電池電芯質(zhì)量檢驗(yàn)的研究

景 軍，蔣典兵，張慶祥

（1.青島市計(jì)量技術(shù)研究院，青島266100；2.青島銳捷智能儀器有限公司，青島266100）

新能源產(chǎn)業(yè)作為新興戰(zhàn)略型產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，其中的電池部分作為新能源領(lǐng)域的重要組成部分，其發(fā)展前景也對(duì)電池隔膜的技術(shù)和應(yīng)用提出新的挑戰(zhàn)。 目前，市場(chǎng)上對(duì)隔膜新材料、新技術(shù)的發(fā)展等方面多有研究，我國(guó)在鋰電池隔膜、動(dòng)力電池隔膜方面出臺(tái)了一系列的體系和制度[1]。 然而在實(shí)際生產(chǎn)中，由于不同形狀、不同容量的電芯在層數(shù)、材料和卷繞速度上的要求不同，以及車間環(huán)境（溫濕度等）的變化和粉塵顆粒（料塵、空氣中粉塵）、焊渣等不可控因素的存在，容易影響隔膜加工成型后的電芯質(zhì)量。 這些是當(dāng)前在電池生產(chǎn)過程中所普遍存在的問題。 因此，研究對(duì)部分存在安全可靠性隱患問題的電芯， 在生產(chǎn)過程中進(jìn)行有效的識(shí)別和處理，是十分必要的。

1 電池隔膜簡(jiǎn)介

電池主要由正極材料、負(fù)極材料、電池隔膜、電解液和電池殼組成[2]。 電池隔膜作為電池正極、負(fù)極之間的一種隔膜，其材質(zhì)要有良好的絕緣性，從而將電池內(nèi)部的正負(fù)極隔開，防止電池短路[3]，它對(duì)電池的安全性能有著非常重要的作用。

隔膜的材質(zhì)對(duì)電池的性能有很大影響，電池的種類不同，所采用的隔膜材料也不相同。 作為電池的重要原材料，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)隔膜技術(shù)的發(fā)展不盡相同，但發(fā)展的主要趨勢(shì)依然是隔膜安全性的提升[2]。

電池在線檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外均已取得一定的成就[4]，主要是通過對(duì)電池內(nèi)阻的檢測(cè)來(lái)反應(yīng)電池的健康狀況[5]。 測(cè)試方法為電池檢測(cè)提供了技術(shù)支撐，主要有直流電阻測(cè)試法、脈沖測(cè)試法、交流阻抗圖譜法等。 電池的容量、循環(huán)特性、安全性能等都與隔膜的特性息息相關(guān)[6]，越來(lái)越多的電池事故使得電池的安全性愈發(fā)重要，日益廣泛的應(yīng)用也對(duì)電池生產(chǎn)的安全性能和品質(zhì)提出了更高的要求。 電芯作為電池的一個(gè)重要組成部分，對(duì)其技術(shù)發(fā)展和未來(lái)期望都給予了充分的重視。 隨著隔膜技術(shù)的迅速發(fā)展，隔膜加工成型后的電芯安全也將成為研究的主要內(nèi)容，其質(zhì)量的在線檢測(cè)成為目前的研究重點(diǎn)。

2 電芯質(zhì)量檢驗(yàn)

隔膜加工成型后形成的電芯是電池的核心，一般使用性價(jià)比高的電池卷繞機(jī)對(duì)隔膜卷繞成型。 電池卷繞設(shè)備根據(jù)自動(dòng)化程度、卷繞工位、電池形狀等不同分為多種。 在此以方形半自動(dòng)動(dòng)力電池卷繞設(shè)備對(duì)隔膜卷繞成型后的卷芯為例進(jìn)行分析。

卷繞設(shè)備驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輸入軸連接2 組同步輪帶動(dòng)針套轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到兩卷針同步， 實(shí)現(xiàn)電芯的卷繞。 電池隔膜卷芯如圖1所示，由正極片、負(fù)極片和2 層隔膜依次疊放，卷繞多層后形成。 正負(fù)極上分別焊有極耳，形成電池卷芯的正負(fù)極，極片由隔膜分開以防止接觸。

