CN211954473U - 一种电池隔膜性能的检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电池隔膜性能的检测装置，属于锂离子电池技术领域。该装置包括管道、热电偶和温度监控装置、流量监控装置、气瓶、夹具和气动阀，管道分为两段，隔膜样品通过夹具固定在两段管道之间，两端管道之间通过夹具密封连接为一体，管道一侧的开口端为流体入口，通过气管与气瓶相连接，管道另一侧的开口端为第一流体出口；在流体入口端的管道侧面上设置第二流体出口；隔膜样品在第二流体出口与第一流体出口之间的管道中形成一个封闭面；所述的热电偶设置在隔膜样品的一端，与温度监控装置通过导线连接；所述的流量监控装置分别安装在第二流体出口与隔膜样品之间和第一流体出口处。该装置简单便捷，同时安全性高，实用性强，准确度高。

Description

一种电池隔膜性能的检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种电池隔膜性能的检测装置，具体为一种锂离子电池隔膜性能测试装置，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

随着能源危机、环境污染问题日益严峻，锂离子电池作为新一代绿色储能装置已受到广泛应用，然而安全问题一直是制约其发展的重要影响因素。隔膜是其组成的四大关键材料之一，主要用于隔绝正、负极材料，防止形成内部短路，允许锂离子自由通过。隔膜特性的优劣对于锂离子电池的倍率、循环和安全等性能皆有重要影响。其中，闭孔温度和破膜温度是隔膜的重要特性之一，也是保障锂离子电池安全性能的重要指标。当电池内部短路时，剧烈的电化学反应会产生大量的焦耳热。当达到隔膜闭孔温度时，其自身会通过收缩闭孔以阻碍锂离子的通过，使得电池内阻急剧上升，从而避免了进一步热失控的发生，因此选用具有合适的闭孔温度的隔膜对保障电池安全性有重要意义。当内部短路未被有效遏制时，内部温度进一步升高。一旦达到其熔化温度，隔膜会熔化破裂，导致正负极直接接触短路，有可能发生爆炸等危险，可见提升隔膜的破膜温度也是保障锂离子电池安全性的必然要求。因此，隔膜闭孔温度和破膜温度等性能的简单、有效测试对于锂离子电池安全具有重要意义。

专利CN101625271A公开了一种电池隔膜闭孔温度和破膜温度的测试方法及装置，记录电池在升温条件下的电阻变化，利用温度-电阻变化曲线上的电阻突变点判断隔膜的闭孔温度和破膜温度。其包括以下步骤：利用隔膜、电解液制作扣式电池作为测试电池；对测试电池进行加热升温，环境温度由常温升高至200℃；每5s记录一次测试电池温度及该温度对应的电阻值；数据处理，绘制测试电池温度-电阻曲线。但是该方法所使用的电解液具有一定的毒性；其次，由于隔膜闭孔温度和破膜温度较高，该过程中电解液会挥发和分解，电解液减少后会造成整体电阻增加，势必会对测试结果产生较大的影响。

专利CN105738404A提供了一种锂离子电池隔膜闭孔温度和破膜温度的测试方法和装置，其先将隔膜样品固定在管道的开口端，将管道置于烘箱中以5-10℃/min的升温，同时将气体导入管道中并使得气体匀速地通过隔膜样品，每隔10s，同时记录温度和气压数值，并绘制出温度-压力变化曲线；将气压数值随温度变化时突然上升和突然下降的点所对应的温度值分别为隔膜样品的初始闭孔温度和初始破膜温度；重复操作上述步骤至少三次，其平均值作为该隔膜的闭孔温度和破膜温度。但该方法存在一定的不足。当隔膜达到一定温度闭孔时，气体被阻挡，难以通过隔膜。此时，气体任以一定流量进入测量装置，在入口处囤积，隔膜一侧压力不断增加。在闭孔温度和破膜温度之间，隔膜在不断增加的压力下易拉伸成孔、破膜，致使测试的破膜温度低于实际破膜温度。闭孔温度和破膜温度差异越大，测试结果的误差也随之增加。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种锂离子电池隔膜性能测试装置，采用该装置可以测试包括闭孔温度、破膜温度及过程中不同孔径闭孔和破膜的分布情况。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：

