CN108279161B - 层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统，包括电池充放电模拟装置和测试控制与数据处理装置，所述电池充放电模拟装置包括加热测试区、加热器、温控器、隔膜夹具、丝杆、拉伸机构和拉力传感器，所述电池充放电模拟装置与所述测试控制与数据处理装置形成电连接。与将充放电后的电池进行拆解再取其中的隔膜进行力学性能测试的现有技术方法相比，用本发明的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统进行对层叠式锂离子电池隔膜进行力学性能测试，可以简化试验操作，降低试验时间成本，同时获得准确可靠的试验数据。

Description

层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统

技术领域

本发明涉及锂离子隔膜领域，更具体地涉及一种层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统。

背景技术

锂离子电池的四大关键主材是正极、负极、隔膜和电解液。隔膜在电池中起着防止正负极接触短路的隔绝作用，同时在充放电过程中提供离子传输通道的作用。隔膜的性能对电池的内阻、容量、循环性能以及安全性能等特性都有一定的影响。

常见的隔膜是聚烯烃类高分子材料，本身具有良好的机械性能和抗疲劳性能。但在电池工作过程中，隔膜受到电解液的浸泡，并且在充放电时电池极片的膨胀会使隔膜受到反复伸张，导致隔膜的力学性能会发生变化，通常表现为拉伸强度和弹性模量的降低。电解液浸泡时间越长，电池充放电次数越多，即隔膜受到伸张/收缩/伸张的次数越多，力学性能越低。

锂离子电池包括卷绕式锂离子电池和层叠式锂离子电池。层叠式锂离子电池是按“正极、隔膜、负极、隔膜、正极......”的顺序多层堆叠，将所有正极焊接在一起引出，负极也焊接在一起引出而构成。层叠式锂离子电池在充放电时，极片的膨胀会使隔膜受到纵向的伸拉力。

为测试隔膜在多次充放电循环后的力学性能，确定隔膜经过多少次循环后其力学性能不达标，现有的做法是将充放电后的电池进行拆解，取出其中的隔膜进行力学性能测试。这种测试工作非常繁琐，试验时间成本较高。因此，本领域需要一种简单易行的装置和方法，来测试锂离子电池隔膜的力学性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的测试方法繁琐且成本高的技术问题，提供一种简单易行的模拟测试系统，用于模拟测试层叠式锂离子电池隔膜的力学性能，具体而言为隔膜的拉伸强度和弹性模量。

因此，本发明提供一种层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统。该测试系统包括电池充放电模拟装置和测试控制与数据处理装置，该电池充放电模拟装置包括加热测试区、加热器、温控器、隔膜夹具、丝杆、拉伸机构和拉力传感器，该电池充放电模拟装置与该测试控制与数据处理装置形成电连接。

在一个实施方案中，该测试控制与数据处理装置包括可编程逻辑控制器和数据采集输出装置，该电池充放电模拟装置与该可编程逻辑控制器和该数据采集输出装置形成电连接，并且该可编程逻辑控制器与该数据采集输出装置形成电连接。

在另一个实施方案中，该测试控制与数据处理装置为计算机装置，该电池充放电模拟装置与该计算机装置形成电连接。即，在本实施方案中，该计算机装置集成了可编程逻辑控制器和数据采集输出装置。

该电池充放电模拟装置用于模拟层叠式锂离子电池充放电时隔膜应力应变行为。该测试控制与数据处理装置或者具体地该计算机装置用于控制该电池充放电模拟装置的测试操作并采集该电池充放电模拟装置的测试数据信号并输出测试数据。该可编程逻辑控制器用于编辑不同的程序以控制该电池充放电模拟装置的测试操作，该数据采集输出装置用于采集该电池充放电模拟装置的测试数据信号并输出测试数据。

该电池充放电模拟装置的加热器、隔膜夹具和丝杆位于该电池充放电模拟装置的加热测试区中，该电池充放电模拟装置的温控器、拉伸机构和拉力传感器位于该电池充放电模拟装置的加热测试区外。

