CN114199434A - 方形锂电池卷绕参数的测量系统、测量方法及优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂电池相关技术领域，并公开了一种方形锂电池卷绕参数的测量系统、测量方法及优化方法。该测量方法包括下列步骤：S1对于包括隔膜和两块极片的方形电池电芯，在其中一块极片的中间涂覆浆料，边缘涂覆粘接剂，将光纤放置在该极片上，其中，与该极片中间涂覆浆料的区域对应的光纤上设置有光栅，浆料固化后获得带有传感器的极片；S2利用隔膜、步骤S1获得的带有传感器的极片和另外一块极片卷绕形成方形电池电芯，通过传感器中反馈的应力获得传感器所在位置处应力分布，以此实现对卷绕张力以及应力分布的测量，及实现卷绕参数的测量。通过本发明，解决方形锂电池电芯内部卷绕和工作状态两种状态下应力状态实时测量的问题。
Description
技术领域
本发明属于锂电池相关技术领域，更具体地，涉及一种方形锂电池卷绕参数的测量系统、测量方法及优化方法。
背景技术
随着各种电子产品的发展，对锂电池的需求量呈现迅速增长态势，同时对锂电池的生产工艺参数、生产效率以及锂电池监测系统提出了更高的要求。而对于锂电池电芯来说，电芯卷绕技术是锂电池制作的关键环节之一，其卷绕速度、极片类型及厚度等参数会影响卷绕电芯内部的应力状态，而应力状态直接影响了电池性能。由于方形锂离子电池电芯卷绕时卷针结构的影响，卷针会使得极片在行进方向产生类似正弦曲线的速度分量，造成电芯卷绕过程中的张力大幅波动，使得极片与隔膜极易拉断，严重影响生产效率。同时，由于卷绕过程中张力的松弛变化，导致成品电芯层间以及不同曲率半径处的间距有所不同，曲率半径较小的地方间距较小，这些都会造成电芯内部应力状态不均匀。而在锂电池充放电过程中，由于电芯内部电极发生周期性的膨胀收缩，导致电极发生扭曲，使得电芯的层间距和应力状态进一步发生变化。而锂电池的性能在很大程度上受到电芯内部应力状态的影响，不均匀的应力状态会导致锂电池的性能恶化，甚至可能会造成安全隐患。
现有的测量锂电池的张力的装置结构复杂，计算量大，不能获得整个电芯内部的应力分布，仅仅测量获得的是卷绕张力的测量；另外，对于卷绕和工作两种状态，现有的测量方式是分开单独测量，并且现有的测量装置大都是将传感器放置在在电芯外部，无法准确的获得锂电池电芯内部的应力状态。
因此，优化锂电池电芯卷绕参数同时对卷绕过程中的应力进行监测是非常有必要的。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种方形锂电池卷绕参数的测量系统、测量方法及优化方法，解决方形锂电池电芯内部卷绕和工作状态两种状态下应力状态实时测量的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种方形锂电池电芯卷绕参数的测量方法，该测量方法包括下列步骤：
S1对于包括隔膜和两块极片的方形电池电芯，在其中一块极片的中间涂覆浆料，边缘涂覆粘接剂，将光纤放置在该极片上，其中，与该极片中间涂覆浆料的区域对应的光纤上设置有光栅，所述浆料固化后获得带有传感器的极片；
S2利用隔膜、步骤S1获得的带有传感器的极片和另外一块极片卷绕形成方形电池电芯，通过传感器中反馈的应力获得传感器所在位置处应力分布，以此实现对卷绕张力以及应力分布的测量，及实现卷绕参数的测量。
进一步优选地，所述光纤的数量为一个或者多个，同一条光纤上分布有一个或多个光栅。
进一步优选地，当所述光纤为多个时，光纤均匀分布在卷绕后的极片的里层，中间层和外层，且在卷绕处和平坦处均分布有光纤。
进一步优选地，所述粘接剂为紫外胶。
进一步优选地，所述光栅为光纤布拉格光栅，材料为二氧化硅。
进一步优选地，所述方形电池的极片分别为磷酸铁锂正极片和石墨负极片。
进一步优选地，所述卷绕张力按照下列公式进行计算：
其中，T即为此时光纤光栅的受力状态，E表示光纤的弹性模量，ΔλB表示反射波长的改变量，K表示光纤光栅的应变常数。
按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的测量方法进行测量的测量系统，该测量系统包括方形电池电芯、光纤和控制器，其中，
所述光纤贴附设在所述方向电芯的电极上，该光纤与所述电极接触处设置有传感器，该传感器用于测量电极卷绕过程中传感器处所受到的应力，该传感器与所述控制器连接，其将测量获得的应力反馈给所述控制器，所述控制器记录传感器反馈的应力并以此获得方形电池电芯的卷绕参数。
