CN116087778A - 自适应电池膨胀检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自适应电池膨胀检测方法，包括由上至下设置的上压板、扣电模具、样品台和电机，及压力传感器、厚度传感器和控制模块，并包括：一、将扣电模具置于样品台，并利用电机使上压板、扣电模具和样品台压紧；二、选择恒压力或恒间隙模式开始测试；三、恒压力模式下完成充放电后，由压力传感器检测压力变化量ΔP，再由控制模块控制电机进行补偿以使ΔP=0，最后由厚度传感器检测厚度变化量ΔL以检测膨胀厚度；恒间隙模式下完成充放电后，由厚度传感器检测距离变化量ΔL，再由控制模块控制电机进行补偿以使ΔL=0，最后由压力传感器检测压力变化量ΔP以检测膨胀力。本发明实现多维度、原位地对扣式电池的膨胀行为进行表征，测量精度高。

Description

自适应电池膨胀检测方法

技术领域

本发明涉及电池安全检测技术领域，特别是指一种自适应电池膨胀检测方法。

背景技术

锂离子电池、锂电池、锌锰电池等新能源电池的电极材料在充放电的过程中会发生体积变化，使得电池在工作过程中伴随着电极材料体积的变化会表现出极片厚度的变化；同时，电池循环使用过程中会逐渐老化，产生气体导致电池膨胀。因此，出于电池安全、可靠性和使用寿命等因素的考虑，在进行产品设计或产品抽检时，都需要对电池进行膨胀检测。由于扣式电池的膨胀检测具有低成本、工艺简单、密封性强等特点，目前大多数实验室对于新能源电池的研发都是基于扣式电池进行。

如专利CN110520851A公开了《一种具有膨胀力检测功能的扣式电池及制备方法》，通过将应变片式压力传感器与扣式电池壳集成，实现了实验室层级对扣式电池内部膨胀力的监测，从而对电池运行过程中的电化学反应进行监测；扣式电池壳的新结构设计确保了现有扣式电池封口机的兼容，且制备得到的扣式电池的密封性不逊于一般扣式电池。但是该专利所公开的技术方案均以下缺点：

①应力片式传感器精度低，且灵敏度易受极片厚度的影响；

②应力片式传感器内嵌于扣式电池，易被电解液腐蚀而失效；

③结构中引入了平垫、弹垫等弹性结构配件，影响对极片膨胀行为的检测；

④测量模式单一，只能检测膨胀力的变化；

⑤无法保证扣式电池整体厚度不变，因此并非在恒间隙条件下测量膨胀力，因而会引入一定的测量误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自适应电池膨胀检测方法，可实现多维度、原位地对扣式电池的膨胀行为进行表征，并且测量精度高、误差小。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种自适应电池膨胀检测方法，包括由上至下依次设置的上压板、扣电模具、样品台和电机，以及压力传感器、厚度传感器和控制模块，并包括以下步骤：

步骤一、将组装好的扣电模具置于所述样品台上，并利用所述电机使所述上压板、扣电模具和样品台三者压紧；

步骤二、在所述控制模块选择恒压力或恒间隙两种测量模式，并开始膨胀测试；

步骤三、在恒压力模式下，在所述扣电模具完成充放电后，由所述压力传感器检测的压力变化量ΔP，再由所述控制模块控制所述电机进行补偿以使ΔP=0，最后由所述厚度传感器检测厚度变化量ΔL以获取所述扣电模具在充放电后的膨胀厚度；在恒间隙模式下，在所述扣电模具完成充放电后，由所述厚度传感器检测距离变化量ΔL，再由所述控制模块控制所述电机进行补偿以使ΔL=0，最后由所述压力传感器检测压力变化量ΔP以获取所述扣电模具在充放电后的膨胀力。

所述压力传感器的检测端与所述上压板连接，所述厚度传感器的检测端与所述样品台相对设置。

所述扣电模具包括密闭配合的上壳体与下壳体，穿设于所述上壳体的活动塞，以及内置于所述上壳体与所述下壳体之间且由上至下依次配合的上极片、隔膜和下极片；所述活动塞的上端与所述压力传感器连接，其下端抵接所述上极片。

所述电机为伺服电机。

所述步骤一中，所述上压板、扣电模具和样品台的初始预紧力设定为5kg。

采用上述技术方案后，本发明具有以下技术效果：

①可以根据用户需求在对扣电模具在充放电过程中膨胀性能测试时切换为恒压力或恒间隙两种模式，结合高精度的压力传感器或厚度传感器可实现多维度（膨胀力或膨胀厚度）、原位地对扣式电池的膨胀行为进行表征，数据精度高、重复性好；

②通过两种测量模式的切换，可以实现一机两用，并同时利用压力传感器、厚度传感器其一实现补偿、另一实现检测，使得传感器不闲置，并借此提高检测精度、降低检测误差；

③本发明直接对裸电芯进行膨胀检测，相比传统的制成软包或硬壳电芯再测量膨胀的方法，该方法简单、快速、成本低。

附图说明

图1为本发明具体实施例的立体图；

图2为本发明具体实施例的主视图；

图3为本发明具体实施例的侧视图；

图4为本发明具体实施例扣电模具的剖视图；

图5为本发明具体实施例的流程图；

图6为恒压力模式下电压和膨胀厚度随时间变化的折线图；

图7为横间隙模式下电压和膨胀力随时间变化的折线图；

附图标号说明：

1----上压板；             2----扣电模具；              21---上壳体；

22---下壳体；             23---活动塞；                24---上极片；

25---隔膜；               26---下极片；                3----样品台；

4----电机；               5----压力传感器；            6----厚度传感器；

7----控制模块。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制本发明要保护的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明所要保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的实施例而简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”、“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。

