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電芯膨脹-壓力分布系統快速表征電芯初始平整度

作者:元能科技(廈門)有限公司 瀏覽: 發表時間:2022-08-08 11:01:53


在現有技術中,測量軟包電芯平整度的方法主要是肉眼觀察法、千分尺測厚或激光掃描法。肉眼觀察法即我們俗稱的目測法,就是利用可見光觀察電芯的表面狀態,是一種粗糙的不可定量的觀察方法,利用可見光觀察雖然快捷,但是無法定量的給出電芯的平整度的差異。激光掃描法是利用光學設備,將電芯的整個輪廓掃描後製作成3D模型,然後計算整體的厚度值與斷面的厚度值的差值,雖然可以定量測量,但是設備昂貴,應用有限¹。也有研究人員通過仿真模擬了模組電芯的表面力分布mapping,也可看出明顯的壓力分布不均的現象,這一方面與電芯初始的平整度有關,另一方面也與後續充放電過程中電流密度分布不均導緻的應力分布差異有關²。本文運用電芯壓力分布系統(BPD1000)監控電芯不同位置的壓力分布情況,從而快速量化評不同尺寸電芯的平整度。

圖1. 仿真模擬模組電池的應力分布²



實驗設備與測試方法

1.測試設備原位膨脹測試系統SWE2110,電芯壓力分布系統,型號BPD1000(IEST元能科技),可施加最大壓強約為8.8MPa。

圖2. 電芯壓力分布測試示意圖

2.測試參數

2.1 電芯信息如表1所示。

表1. 電芯信息

2.2 測試流程將電芯置於原位膨脹分析儀(SWE2110)測試腔中,同時把壓力分布膜平鋪於電芯表面,設置恒間隙模式,調節恒間隙壓力300kg(即給電芯施加300kg外力), 開啟壓力分布系統(BPD1000)采集並顯示電芯表面壓力分布數據。



結果分析

使用壓力分布系統(BPD1000)分別測試如下三款電芯壓力分布情況,按9.5*9.5mm 劃分成各個小區域,並用色階顯示電芯各區域受力情況,結果如圖3所示:三款電芯都受力分布都不一緻,若把各個區域受力算術和,會發現總力會小於300kg,這主要是由於各個薄膜傳感器排布時之間存在間隙,並且間隙處壓力未統計有關。

圖3. 電芯充放電電壓和壓力變化曲線

進一步分析電芯表面不同位置的平整度原因,如圖4所示,3#電芯頭尾部壓力是因為鋁箔衝坑尺寸較極片有較大的餘量,頭尾部下陷無壓力,另外有貼收尾膠紙的位置,都表現出較大的壓力,這很可能是導緻其不平整的重要因素之一。

圖4. 3#電芯壓力分布與實物對照

分析2#電芯壓力分布情況如圖5所示:可明顯看出正負極極耳位置受力明顯,並且邊緣無貼膠紙位置基本不受力,因此極耳厚度規格和膠紙貼附很可能是影響2#電芯平整的重要因素之一。

圖5. 2#電芯壓力分布與實物對照

對於1#電芯則並沒有表現出與2#和3#電芯類似的關聯性,說明除了膠紙和極耳因素外,還有其它設計方面更深層次的因素。相關技術人員可以據此進行更深層次的分析。

圖6. 1#電芯壓力分布與實物對照

設定初始壓力300kg,在恒定間隙模式下測量電芯表面的壓力情況。這種情況下,電芯厚度不均勻就會導緻測試壓力分布不均勻。電芯產生厚度或壓力分布不均勻的原因主要包括:(1) 極片厚度不均勻性導緻電芯不平整,一般正負極極片厚度為100-200μm,如果正負極極片厚度偏差大於5μm,正負極極片疊片數量共41片,則厚度偏差可以達到0.2mm;(2) 隔膜、鋁塑膜等部件厚度不均勻導緻電芯不平整;(3) 終止膠帶會導緻電芯不平整;(4) 電芯疊片過程中,極片和隔膜疊合不緊密,存在的空隙導緻的不平整。一般疊片之後電芯會進行熱壓平整形處理,熱壓整形可以使極片和隔膜疊合更緊密,降低空隙,從而降低電池內阻,同時也會提高電芯厚度的均勻性;(5) 電芯注液封口工藝過程中,真空度較低,封口抽真空不完全,鋁塑膜內存在氣體也會導緻電芯厚度不均勻;(6) 導電劑和粘結劑吸液後發生溶脹,會使電芯厚度增加,如果導電劑和粘結劑在極片內分布不均勻,也可能導緻電芯厚度不均勻;(7) 電解液在預充化成老化過程中發生分解,產生氣體也可能導緻電芯厚度不均勻。

電芯厚度不均勻時,在充放電過程中會導緻極片受到不同的鋁塑膜外殼壓力作用,可能導緻充放電狀態的不均勻性,降低電池的容量和穩定性。因此,電芯在設計和生產製造中需要控製平整度,提高電芯一緻性。特別需要注意的工藝包括:(1) 極片塗布和輥壓厚度控製,提高厚度均勻性;(2) 合適的熱壓工藝提高厚度均勻性;(3) 鋁塑膜衝殼和組裝工藝確保電芯平整度;(4) 注液封口工藝確保去除內部空氣和電解液的均勻性。



總結

本文通過采用電芯壓力分布系統(BPD1000)表征了三款不同體系電芯壓力分布情況,從而表征電芯表面平整度。從結果分析電芯工藝設計與電芯壓力分布(平整度)存在一定的關聯性,技術人員可以通過壓力分布系統製定合適的的分布標準,用於監控出貨電芯批次穩定性。



參考文獻

1. 暴旭 任正鑫 鄭彥俊 馬華 劉峰 王馳偉. 定量確定電芯平整度的方法 [P] . 中國:CN112665548B,2022.5.

2.Yongkun Li, Chuang Wei, Yumao Sheng, Feipeng Jiao, and Kai Wu. Swelling Force in Lithium-Ion Power Batteries,Ind. Eng.Chem. Res,2020, 59, 27, 12313–12318.




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