具体地，该隔膜夹具包括第一隔膜夹具和第二隔膜夹具，待测试的锂离子电池隔膜样品通过第一隔膜夹具和第二隔膜夹具固定在所述加热测试区中。

该电池充放电模拟装置的温控器与该测试控制与数据处理装置或者该可编程逻辑控制器形成电连接，并与该加热器形成电连接，用于接受来自该测试控制与数据处理装置或者该可编程逻辑控制器的加热信号，控制该加热器对该加热测试区进行加热升温，并测量该加热测试区的温度以控制该加热器的加热状态，使该加热测试区的温度保持在设定的值，以模拟锂离子电池充放电时隔膜受到的温度。该加热器不与该样品隔膜接触，而是保持一定距离，以防止直接加热该样品隔膜。

该电池充放电模拟装置的拉伸机构位于该加热测试区的下方，并通过该丝杆与第二隔膜夹具形成机械连接，用于拉伸第二隔膜夹具从而拉伸该隔膜样品，并且与该测试控制与数据处理装置或者该可编程逻辑控制器形成电连接，用于接受来自该测试控制与数据处理装置或者该可编程逻辑控制器的拉伸信号，使第二隔膜夹具沿着丝杆向下移动，从而使该隔膜样品受到向下拉伸。具体地，拉伸机构为伺服电机或步进电机。

该电池充放电模拟装置的拉力传感器位于该加热测试区的上方，并与第一隔膜夹具形成机械连接，用于测量该隔膜样品受到的拉力，并且与该测试控制与数据处理装置或者该可编程逻辑控制器形成电连接，用于将所测得的拉力值传输到该测试控制与数据处理装置或者该可编程逻辑控制器。

该加热器、温控器和拉力传感器是市售的。例如，可以选用东莞远大机械有限公司的加热棒作为该加热器，选用欧姆龙品牌的温控系统作为该温控器，选用深圳市奥德赛创精密仪器有限公司的拉力传感器作为该拉力传感器。或者，可以根据需要定制该加热器、温控器或者拉力传感器，这是本领域技术人员公知的或者容易通过简单的实验确定。

在该测试控制与数据处理装置包括可编程逻辑控制器和数据采集输出装置的实施方案中，该电池充放电模拟装置与该可编程逻辑控制器和该数据采集输出装置形成电连接，并且该可编程逻辑控制器与该数据采集输出装置形成电连接。该可编程逻辑控制器向该温控器发出温度信号，向该拉伸机构发出拉伸信号，该数据采集输出装置通过该可编程逻辑控制器从该拉力传感器接收拉力数据。

在该测试控制与数据处理装置为计算机装置的实施方案中，该电池充放电模拟装置与该计算机装置形成电连接，该计算机装置同时起到控制该电池充放电模拟装置的测试过程并采集和输出测试数据的作用。本领域技术人员可以对该计算机装置进行编程以实现这个作用。具体地，该计算机装置向该温控器发出温度信号，向该拉伸机构发出拉伸信号，从该拉力传感器接收拉力数据。

该可编程逻辑控制器和该数据采集输出装置是市售的。例如，可以选用西门子品牌的可编程逻辑控制器作为该可编程逻辑控制器，选用西门子的数据采集模块加上戴尔电脑作为该数据采集输出装置。或者，可以根据需要定制该可编程逻辑控制器或者该数据采集输出装置，这是本领域技术人员公知的或者容易通过简单的实验确定。

前述的电连接或者机械连接的方式可以按照本领域公知的方式来实现，这是本领域技术人员熟知的。

本发明的有益效果

层叠式锂离子电池是按“正极、隔膜、负极、隔膜、正极......”的顺序多层堆叠，将所有正极焊接在一起引出，负极也焊接在一起引出而构成。层叠式锂离子电池在充放电时，极片的膨胀会使隔膜受到纵向的拉伸力。本发明的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统可以模拟锂离子隔膜在层叠式锂离子电池中的位置取向、温度条件和受力方式，便于在锂离子隔膜的研发工作中，对锂离子隔膜样品进行拉伸强度和弹性模量的模拟测试，测试结果与用同样的锂离子隔膜样品制成层叠式锂离子电池后在类似条件下进行充放电试验所得的测试结果相近。与将充放电后的电池进行拆解再取其中的隔膜进行力学性能测试的现有技术方法相比，用本发明的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统进行力学性能测试，可以简化试验操作，降低试验时间成本，同时获得准确可靠的试验数据。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方案的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统的正视图，其中的附图标记表示如下的部件：10-电池充放电模拟装置；20-测试控制与数据处理装置；13-温控器；14-第一隔膜夹具；15-第二隔膜夹具；16-丝杆；17-步进电机；18-拉力传感器。图中未示出电池充放电模拟装置和测试控制与数据处理装置的电连接。

