CN113504475A - 一种评价锂电池膨胀行为的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于锂离子电池检测技术领域，包括一种评价锂电池膨胀行为的设备，包括设置在机座上的动模和静模，还包括行程丝杠装置；且设置控制行程丝杠装置的行程控制器，并通过行程丝杠装置测量电池的厚度变化，而压力显示器能实时显示压力传感器所受到的压力，且能够将压力信号传传递给行程控制器，并作为行程控制器的工作指令。使用上述设备可以对电池的膨胀行为进行全面评价，具体地，在对处于测试空间中的电池充电和放电时，电池内部压强增加，该设备可以选择单项测试电池膨胀造成的压力变化或厚度变化，因此可以得到电池的膨胀行为对其厚度或压力造成的影响。

Description

一种评价锂电池膨胀行为的设备和方法

技术领域

本发明属于锂电池检测技术领域，具体包括一种评价锂电池膨胀行为的设备和方法。

背景技术

锂离子电池在充放电过程中都会出现不同程度的厚度变化，其原因主要分两类，一是电池极片的厚度变化导致的膨胀，其中，在充放电过程中，锂离子在电极活性材料中的嵌入和脱出将引起电池膨胀和收缩，尤其是负极石墨在嵌锂时形成LiCx(LiC6,LiC12,LiC24),晶格间距变化，使负极产生膨胀，脱锂时使负极收缩。另一方面负极析锂也会造成厚度膨胀。二是电解液氧化分解产气导致的鼓胀，如电解液中杂质如水分和金属杂质使电解液分解产气，且电解液的电化学窗口低使充电过程电解液中的EC、DEC等溶剂得到电子后产生自由基，自由基反应产生低沸点的烃类、酯类、醚类和CO2等均会造成电池厚度增加。

锂离子电池封装在电池包后，锂电池厚度的增加将造成锂离子电池包压力的增加，在电池结构空间设计和电池包材料选型时需充分考虑，而且不可逆厚度的增加对电池寿命甚至电池安全性造成严重后果，可见，监测电池生命周期的厚度和压力的变化对电池应用和研究极为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种评价锂电池膨胀行为的设备，该设备能够控制膨胀过程中的单一变量，并对另一变量进行监测，且可以切换测试方式，从而可以全面测试评价电池的膨胀行为，为电池的设计提供指导。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种评价锂电池膨胀行为的设备，包括设置在机座上的动模和静模，其中动模和静模保持竖向平行状态，且动模和静模之间为用于夹持电池的测试空间；该设备还包括行程丝杠装置，该行程丝杠装置的伸缩轴固定连接动模的背面中部，且设置控制行程丝杠装置的行程控制器，并通过行程丝杠装置测量电池的厚度变化；该设备还包括固定设置的压力传感器，静模通过传动杆向压力传感器施加水平方向的压力，并通过压力传感器测量电池的压力变化；该设备还设置压力显示器，该压力显示器能实时显示压力传感器所受到的压力，且能够将压力信号传传递给行程控制器，并作为行程控制器的工作指令。

在上述技术方案中，通过行程丝杠装置可以调整动模与静模之间的间距，这可以给位于测试空间中的电池一个初始压力，使电池固定在测试空间中；在给电池充电和放电的过程中，电池内部压强增加，该设备可以选择单项测试电池膨胀造成的压力变化或厚度变化，因此可以全方位评价电池膨胀行为。

优选地，在机座上设置导向轴座，所述传动杆水平安装在导向轴座的轴孔中，并能轴向滑动，且传动杆与行程丝杠装置同轴线设置。同轴设置的传动杆和行程丝杠装置可以使力在动模、静模和压力传感器之间同轴传递，降低摩擦部件之间的摩擦力，这既能给电池准确施加初始压力，又能在电池膨胀时将膨胀厚度通过行程丝杠装置反映出来。

优选地，所述动模和静模不接触机座，这可以消除外部结构对动模和静模的影响，从而降低设备误差，而将电池放在测试空间时，电池不接触机座，这可以避免机座对电池的膨胀造成干扰，使电池充分、自由膨胀，从而降低测试误差。