一种电池隔膜性能的检测装置，包括管道、热电偶和温度监控装置、流量监控装置、气瓶、夹具和气动阀等，管道分为两段，隔膜样品通过夹具固定在两段管道之间，两端管道之间通过夹具密封连接为一体，管道一侧的开口端为流体入口，通过气管与气瓶相连接，管道另一侧的开口端为第一流体出口；在流体入口端的管道侧面上设置第二流体出口；隔膜样品在第二流体出口与第一流体出口之间的管道中形成一个封闭面；所述的热电偶设置在隔膜样品的一端，与温度监控装置通过导线连接；所述的流量监控装置分别安装在第二流体出口与隔膜样品之间和第一流体出口处。

所述的第二流体出口连接气管和阀门，通过阀门控制第二流体出口排出的流体流量，从而使通过隔膜样品表面的流体量始终保持为流体入口流量V0。

所述的管道的截面为正方形或长方形。

所述夹具包括上、下夹板和活动螺栓，上、下夹板结构相同；隔膜样品放置在上、下夹板之间，通过活动螺栓扭紧固定，夹板表层橡胶密封结构起到密封作用。上、下夹板相互扣合形成正方形或长方形框架结构，形状与管道的截面相同，尺寸与管道的内径尺寸相互匹配。

所述夹具的上夹板或下夹板包括金属主体和密封橡胶结构，密封橡胶结构套装在金属主体上。夹板金属主体包括测试框架和连接在测试框架两侧的连接部，所述的测试框架上设置金属主体开孔一，所述的连接部上设置金属主体开孔二。金属主体开孔一为隔膜测试孔，测试过程中隔膜固定在金属主体开孔一上，安装在第一流体出口和第二流体出口之间，尺寸与管道尺寸相互匹配。金属主体开孔二与活动螺栓匹配，用于固定隔膜。密封橡胶结构上包括凹槽和橡胶结构开孔；密封橡胶结构的单面设置凹槽，凹槽为环形；密封橡胶结构的中间设有橡胶结构开孔，橡胶结构开孔与金属主体开孔一尺寸相互匹配，密封橡胶结构套装在金属主体的测试框架上。凹槽作为夹具上料时第一流体出口和第二流体出口的卡位，并连接两段管道，以便保证测试过程的密封性。密封橡胶结构的另一面无凹槽，其余结构两面完全相同。

所述的隔膜样品形成的封闭面垂直于管道的延伸方向，与管道的横截面平行。

所述热电偶与所述夹具接触，将温度信号传送到温度监控装置，用于检测隔膜样品的温度。

所述的流量监控装置为流量传感器。

所述的气动阀与管道连接，控制管道左、右活动，进行隔膜夹具的上料和取料。

隔膜上料过程中，隔膜夹具上、下夹板无凹槽的一面与隔膜贴邻，隔膜夹具上下夹板有凹槽的一面用于密封连接两段管道；隔膜夹具表层橡胶密封结构起到密封作用。气动阀与管道连接，可以控制管道进行左、右活动，使两段管道分别移动至夹具的两侧，压紧密封，或从夹具两侧移开，便于与隔膜夹具的上料和取料。

采用本检测装置进行检测的步骤包括：

(1)先将隔膜样品放置在夹具的上下夹板之间，扭紧螺栓，固定隔膜；

(2)进行隔膜夹具上料，并通过气动阀将隔膜固定和密封在装置内；

(3)设置温度和流量，并进行隔膜检测；

(4)测试完成后，取下隔膜夹具。

采用本检测装置进行电池隔膜性能的检测方法，包括如下步骤：

(1)裁剪出大小适宜的隔膜样品，并将隔膜样品固定在管道中，在第二流体出口与第一流体出口之间的管道中间形成一个封闭面；所述的管道一端为流体入口，另一端为第一流体出口，在流体入口端的管道侧面设置第二流体出口；