图2是根据本发明的一个实施方案的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统的后视图，其中的附图标记表示如下的部件：10-电池充放电模拟装置；11-加热测试区；12-加热器。

图3是曲线图，显示了真实充放电试验和用发明的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统进行的模拟充放电试验后，锂离子电池隔膜样品的拉伸强度值和弹性模量值的对比。

具体实施方式

以下结合图1，对本发明的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统的试验操作方法和模拟效果进行详细描述。这些描述是示例性的，并不意在以任何方式限制本发明。

本发明的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统的试验操作方法包括三个阶段，即样品准备阶段、拉伸循环阶段和力学测量阶段。

1.样品准备阶段

将待测试的隔膜在锂离子电池电解液中浸泡两小时后，取出并沥干，然后将经浸泡的隔膜裁成长方形隔膜样品。按实验设计获取合适的隔膜样品数量。

2.拉伸循环阶段

对于每个隔膜样品，进行以下操作步骤：

样品固定：将隔膜样品用电池充放电模拟装置(10)的第一隔膜夹具(14)、第二隔膜夹具(15)固定在加热测试区(11)中；

升温保温：通过测试控制与数据处理装置(20)向电池充放电模拟装置(10)的温控器(13)发出加热信号，控制加热器(12)将加热测试区升温到设定的温度，并控制加热器(12)的加热状态以使加热测试区(11)维持在该设定的温度；

拉伸循环：通过测试控制与数据处理装置(20)向电池充放电模拟装置(10)的步进电机(17)发出拉伸信号，使步进电机(17)以设定的测试条件拉伸该隔膜样品，测试条件包括初始张力、拉伸应变率、拉伸速率、拉伸的循环次数；

样品回收：在达到循环次数后，通过测试控制与数据处理装置(20)向电池充放电模拟装置(10)的温控器(13)发出降温信号，让加热测试区(11)降低到室温，然后将经历了拉伸循环的隔膜样品从第一隔膜夹具(14)和第二隔膜夹具(15)上取下来，以备后续测量拉伸强度和弹性模量。

3.力学测量阶段

对于每个经历了拉伸循环的隔膜样品以及经浸泡但未经历拉伸循环的隔膜样品，进行拉伸强度和弹性模量的测量。具体操作是，将隔膜样品用电池充放电模拟装置(10)的第一隔膜夹具(14)和第二隔膜夹具(15)固定于处于室温下的加热测试区(11)，通过测试控制与数据处理装置(20)向电池充放电模拟装置(10)的步进电机(17)发出拉伸信号，在室温下使步进电机(17)以设定的拉伸速率拉伸该隔膜样品直至断裂。根据步进电机(17)的脉冲数可以计算隔膜被拉伸的位移数据，结合拉力传感器(18)接收的拉力数据，可以计算出拉伸强度和弹性模量。

以下通过真实充放电试验例和模拟充放电试验例对本发明的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统的模拟效果进行对比说明。

真实充放电试验例

在本申请人的某款层叠式锂离子电池产品中进行充放电试验。该款层叠式锂离子电池中每层隔膜的尺寸为200mm×359mm，进行1C充放电，充放电温度分别为60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃和120℃，充放电循环次数分别为100、200、300、400、500、600和700次。试验结果如下表所示：

表1：层叠式锂离子电池隔膜真实充放电试验结果

模拟充放电试验例

本模拟充放电试验例作为上述真实充放电试验例的对比例。在本发明的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统上，按照上述操作方法进行操作。具体的操作参数如下：

