，以80～110℃的温度烘烤10～30h。

4.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在第二步中，对于锂离子二次电池电解液，溶剂为环状或链状有机碳酸酯；

锂盐包括LiPF₆、LiBF₄、LiClO₄、LiAsF₆、LiCF₃SO₃和LiN(CF₃SO2)₂中的至少一种；

添加剂，包括碳酸乙烯亚乙酯、碳酸乙烯亚乙酯衍生物、碳酸亚乙烯酯、碳酸亚乙烯酯衍生物环己基苯、1-丙烯-1,3-磺酸内酯和氟代碳酸乙烯酯中的至少一种。

5.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在第三步中，带刻度的光滑夹具的材质，包括聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸树酯和聚四氟乙烯中的至少一种；

在第三步中，用两块带刻度的光滑夹具将待测电极极片夹紧固定，夹紧力的范围为0～500N。

6.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在第三步中，恒定的湿度和温度环境，具体是：温度为25℃±3℃以及湿度<1％的环境。

7.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，第三步，具体包括以下步骤：

首先，在温度为25℃±3℃以及湿度<1％的环境中，将电极极片(3)夹在第一带刻度亚克力板(1)和第二带刻度亚克力板(2)之间，并用固定夹具(6)和螺栓(7)夹紧，施加的夹紧力为10N；

其中，固定夹具(6)的形状为“凵”字形，固定夹具(6)的后端具有开口槽，该开口槽上下两侧以及后侧开口；

开口槽的口径，大于第一带刻度亚克力板(1)、第二带刻度亚克力板(2)以及电池极片(3)的厚度之和；

固定夹具(6)的左侧壁上开有螺纹孔，该螺纹孔与螺栓(7)螺纹固定连接；

螺栓(7)的下端穿过螺纹孔后与第一带刻度亚克力板(1)的上表面顶紧接触；

然后，将配制好的电解液(4)倒入透明的电解液容器(5)中，再将夹住的电极极片(3)的一端插入电解液(4)中，使极片与电解液表面的角度为45°；

然后，在预设时长的浸润时间之后，记录电极极片被电解液浸润的面积，再用电极极片被电解液浸润的面积除以浸润时间，得到电解液浸润电极极片的速率，即待测电极极片的电解液浸润率。

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