此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

参考图1至图5所示，本发明公开了一种自适应电池膨胀检测方法，包括由上至下依次设置的上压板1、扣电模具2、样品台3和电机4，以及压力传感器5、厚度传感器6和控制模块7，并包括以下步骤：

步骤一、将组装好的扣电模具2置于样品台3上，并利用电机4使上压板1、扣电模具2和样品台3三者压紧；

步骤二、在控制模块7选择恒压力或恒间隙两种测量模式，并开始膨胀测试；

步骤三、在恒压力模式下，在扣电模具2完成充放电后，由压力传感器5检测的压力变化量ΔP，再由控制模块7控制电机4进行补偿以使ΔP=0，最后由厚度传感器6检测厚度变化量ΔL以获取扣电模具2在充放电后的膨胀厚度；在恒间隙模式下，在扣电模具2完成充放电后，由厚度传感器6检测距离变化量ΔL，再由控制模块7控制电机4进行补偿以使ΔL=0，最后由压力传感器5检测压力变化量ΔP以获取扣电模具2在充放电后的膨胀力。

以下示出了本发明的具体实施例。

上述压力传感器5的检测端与上压板1连接，以实现检测扣电治具2在充放电后的压力变化量ΔP；厚度传感器6的检测端与样品台3相对设置，用于测量样品台3的位移量（也即高度变化值），以实现检测扣电治具2在充放电后的厚度变化量ΔL。

上述扣电模具2用于模拟扣式电池，包括密闭配合的上壳体21与下壳体22，穿设于上壳体21的活动塞23，以及内置于上壳体21与下壳体22之间且由上至下依次配合的上极片24、隔膜25和下极片26；活动塞23的上端与压力传感器5连接，其下端抵接上极片24，以使上极片24、隔膜25和下极片26依次紧密贴合。上壳体21与下壳体22之间填充有电解液并密封良好，确保扣电治具能够正常充放电。

上述电机4为伺服电机，可以实现更精确的压力、间隙控制精度，其中压力精度可达最大量程的±0.3%、厚度精度可达±1μm。

上述步骤一中，上压板1、扣电模具2和样品台3的初始预紧力设定为5kg，或者根据其他检测条件的要求进行调节，可以模拟电池在实际应用中所处多种压力环境，为电池的装配、材料选用等提供有力证据。

本发明的检测结果如下：

参考图6所示，扣电模具2内的裸电芯（也即上极片24、隔膜25和下极片26的组合）随着充放电过程而膨胀或收缩，且三次循环的电压曲线拐点与厚度膨胀曲线的拐点高度重合，表面膨胀厚度曲线能够有效地反映出扣式电池中极片脱/嵌锂时体积的变化情况；

参考图7所示，三次循环充放电过程中电压曲线拐点与膨胀力曲线的拐点均高度重合，表面膨胀力曲线能够有效地反映出扣式电池中极片脱/嵌锂时内应力的变化情况。

通过上述方案，本发明可以根据用户需求在对扣电模具2在充放电过程中膨胀性能测试时切换为恒压力或恒间隙两种模式，结合高精度的压力传感器5或厚度传感器6可实现多维度（膨胀力或膨胀厚度）、原位地对扣式电池的膨胀行为进行表征，数据精度高、重复性好；通过两种测量模式的切换，可以实现一机两用，并同时利用压力传感器5、厚度传感器6其一实现补偿、另一实现检测，使得传感器不闲置，并借此提高检测精度、降低检测误差；本发明直接对裸电芯进行膨胀检测，相比传统的制成软包或硬壳电芯再测量膨胀的方法，该方法简单、快速、成本低。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (5)

1.一种自适应电池膨胀检测方法，包括由上至下依次设置的上压板、扣电模具、样品台和电机，以及压力传感器、厚度传感器和控制模块，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、将组装好的扣电模具置于所述样品台上，并利用所述电机使所述上压板、扣电模具和样品台三者压紧；

步骤二、在所述控制模块选择恒压力或恒间隙两种测量模式，并开始膨胀测试；

步骤三、在恒压力模式下，在所述扣电模具完成充放电后，由所述压力传感器检测的压力变化量ΔP，再由所述控制模块控制所述电机进行补偿以使ΔP=0，最后由所述厚度传感器检测厚度变化量ΔL以获取所述扣电模具在充放电后的膨胀厚度；在恒间隙模式下，在所述扣电模具完成充放电后，由所述厚度传感器检测距离变化量ΔL，再由所述控制模块控制所述电机进行补偿以使ΔL=0，最后由所述压力传感器检测压力变化量ΔP以获取所述扣电模具在充放电后的膨胀力。

2.根据权利要求1所述的自适应电池膨胀检测方法，其特征在于：

所述压力传感器的检测端与所述上压板连接，所述厚度传感器的检测端与所述样品台相对设置。

3.根据权利要求1所述的自适应电池膨胀检测方法，其特征在于：

所述扣电模具包括密闭配合的上壳体与下壳体，穿设于所述上壳体的活动塞，以及内置于所述上壳体与所述下壳体之间且由上至下依次配合的上极片、隔膜和下极片；所述活动塞的上端与所述压力传感器连接，其下端抵接所述上极片。

4.根据权利要求1所述的自适应电池膨胀检测方法，其特征在于：

所述电机为伺服电机。

5.根据权利要求1所述的自适应电池膨胀检测方法，其特征在于：

所述步骤一中，所述上压板、扣电模具和样品台的初始预紧力设定为5kg。

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