优选地，动模和静模的贴合面的面积大于单块电池的面积，且当电池位于测试空间时，在电池的中部对准行程丝杠装置的轴线的情况下，电池的宽度面完全贴合动模和静模，电池膨胀时，电池两宽度面全面接触动模和静模，使电池受力平衡，避免局部过渡膨胀，从而使电池的膨胀行为引起的厚度、压力变化完全地传递给设备，进一步提高精度。

本发明的另一个目的在于提供一种评价锂电池膨胀行为的方法，该方法能够直观地反映电池膨胀过程中压力及厚度的变化，且可以单项测试其压力或厚度变化，从而全方位评价电池的膨胀行为。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种评价方法，该方法将上述评价锂电池膨胀行为的设备作为测试设备，具体包括以下步骤：

步骤，选择待测样品；

步骤，调整动模和静模之间的间距，使得测试空间大于待测样品的厚度；

步骤，将待测样品置于测试空间中，然后启动行程丝杠装置，当待测样品能够夹持在测试空间时停止行程丝杠装置；

步骤，选择一个变量并设置其数值为定值X；

步骤，启动行程丝杠装置，使得设备中对应的变量达到定值X；

步骤，保持定值X不变，对电池进行充放电，并记录另一变量的数值变化。

优选地，步骤中选择的变量为压力，通过压力显示器将压力传感器的压力值设置为X₁；在电池充放电过程中，行程控制器接收压力显示器反馈的压力信号，并实时调整行程丝杠装置的行程，使压力显示器保持定值X₁，时实时绘制动模和静模间的间距变化曲线。电池膨胀伴随着压力和厚度的同时变化，通过调整设备，使电池的压力不受约束，即让电池的厚度变化充分体现，因此，压力一定，可实现对单电池在充放电过程中因膨胀收缩产生的实时厚度变化，并对该变化进行监测和记录。对于同一型号的电池，可选择若干相同的待测样品，然后设置不同的压力值X₁，并进行多组测试，以便分析不同初始压力下电池膨胀行为对厚度的影响。

优选地，步骤中选择的变量为厚度，通过行程控制器控制行程丝杠装置的移动距离为X₂；在电池充放电过程中，行程丝杠装置处于待机状态，且压力显示器实时绘制所受压力的变化曲线。电池膨胀伴随着压力和厚度的同时变化，由于限制了电池厚度，电池膨胀时的压力变化会充分体现，因此该方法可以客观反映电池的膨胀行为与压力之间的关系。对于同一型号的电池，选择若干相同的待测样品，然后设置不同的移动距离X₂，并进行多组测试，以便分析不同初始厚度下电池膨胀行为对压力的影响。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的评价设备的结构示意图。

图2为不同初始厚度下充放电过程中的电池的压力与SOC的变化曲线。

图3为定压力模式中不同初始压力下电池厚度的变化图。

图中，机座1、行程丝杠2、动模3、静模4、压力传感器5、传动杆6、压力显示器7、行程控制器8。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

图1为本发明提供的一种评价锂电池膨胀行为的设备的结构示意图，包括设置在机座1上的动模3和静模4，其中动模3和静模4保持竖向平行状态，且动模3和静模4之间为用于夹持电池的测试空间；该设备还包括行程丝杠装置2，该行程丝杠装置2的伸缩轴固定连接动模3的背面中部，且设置控制行程丝杠装置2的行程控制器8，并通过行程丝杠装置2测量电池的厚度变化；该设备还包括固定设置的压力传感器5，在压力传感器5和静模 4之间有导向轴座设置在机座1上，并在导向轴座中活动安装与行程丝杠装置2的丝杠同轴线的传动杆6，该传动杆6的前端接触静模4，后端接触压力传感器5，因此，当动模3挤压电池时，静模4直接承受电池的反向压力，静模4将压力通过传动杆6施加到压力传感器5上，因此，压力传感器5可以客观地反映电池所受到的压力(该压力为动模3对膨胀电池的反作用力)，并将其感知的压力变化显示在压力显示器7上。该装置能够设置固定压力，即在测试时对电池的压力进固定，只测量其厚度变化，因此，压力显示器7 除了能够显示压力，还能将压力数据反馈给行程控制器8，并作为行程控制器8的工作指令，从而使压力显示器7保持原预设压力。

