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极片电阻测试方法探究-单探针&两探针&四探针

作者:元能科技(厦门)有限公司 浏览: 发表时间:2022-03-04 10:49:14

极片作为电池生产中重要的一个环节,其性能的好坏直接影响后面工序的稳定以及电芯的性能及安全性,所以对极片性能的评估显得尤为作用,其中极片电阻作为评估极片性能一个重要指标,在电池研发和生产中占据不可替代的地位。目前评估极片电阻常用的方法有单探针法、两探针法、四探针法以及多探针法等;其中单探针法装置是固定端子的一端置于样品上,另一端连接样品来测试电阻,两探针法是将端子置于样品上下两端测试,四探针法是将四根探针置于样品表面测试。本文主要探究单探针法测试箔材及极片电阻,单探针法与其他测试方法对箔材及极片电阻率的差异。

实验设备与测试方法

1、实验设备:

单探针装置,如图1(a)所示,两探针的装置如图1(b)所示。

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图1. (a)单探针法装置


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图2. (b)两探针法结构图

2、测试方法:

单探针法一端固定电阻仪,另一端移动端子测试样品电阻;可控压的单探针装置将一端固定在可控压设备上,另一端置于在样品边缘,同时在MRMS软件上设置测试压强、保压时间等参数,开始测试,软件自动读取极片厚度、电阻、电阻率、电导率等数据。

实验数据分析

1、单探针法控压&未控压测试电阻对比

取铝箔、铜箔、正极片、负极片分别用两种不同的单探针装置测试10组数据,从图中可以看出,简单的单探针法不管是测试箔材或者是极片电阻,其COV值都大于可控压的装置,最大的能达60%以上,测试的阻值波动性大,这是由于简单装置的单探针无法固定压力,每次测试的接触电阻也不相同,所以测试的误差大于可控压的装置。

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图2. (a)单探针-箔材控压&未控压电阻对比

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图2. (b)单探针-极片控压&未控压电阻对比 

2、可控压的单探针法、两探针法、四探针法测试样品电阻率对比分析
取铝箔、铜箔、正极片、负极片分别用三种不同测试方法测试10组数据,从图中可以看出,对于箔材而言,电阻率的比较:单探针法>两探针法>四探针法,同样对于极片电阻率来看,趋势也是单探针法>两探针法>四探针法。

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图4. (a)不同测试方法-箔材电阻率对比


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图4. (b)不同测试方法-极片电阻率对比


分析三种测试方法测出的电阻率的差异,这可能是与不同方法测试时,探针与极片表面的接触电阻不同,且不同测试方法测试时电子传导路径不一致。单探针法的电子传输路径经由涂层传向涂层与集流体的界面,然后再传向集流体,再经过横向的集流体传向测试电极的另一端,因此会比上下两探针的方法多了一项横向集流体的电子传输,而四探针测试时,分离的电流和电压电极,消除了布线和探针接触电阻的阻抗,因此测出的电阻率的绝对值是最小的。

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图5. 三种测量方法示意图

测试原理分析

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图6. 四探针法测试原理图

6为四探针法测试电阻原理图,假设四端子布线和探针的接触电阻分别为 Rc1、Rc2、Rc3、Rc4;恒定电流源通过端子#14#对样品施加电流Is(电流表读数)。如果电压表内阻为 Rg,电压表支路电流为 Ig,电压表电压读数为Vg= Rg* Ig;2#和3#端子之间的待测电阻为 Rs,那么待测电阻支路电流为 Is-Ig,待测电阻两端电压为 Vs;则有: 

由电压表支路计算,端子2#和3#之间的电压为:图片

由待测电阻支路计算,端子2#和3#之间的电压也可以表示为:

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此时,若 Rg+Rc2+Rc3>>Rs,则有 Is>>Ig,则 Is≈Is-Ig

 Rg>>Rc2+Rc3,则有 Vs≈Ig*Rg=Vg

那么,根据电流和电压表读数计算的电阻R=Vg/Is ≈ Vs/( Is-Ig)=Rs

故根据电流和电压表读数计算的电阻几乎与实际测量的电阻值相等,相当于测试出了待测样品的电阻绝对值。然后根据探针的尺寸规格和测试样品尺寸计算材料的电阻率。总之,四探针法中分离的电流和电压电极,消除了布线和探针接触电阻的阻抗。其关键在于电压表内阻足够大,使其支路电流以及线路接触端子压降的影响可以忽略。电压检测的两探针须与电流源两探针分离,因电压检测两探针所接之处,两点之间所有的主回路电阻都将计入测量电阻。但是如果待测样品电阻很大,可能很难保证电压表内阻远大于待测样品,及即Rg+Rc2+Rc3>>Rs可能不成立,此时测量结果可能误差比较大。因此,四探针法由于消除了探针和样品(压实的片或涂层)之间的接触电阻,常用于确定电池极片的电子电导的绝对值。大部分四探针方法选择将电极材料的浆料涂覆薄层或适当厚度于绝缘基底上,而非铝箔等集流体材料。这种在绝缘基底上的涂层是为了避免基底方向的支流,从而精准测试电极材料的电阻。如果基底为集流体材料,通过调节探针距离等方法避免支路电流,所得到的结果也可以描述涂层的电阻。但是,电池实际应用中的电极涂层相对较厚(60~150 μm),四探针法仅得到部分涂层的电阻贡献,而忽略了极片的涂层梯度,无法全面表征极片电阻值。而且电流传输的方向和涂层平行,不同于实际电池中垂直涂层的电流传输方向,也忽略了基底和涂层的界面电阻,而不是极片的真实情况。而两探针方法由于测试结果包括探针、探针与涂层的接触电阻,因此无法测量极片电阻率的绝对值,而且加载压力和电流大小等测试参数对结果的影响比较大,对于电阻较高的正极极片,加载电流较小时就能得到稳定结果,而对于低电阻的石墨电极或箔材,加载电流相对较高才能得到稳定结果。加载压力升高,箔材或电极电阻率降低,达到一定压力以上,测试结果才能与压力无关。但是其包含一些优点:测试过程电子传导路径与实际电池应用时基本相同,一个总的测试值包含了集流体、集流体与涂层界面和涂层本身各个部分的电子传导特性,可以快速研究配方、工艺对极片电阻率的影响。

实验总结

本文通过探究单探针法控压与未控压测试样品电阻的差异性,发现压力对电阻数据的稳定性有显著影响,因此测试人员一定要注意测试压力的大小及稳定性。对比三种原理的测试方法测试样品电阻率的差异性,发现其测出的电阻绝对值相差较大,从实际极片的应用及测试操作便利性方面考虑,建议选择上下两探针的方式测试极片的穿透内阻,可以快速研究配方、工艺对极片电阻率的影响。



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