(2)通过流量监控装置控制流体入口流量为定值V0；

(3)将管道放置在加热装置中并以一定速度升温至300℃；

(4)流量监控装置和温度监控装置及热电偶实时监控并记录流量和隔膜体表温度，当隔膜闭孔或破膜时，通过调节第二流体出口的流量来控制通过隔膜表面的流体量，使其始终保持为V0，同时记录第一流体出口的流量V1；

(5)根据过程数据，绘制温度-流体出口流量百分比(V1/V0*100％)(即通过隔膜的流体量)曲线H＝V1/V0％；

(6)根据温度-流体出口流量百分比变化曲线，将流体出口流量突然下降和突然上升的点所对应的温度作为隔膜样品的初始闭孔温度和初始破膜温度；将曲线中流体出口流量下降的台阶数作为不同孔径的闭孔温度及温度分布情况；

(7)重复操作上述步骤(1)-(6)至少三次，并取测得的初始闭孔温度和初始破膜温度的平均值作为该隔膜的闭孔温度和破膜温度。

步骤(2)中，本方法中使用的流体为空气、氮气或其他任意无毒无害、安全性气体。流体入口流量可根据隔膜的耐压强度进行调整，例如流体入口流量的取值范围为2-10ml/s，避免高压对测试结果的影响。

步骤(3)中，所述的加热装置为烘箱；升温速度为3-5℃/分钟。

本实用新型的隔膜性能测试装置中，采用增加第二流体出口的方式来调节隔膜一侧的流量，也包括其他可调节流量稳定的方式。采用热电偶对隔膜本体温度进行测量和监控，可以采用其他温度采集方式。流体进出口结构可为任意形式，例如单孔或多孔等保证气体均匀分布的形式。

采用本实用新型装置可准确有效地分析隔膜本体的闭孔温度、破膜温度及过程中不同孔径闭孔和破膜的分布情况。

本实用新型的优点：

本实用新型装置利用流量突变法测试隔膜本体的闭孔温度、破膜温度及过程中不同孔径闭孔和破膜的分布情况，测试装置简单便捷；同时过程避免使用有毒有害的电解液，安全性高，实用性强，准确度高。该装置结构简单，实用性强，能准确测量隔膜的闭孔温度、破膜温度及过程中不同孔径闭孔和破膜的分布情况。

下面通过附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明，但并不意味着对本实用新型保护范围的限制。

附图说明

图1为本实用新型电池隔膜测试装置的结构示意图。

图2-1为隔膜夹具上夹板或下夹板结构A面示意图。

图2-2为隔膜夹具上夹板或下夹板结构B面示意图。

图3为采用本实用新型装置绘制的温度-流体出口流量百分比曲线。

主要附图标记说明：

1 隔膜测试装置 2 流体入口

3 第一流体出口 4 第二流体出口

5 隔膜样品 6 热电偶

7 温度监控装置 8 流量监控装置

9 上或下夹板 10 金属主体

11 金属主体开孔一 12 金属主体开孔二

13 密封橡胶结构 14 凹槽

15 橡胶结构开孔

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的电池隔膜测试装置1，包括管道、热电偶6和温度监控装置7、流量监控装置8、气瓶、夹具和气动阀等，管道分为两段，隔膜样品5通过夹具固定在两段管道之间，两端管道之间通过夹具上的密封橡胶结构13密封连接为一体，管道一侧的开口端为流体入口2，通过气管与气瓶相连接，管道另一侧的开口端为第一流体出口3；在流体入口2端的管道侧面上设置第二流体出口4；隔膜样品5在第二流体出口4与第一流体出口3之间的管道中形成一个封闭面，隔膜样品5形成的封闭面垂直于管道的延伸方向；热电偶6设置在隔膜样品5的一端，热电偶6与夹具接触，与温度监控装置7通过导线连接，将温度信号传送到温度监控装置，用于检测隔膜样品的温度；流量监控装置8分别安装在流体入口2靠近隔膜样品5的一端和第一流体出口3一端，流量监控装置8为流量传感器或其他装置；第二流体出口4与气管和阀门连接，通过阀门控制第二流体出口4排出的流体流量，保证通过隔膜样品5表面的流体量始终保持为V0。管道的截面为正方形，也可以是长方形。