为尽量提高测试精度，上述动模3和静模4不接触机座1，且将电池放在测试空间时，电池不接触机座1，这可以消除机座1对动模3和静模4的影响，且可以尽量减少无关结构对电池膨胀变化的影响，从而降缩小测试结果与理论结果的误差。且动模3和静模4的贴合面的面积大于单块电池的面积，且当电池位于测试空间时，在电池的中部对准行程丝杠装置2的轴线的情况下，电池的宽度面完全贴合动模3和静模4，这可以使电池的膨胀力完全作用于动模3和静模4上，避免电池的局部因没有受到动模3和静模4的挤压而过度膨胀，以此提高测试结果的准确性。

以上装置可以测量电池在充放电过程中因膨胀导致的厚度变化和压力变化。且通过设置工作模式可以实现控制变量测量，即，可通过该装置实现定厚度测量方式，这可以客观、单一地反映膨胀导致的压力变化，也可以实现定压力测量方式，这可以客观、单一地反映膨胀导致的厚度变化，通过全方位测试，可以评价电池的膨胀行为，并为电池的设计提供指导。

基于上述评价设备，本发明提供一种评价锂电池膨胀行为的方法，该方法包括定厚度模式和定压力模式，两种测试模式具有相同的准备操作步骤，具体如下：

步骤1，选择待测样品；

步骤2，调整动模3和静模4之间的间距，使得测试空间大于待测样品的厚度；

步骤3，将待测样品置于测试空间中，然后启动行程丝杠装置2，当待测样品能够悬空夹持在测试空间时停止行程丝杠装置2；

定压力模式：

在完成上述准备操作步骤后，选择定压力模式，即，通过压力显示器7 将压力传感器5的压力值设置为X₁，然后启动行程丝杠装置2，随着行程丝杠装置2的移动，压力传感器5的压力逐渐增加，当其反馈给压力显示器7 的压力达到预设值X₁时，压力显示器7给行程控制器8反馈信号，此时行程丝杠装置2停止移动；然后对电池进行充、放电操作，在这一过程中，压力显示器7会持续给行程控制器8发送信号，并通过压力显示器7给行程控制器8控制行程丝杠装置2的运动，因此，行程控制器8所显示的行程数值处于变化状态，而行程控制器8会将该变化完整记录并记录。根据这一评价模式，该实施例设置两组测试组，两组的初始压力从小到大，并命名为小压力组(五角星标线)、大压力组(圆点标线)，其测试结果如图3所示，从图中可以看出，充电过程中，电池厚度逐渐增加，放电过程中，电池压力逐渐减小，且小压力组中，电池从空电态—满电态—空电态的过程中，电池厚度发生不可逆的增加，且其增加量小于小压力组中的电池厚度变化，同时可以看出，压力越大，电池厚度变化幅度越小。

对于同型号的测试样品，增加试验组，每组设置不同的初始压力，可以对某一压力范围内的电池膨胀行为进行评价，通过对比分析可以得到压力在电池膨胀过程中对电池性能的影响，且通过定压力模式，对比充放电前后电池的厚度变化，可通过不可逆厚度的变化评价析锂的程度，以对电池的健康状态作出判断。

定厚度模式：

在完成上述准备操作步骤后，选择定厚度模式，即，通过行程控制器8 将行程丝杠装置2的初始值设置为X₂(根据评价标准，最小初始厚度应该小于等于电池在空电态下的厚度，本实施例选择X₂小于电池的空电态厚度)，然后启动行程丝杠装置2，直至行程控制器8显示的数值为X₂，此时显示的显示值为初始压力(P_onset),同时行程丝杠装置2停止移动；然后对电池进行充、放电操作，在这一过程中，行程控制器8出于待机状态，根据电池充电膨胀、放电的特征，压力显示器7的数值会先变大后变小，并将这一变化过程记录下来。根据这一评价模式，该实施例设置三组测试组，三组的初始厚度从小到大，并命名为小厚度组(菱形标线)、中厚度组(五边形标线)、大厚度组(圆形标线)，其测试结果如图2所示，从图中可以看出，在合适的厚度范围内，X₂越大，电池膨胀过程中产生的压力(P_max)越小，但满电态和空电态的压力变化率(ΔP)越大。且三组的测试中，电池的压力谷峰值变化如下表所示：