按照本发明的又一个方面，提供了一种上述所述的测量方法优化卷绕参数的方法，该方法按照下列步骤进行：
利用上述所述的测量方法测量方形电池电芯卷绕过程中的卷绕参数，当该卷绕参数满足预设阈值时，按照该卷绕参数进行卷绕，否则，调整所述方形电池电芯卷绕过程中的状态，直至卷绕参数满足预设阈值。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1.本发明通过在方形锂电池电芯的极片上放置设置有传感器的光纤，然后将电芯的卷绕，使得光纤均匀分布在电芯的不同位置，其一方面可以实时监测卷绕过程中的卷绕应力，既能实时检测卷绕过程中的卷绕应力，也能实时监测通电后卷绕应力的变化，无需在卷绕后将传感器取下读取数据，另外还能实现在卷绕过程中和工作过程中应力分布的同时测量，不需单独采用不同的装置来分别测量不同的状态；
2.本发明中采用的光纤材质为二氧化硅，所以它具有稳定的化学性质和电磁绝缘性，不会对电池工作有所干扰，并且光纤本身的复用性也大大降低了布线难度，降低成本，提高测量精度；
3.本发明中采用光纤原位实时监测电芯卷绕张力和应力状态分布，通过后续的电化学性能测试以及光纤对电池内部应力状态的检测，可以不断优化电芯卷绕参数，得到针对不同类型极片的最优卷绕张力和应力分布状态。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的方形锂电池电芯卷绕前的结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的方形锂电池电芯卷绕后的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-隔膜，2-正极片，3-负极片，4-光纤，5-卷绕曲率半径较小处，6-卷绕平坦处。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种用于优化方形锂离子电芯卷绕参数的方法，该方法中的设备主要包含光纤和控制器。光纤4上设置有光栅，光栅为布拉格光栅，光纤的数量可为一个或多个，同一条光纤上光栅的数量也可以为一个或多个。
如图1所示，光纤布拉格光栅放置在电极片上，实现了电芯卷绕过程中电芯内部应力状态的实时监控，同时，将布置好的光纤光栅一并封装进电池中。控制器记录不同应力状态下的电芯卷绕参数，对各个电芯进行电化学性能测试，根据电化学性能的好坏以及光纤在循环过程中反馈出的电池内部应力分布状态，可以判断电芯卷绕参数的优劣。获得最佳应力参数后，采用光纤对卷绕过程中电芯内部应力状态进行实时监测，保证生产的电芯具有较好的应力状态。由于光纤布拉格光栅采用二氧化硅材质，因此具有电磁绝缘、寿命长、耐腐蚀等优势，同时其体积较小，不会影响电池的正常工作。
锂电池电芯为方形锂电池电芯，由两层隔膜1、正极片2、负极片3卷绕而成，中部较为平坦而两侧曲率半径较小。
一种用于优化方形锂电池电芯卷绕参数的方法，具体包括如下步骤：
S1将光纤布拉格光栅放置在已制作完成的方形锂电池极片上，在未涂覆浆料区域的两侧以紫外胶固定，在已涂覆浆料的区域滴加浆料后烘干，使光纤能够完全固定在极片上，并且不影响电极的正常工作；涂覆的浆料与极片本身表面的浆料相同；
S2控制光纤布拉格光栅放置位置，使其均匀分布在电芯的里层、中间层和外层，同时在卷绕平坦处6和卷绕曲率半径较小处5均有光纤光栅分布；
S3如图2所示，对已制作完成的极片进行卷绕工序，改变卷绕速度，监测不同类型极片在不同卷绕速度下的应力分布状态；
S4将已经卷绕好的电芯进行注液封装，光栅引出位置以极耳胶完全密封；
S5对组装好的电池进行电化学性能的测试，同时采用内置的光纤监测电池内部应力状态的变化；
S6挑选出电化学性能最优和内部应力状态最为均匀的锂电池，获得不同类型极片最优的卷绕速度和其对应的卷绕张力与应力分布状态；
针对同一类型极片，在随后的卷绕工艺中，可以严格控制卷绕参数，监测电芯所受的卷绕张力和应力状态分布。
上述方法主要考虑电芯在卷绕过程中，随着卷绕速度的不断变化，电芯不同位置处的所受张力情况与应力分布也有所不同，其会导致光纤进行拉伸或是挤压。同时，在电池充放电过程中，电极材料的膨胀或收缩也会导致电芯内部的整体应力分布状态发生改变。当一束宽带激光沿光纤通过光纤布拉格光栅时，根据光纤耦合理论，宽带光在光栅中传播会产生模式耦合，满足反射条件波长的光将会被反射，其余的波长的光将会透射过去。而反射光的波长满足以下公式：