隔膜夹具包括上、下夹板和活动螺栓。夹具上、下夹板结构相同。隔膜样品5放置在上、下夹板之间，通过活动螺栓扭紧固定，夹板表层橡胶密封结构13起到密封作用。上、下夹板相互扣合形成正方形或长方形框架结构，形状与管道的截面相同，尺寸与管道的内径尺寸相互匹配。

如图2-1和图2-2所示，本实用新型的隔膜夹具上或下夹板9结构包括金属主体10和密封橡胶结构13，密封橡胶结构13套装在金属主体10上。夹具金属主体10包括测试框架和连接在测试框架两侧的连接部，测试框架上设置金属主体开孔一11，连接部上设置金属主体开孔二12。金属主体开孔一11为隔膜测试孔，测试过程中可连通第一流体出口3和第二流体出口4，尺寸与管道尺寸相互匹配。金属主体开孔二12与活动螺栓匹配，用于固定隔膜。密封橡胶结构13包括凹槽14和橡胶结构开孔15。如图2-1所示，隔膜夹具上或下夹板9的A面密封橡胶结构13上设置凹槽，凹槽为环形；凹槽14作为夹具上料时第一流体出口3和第二流体出口4的卡位，以便保证测试过程的密封性。密封橡胶结构13的中间设有橡胶结构开孔15，橡胶结构开孔15与金属主体开孔一11尺寸相互匹配。密封橡胶结构13套装在金属主体10的测试框架上。如图2-2所示，隔膜夹具上或下夹板9的B面密封橡胶结构13上无凹槽14，其余结构与A面完全相同。

隔膜上料过程中，隔膜夹具上、下夹板结构的B面与隔膜样品5贴邻，隔膜夹具上、下夹板的A面与第一流体出口3和第二流体出口4贴邻。隔膜夹具表层橡胶密封结构13起到密封作用。气动阀与管道连接，可以控制管道进行左、右活动。气体进出口管道由气动阀控制其左右活动，使两段管道分别移动至夹具的两侧，压紧密封，或从夹具两侧移开，便于与隔膜夹具的上料和取料。

采用上述装置进行锂离子电池隔膜性能的检测，具体实施步骤如下：

(1)裁剪出大小适宜的PP隔膜样品5，并将样品固定在管道中；

(2)通过流量监控装置8控制流体入口流量为定值V0，V0＝5ml/s；

(3)将管道放置在加热装置，例如烘箱中并以5℃/分钟的速度升温至300摄氏度；

(4)流量监控装置8和温度监控装置7及热电偶6实时监控并记录流量和隔膜体表温度，当隔膜闭孔或破膜时，流体入口流量会发生变化，可以通过调节图1中第二流体出口的流量来控制通过隔膜左表面的流体量，使其始终保持为V0，同时记录图1中第一流体出口流量V1；

(5)根据过程数据，绘制温度-流体出口流量百分比(V1/V0*100％)(即通过隔膜的流体量)曲线，如图3所示；

(6)根据图3的温度-流体出口流量百分比变化曲线，将流体出口流量突然下降和突然上升的点所对应的温度作为隔膜样品5的初始闭孔温度和初始破膜温度，隔膜样品5的初始闭孔温度和初始破膜温度分别为T0和T4；将曲线中流体出口流量下降的台阶数作为不同孔径的闭孔温度及温度分布情况，请描述不同孔径的闭孔温度及温度分布情况；从曲线可以看出，出现两个下降台阶，可以看出隔膜存在两个区域集中的孔径。其中较小孔径的闭孔温度在T0-T1，较大孔径的闭孔温度在T2-T3。其中T0-T1区域曲线斜率较大，在一定程度上可以说明隔膜在较小孔径处孔径分布较宽；T2-T3区域曲线斜率较小，可说明隔膜在较大孔径处孔径分布集中。H0-H1、H2-H3可以表示了较小孔径和较大孔径在隔膜中的占比，分别为(H0-H1)*100％/(H0-H1+H2-H3)或(H0-H1)*100％/(H0-H3)；(H2-H3)*100％/(H0-H1+H2-H3)或(H2-H3)*100％/(H0-H3)。