通过定厚度模式，可得到空电态和满电态压力差值更好的指导电池包的结构设计和电池包材料的造型。另外，从图2中的压力变化曲线与电池充放电过程中电池的SOC变化曲线相比，可以看出，电池在充放电过程中，电池SOC与电池压力具有大致相同的变化趋势，因此，采用定厚度模式测试时，可通过压力值表征电池的SOC。

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种评价锂电池膨胀行为的设备，其特征在于：包括设置在机座上的动模和静模，其中动模和静模保持竖向平行状态，且动模和静模之间为用于夹持电池的测试空间；该设备还包括行程丝杠装置，该行程丝杠装置的伸缩轴固定连接动模的背面中部，且设置控制行程丝杠装置的行程控制器，并通过行程丝杠装置测量电池的厚度变化；该设备还包括固定设置的压力传感器，静模通过传动杆向压力传感器施加水平方向的压力，并通过压力传感器测量电池的压力变化；该设备还设置压力显示器，该压力显示器能实时显示压力传感器所受到的压力，且能够将压力信号传传递给行程控制器，并作为行程控制器的工作指令。

2.如权利要求1所述的一种评价锂电池膨胀行为的设备，其特征在于：在机座上设置导向轴座，所述传动杆水平安装在导向轴座的轴孔中，并能轴向滑动，且传动杆与行程丝杠装置同轴线设置。

3.如权利要求2所述的一种评价锂电池膨胀行为的设备，其特征在于：所述动模和静模不接触机座，且将电池放在测试空间时，电池不接触机座。

4.如权利要求3所述的一种评价锂电池膨胀行为的设备，其特征在于：动模和静模的贴合面的面积大于单块电池的面积，且当电池位于测试空间时，在电池的中部对准行程丝杠装置的轴线的情况下，电池的宽度面完全贴合动模和静模。

5.一种评价锂电池膨胀行为的方法，其特征在于：以权利要求1-4中的评价锂电池膨胀行为的设备作为本方法的测试设备，具体包括以下步骤：

步骤1，选择待测样品；

步骤2，调整动模和静模之间的间距，使得测试空间大于待测样品的厚度；

步骤3，将待测样品置于测试空间中，然后启动行程丝杠装置，当待测样品能够夹持在测试空间时停止行程丝杠装置；

步骤4，选择一个变量并设置其数值为定值X；

步骤5，启动行程丝杠装置，使得设备中对应的变量达到定值X；

步骤6，保持定值X不变，对电池进行充放电，并记录另一变量的数值变化。

6.如权利要求5所述的一种评价锂电池膨胀行为的方法，其特征在于：步骤中选择的变量为压力，通过压力显示器将压力传感器的压力值设置为X₁；在电池充放电过程中，行程控制器接收压力显示器反馈的压力信号，并实时调整行程丝杠装置的行程，使压力显示器保持定值X₁，时实时绘制动模和静模间的间距变化曲线。

7.如权利要求6所述的一种评价锂电池膨胀行为的方法，其特征在于：选择若干相同的待测样品，然后设置不同的压力值X₁，并进行多组测试。

8.如权利要求5所述的一种评价锂电池膨胀行为的方法，其特征在于：步骤中选择的变量为厚度，通过行程控制器控制行程丝杠装置的移动距离为X₂；在电池充放电过程中，行程丝杠装置处于待机状态，且压力显示器实时绘制所受压力的变化曲线。

9.如权利要求8所述的一种评价锂电池膨胀行为的方法，其特征在于：选择若干相同的待测样品，然后设置不同的移动距离X₂，并进行多组测试。

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