λB＝2nneffΛ
其中，λB为反射光波长，nneff为有效折射率，Λ为光栅周期。
其中，光纤被拉伸或挤压势必会造成光栅周期Λ的变化，而电芯内部整体的应力状态的改变也会使得有效折射率nneff发生改变。因此，由于反射受到两方面的影响，那么其变化量可由下式给出：
ΔλB＝2nneffΔΛ+2ΔnneffΛ
其中，ΔλB表示反射波长的改变量，ΔΛ表示其在受到拉伸或挤压时发生的弹性形变而导致的光栅周期的改变，Δnneff表示由于弹光效应引起的有效折射率的变化。具体地，其产生的应变可由下式给出：
其中，K表示光纤光栅的应变常数，ε表示光纤光栅发生的应变。因此，光纤的受力状态即可求得：
T＝Eε
其中，E表示光纤的弹性模量，T即为此时光纤光栅的受力状态。
同时，一根光纤上可以刻写多个光栅，每个光栅为一个传感器，因此可以使用一根光纤监测多个不同位置的受力状态，这种光纤的复用性能够大大降低其布线难度。
下面结合具体的实施例进一步说明本发明。
(1)将隔膜、磷酸铁锂正极片、石墨负极片按照如图所示顺序放置好；
(2)将光纤传感器按照如图所示的方法布线，放置在正极片上，调整光纤传感器中各个光纤光栅的位置，使得其在卷绕后具有如图2所示的分布；
(3)极片边缘处以紫外胶固定，中间滴加电极浆料后烘干，使光纤牢固附着在极片上；
(4)在卷绕过程中，各个光纤传感器所在位置不同，卷绕时所受应力也不同，记录不同卷绕参数下不同位置处的卷绕张力和应力分布状态；
(5)电池封装完成后，对电池进行电化学性能测试，同时监测其内部应力状态变化；
(6)记录相对最优的电化学性能和最均匀应力状态分布所对应的卷绕张力；
(7)不断重复(1)-(6)的过程，直到得到最优的卷绕张力参数。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种方形锂电池电芯卷绕参数的测量方法，其特征在于，该测量方法包括下列步骤：
S1对于包括隔膜和两块极片的方形电池电芯，在其中一块极片上放置光纤，边缘部位涂覆粘接剂，光纤与极片接触部位涂覆电极浆料，其中，与该极片中间涂覆浆料的区域对应的光纤上设置有光栅，所述浆料固化后获得带有传感器的极片；
S2利用隔膜、步骤S1获得的带有传感器的极片和另外一块极片卷绕形成方形电池电芯，通过传感器中反馈的应力获得传感器所在位置处应力分布，以此实现对卷绕张力以及应力分布的实时测量，及实现卷绕参数的实时测量。
2.如权利要求1所述的一种方形锂电池卷绕参数的测量方法，其特征在于，所述光纤的数量为一个或者多个，同一条光纤上分布有一个或多个光栅。
3.如权利要求2所述的一种方形锂电池卷绕参数的测量方法，其特征在于，当所述光纤为多个时，光纤均匀分布在卷绕后的极片的里层，中间层和外层，且在卷绕处和平坦处均分布有光纤。
4.如权利要求1所述的一种方形锂电池卷绕参数的测量方法，其特征在于，所述粘接剂为紫外胶。
5.如权利要求1所述的一种方形锂电池卷绕参数的测量方法，其特征在于，所述光栅为光纤布拉格光栅，材料为二氧化硅。
6.如权利要求1所述的一种方形锂电池卷绕参数的测量方法，其特征在于，所述方形电池的极片分别为磷酸铁锂正极片和石墨负极片。
7.如权利要求1所述的一种方形锂电池卷绕参数的测量方法，其特征在于，所述卷绕张力按照下列公式进行计算：
其中，T即为此时光纤光栅的受力状态，E表示光纤的弹性模量，ΔλB表示反射波长的改变量，K表示光纤光栅的应变常数。
8.一种利用权利要求1-7任一项所述的测量方法进行测量的测量系统，其特征在于，该测量系统包括方形电池电芯、光纤和控制器，其中，
所述光纤贴附设在所述方向电芯的电极上，该光纤与所述电极接触处设置有传感器，该传感器用于测量电极卷绕过程中传感器处所受到的应力，该传感器与所述控制器连接，其将测量获得的应力反馈给所述控制器，所述控制器记录传感器反馈的应力并以此获得方形电池电芯的卷绕参数。
9.一种利用权利要求1-7任一项所述的测量方法优化卷绕参数的方法，其特征在于，该方法按照下列步骤进行：
对权利要求1-7任一项所述的测量方法测量方形电池电芯卷绕过程中的卷绕参数，当该卷绕参数满足预设阈值时，按照该卷绕参数进行卷绕，否则，调整所述方形电池电芯卷绕过程中的状态，直至卷绕参数满足预设阈值。
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