(7)重复操作上述步骤(1)-(6)至少三次，并取每次测得的初始闭孔温度和初始破膜温度的平均值作为该隔膜的闭孔温度和破膜温度，得到隔膜样品5的平均初始闭孔温度和平均初始破膜温度(T0₁+T0₂+T0₃+…+T0_n)/n,(T4₁+T4₂+T4₃+…+T4_n)/n，性能测试结果见表1。

表1 PP隔膜性能测试结果

备注：测试数据中数值皆为5次测量平均值。现有方法1采用电阻法，取值为电阻突变点。现有方法2采用TG热分析，取峰值处温度。

本实用新型提供了一种简单的隔膜性能测试装置，可准确有效地分析隔膜本体的闭孔温度、破膜温度及过程中不同孔径闭孔和破膜的分布情况。该装置测试中使用的流体可以为空气，也可以为氮气或其他任意无毒无害、安全性气体。过程可采用热电偶对隔膜本体温度进行测量和监控，可以采用其他温度采集方式。根据隔膜的耐压强度，可调整过程中流体的入口流量，避免高压对测试结果的影响。流体进出口结构可为任意形式。该装置采用增加流体出口二的方式来调节隔膜一侧的流量，也包括其他可调节流量稳定的方式。

以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：凡是利用本实用新型说明书内容所做的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，但不脱离本实用新型精神和范围的任何修改和替换均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电池隔膜性能的检测装置，其特征在于：包括管道、热电偶和温度监控装置、流量监控装置、气瓶、夹具和气动阀，管道分为两段，隔膜样品通过夹具固定在两段管道之间，两端管道之间通过夹具密封连接为一体，管道一侧的开口端为流体入口，通过气管与气瓶相连接，管道另一侧的开口端为第一流体出口；在流体入口端的管道侧面上设置第二流体出口；隔膜样品在第二流体出口与第一流体出口之间的管道中形成一个封闭面；所述的热电偶设置在隔膜样品的一端，与温度监控装置通过导线连接；所述的流量监控装置分别安装在第二流体出口与隔膜样品之间和第一流体出口处。

2.根据权利要求1所述的电池隔膜性能的检测装置，其特征在于：所述的第二流体出口连接气管和阀门，通过阀门控制第二流体出口排出的流体流量，使通过隔膜样品表面的流体量始终保持为流体入口流量。

3.根据权利要求1所述的电池隔膜性能的检测装置，其特征在于：所述的管道的截面为正方形或长方形。

4.根据权利要求1所述的电池隔膜性能的检测装置，其特征在于：所述夹具包括上、下夹板和活动螺栓，上、下夹板结构相同。

5.根据权利要求4所述的电池隔膜性能的检测装置，其特征在于：所述夹具的上夹板或下夹板包括金属主体和密封橡胶结构，密封橡胶结构套装在金属主体上。

6.根据权利要求5所述的电池隔膜性能的检测装置，其特征在于：隔膜样品放置在上、下夹板之间，通过活动螺栓扭紧固定，夹板表层橡胶密封结构起到密封作用。

7.根据权利要求5所述的电池隔膜性能的检测装置，其特征在于：所述的金属主体包括测试框架和连接在测试框架两侧的连接部，所述的测试框架上设置金属主体开孔一，所述的连接部上设置金属主体开孔二；金属主体开孔一为隔膜测试孔，尺寸与管道尺寸相互匹配，金属主体开孔二与活动螺栓匹配。

8.根据权利要求5所述的电池隔膜性能的检测装置，其特征在于：所述的密封橡胶结构包括凹槽和橡胶结构开孔；密封橡胶结构的单面设置凹槽，其余结构两面相同；密封橡胶结构的中间设有橡胶结构开孔，密封橡胶结构套装在金属主体的测试框架上。

9.根据权利要求1所述的电池隔膜性能的检测装置，其特征在于：所述热电偶与所述夹具接触，将温度信号传送到温度监控装置；所述的流量监控装置为流量传感器。

10.根据权利要求1所述的电池隔膜性能的检测装置，其特征在于：所述的气动阀与管道连接，控制管道左、右活动，进行隔膜夹具的上料和取料。

Images