隔膜浸泡时间：浸泡于锂离子电池电解液2小时；

裁出的长方形隔膜样品尺寸：200mm×359mm；

加热温度：分别为60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃和120℃；

隔膜初始张力：3N；

拉伸应变率：3％；

拉伸速率：2％/min；

拉伸循环次数：分别为100、200、300、400、500、600和700次；

力学测试温度：室温。

试验结果如下表所示：

表2：层叠式锂离子电池隔膜模拟充放电试验结果

表1和表2中的拉伸强度值和弹性模量值的对比在图2中显示。由图中可见，层叠式锂离子电池隔膜模拟充放电试验在相同的温度和循环次数条件下，试验结果与层叠式锂离子电池隔膜真实充放电试验结果相近，表现拉伸强度值和弹性模量值相近，而且隔膜外观也相近。因此，本发明的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统可以很好地模拟层叠式锂离子电池隔膜在真实充放电条件下经过充放电循环后隔膜的拉伸强度和弹性模量。

上文对本发明的描述仅出于说明的目的，并不意味着以任何方式限制本发明的范围。在本发明的精神的教导下，本领域技术人员可以在不偏离本发明的实质的前提下，作出许多修改方案和等同方案。这些修改方案和等同方案，只要不与现有技术冲突，均落入权利要求书所涵盖的本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统，包括电池充放电模拟装置和测试控制与数据处理装置，所述电池充放电模拟装置包括加热测试区、加热器、温控器、隔膜夹具、丝杆、拉伸机构和拉力传感器，所述电池充放电模拟装置与所述测试控制与数据处理装置形成信号连接；

所述加热测试区用于对电池隔膜进行受热温度和应力应变模拟；

所述加热器用于对所述加热测试区进行加热，并且，通过所述温控器检测并控制所述加热测试区的温度；

所述隔膜夹具用于夹持隔膜，将隔膜固定在所述加热测试区；

所述拉伸机构通过所述丝杆对夹持的隔膜进行拉伸，模拟应力应变，并且，通过所述拉力传感器检测并控制拉伸机构的拉伸强度；

所述测试控制与数据处理装置与所述温控器和所述拉伸机构信号连接，用以采集隔膜受热温度和应力应变模拟的数据。

2.根据权利要求1所述的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统，其特征在于，所述测试控制与数据处理装置包括可编程逻辑控制器和数据采集输出装置，所述电池充放电模拟装置与所述可编程逻辑控制器和所述数据采集输出装置形成电连接，并且所述可编程逻辑控制器与所述数据采集输出装置形成电连接。

3.根据权利要求1所述的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统，其特征在于，所述测试控制与数据处理装置为计算机装置，所述电池充放电模拟装置与所述计算机装置形成电连接。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统，其特征在于，所述电池充放电模拟装置的加热器、隔膜夹具和丝杆位于所述电池充放电模拟装置的加热测试区中，所述电池充放电模拟装置的温控器、拉伸机构和拉力传感器位于所述电池充放电模拟装置的加热测试区外。

5.根据权利要求4所述的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统，其特征在于，所述隔膜夹具包括第一隔膜夹具和第二隔膜夹具，待测试的锂离子电池隔膜样品通过第一隔膜夹具和第二隔膜夹具固定在所述加热测试区中。

6.根据权利要求5所述的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统，其特征在于，所述电池充放电模拟装置的温控器与所述测试控制与数据处理装置形成电连接，并与所述加热器形成电连接。

7.根据权利要求5所述的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统，其特征在于，所述电池充放电模拟装置的拉伸机构位于所述加热测试区的下方，并通过所述丝杆与第二隔膜夹具形成机械连接，并且与所述测试控制与数据处理装置形成电连接。

8.根据权利要求7所述的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统，其特征在于，所述拉伸机构为伺服电机或者步进电机。

9.根据权利要求5所述的层叠式锂离子电池隔膜力学性能模拟测试系统，其特征在于，所述电池充放电模拟装置的拉力传感器位于所述加热测试区的上方，并与第一隔膜夹具形成机械连接，并且与所述测试控制与数据处理装置形成电连接。