圖1 電池隔膜卷芯的構(gòu)成Fig.1 Composition of battery diaphragm core

在電池隔膜卷繞環(huán)節(jié)，隔膜隨著卷針轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，一方面由于蛇形運(yùn)動(dòng)[7]致使電芯出現(xiàn)卷繞歪斜等現(xiàn)象，隔膜邊緣縮小，導(dǎo)致電芯中的正負(fù)極直接接觸，電芯短路。 另一方面，由于生產(chǎn)環(huán)境等不可控因素的存在，例如空氣環(huán)境不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致粉塵或者其它尖銳的雜物附著在電芯隔膜上， 刺穿隔膜，有可能導(dǎo)致極片損傷、隔膜破損等情況發(fā)生，造成電芯內(nèi)部短路。 如果未能將這些次品從良品電芯中排查出來(lái)，在使用過程中次品電芯的微短路處會(huì)緩慢發(fā)熱，致使臨近的隔膜逐漸老化，使得層間短路，最終可能導(dǎo)致電池爆炸。 因此，對(duì)隔膜加工成型后的電芯進(jìn)行生產(chǎn)線上的質(zhì)量檢驗(yàn)，是非常必要的。

2.1 絕緣電阻表測(cè)試

目前，對(duì)卷芯質(zhì)量的在線檢測(cè)一般采用絕緣電阻表連接極耳， 對(duì)卷芯進(jìn)行絕緣阻值測(cè)試的方法。當(dāng)絕緣電阻表啟動(dòng)測(cè)試時(shí)， 輸出電壓施加于極耳，根據(jù)歐姆定律，通過檢測(cè)流過電芯的漏電流計(jì)算出絕緣阻值。 根據(jù)絕緣電阻表的測(cè)試原理，其測(cè)試物理模型為“純阻性”時(shí)，可快速測(cè)試出被測(cè)品的絕緣電阻。 純阻性被測(cè)品理論測(cè)試過程如圖2 所示，因無(wú)容性負(fù)載的耦合作用影響，電壓、電流和電阻理論變化過程與實(shí)際測(cè)試過程基本一致。

圖2 絕緣電阻表理論測(cè)試過程Fig.2 Theoretical testing process of Insulation resistance meter

在實(shí)際測(cè)試過程中，測(cè)試準(zhǔn)確性和時(shí)間是由被測(cè)品的阻容特性所決定的。 在測(cè)試“電容特性”較為突出的容阻性負(fù)載時(shí)，因電容本身的儲(chǔ)能和耦合特性的存在，電流變化會(huì)在主脈絡(luò)上存在較為頻繁的劇烈波動(dòng)。 容性+阻性被測(cè)品實(shí)際測(cè)試過程如圖3所示，在電壓穩(wěn)定輸出的情況下，由于電流頻繁地變化波動(dòng)，導(dǎo)致電阻值發(fā)生波動(dòng)。

圖3 絕緣電阻表實(shí)際測(cè)試過程Fig.3 Actual test process of Insulation resistance meter

使用絕緣電阻表對(duì)電芯進(jìn)行測(cè)試時(shí)，在加壓過程中，充電電流會(huì)存在一個(gè)“瞬時(shí)沖擊很大，而后逐漸震蕩衰弱”的過程，絕緣電阻表在測(cè)試過程中通過取平均值的方法去忽略掉那些較為頻繁的劇烈波動(dòng)，且由于測(cè)試時(shí)間為秒量級(jí)，響應(yīng)速度慢，只能通過測(cè)試所得到的阻值對(duì)電芯質(zhì)量粗略地加以區(qū)分，而對(duì)于電芯內(nèi)部的瞬間放電過程則無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確描述，因而電芯內(nèi)部存在的微損傷、微短路等無(wú)法進(jìn)行有效識(shí)別。

使用絕緣電阻表對(duì)A，B，C 這3 塊電芯（如圖4所示）進(jìn)行測(cè)試。已知，A 為良品電芯，B 為微短路電芯，C 為不合格（嚴(yán)重短路）電芯。

圖4 3 塊測(cè)試用電芯Fig.4 Three test cores

使用絕緣電阻表分別對(duì)圖4 所示電芯施加200 V 電壓，測(cè)試時(shí)間均為5 s，阻值的測(cè)試結(jié)果如下：電芯A，（50～60）MΩ；電芯B，（50～60）MΩ；電芯C，0.02 MΩ。 良品電芯A 和微短路電芯B 的絕緣電阻值均在（50～60）MΩ 之間波動(dòng)，不合格電芯C 的阻值僅為0.02 MΩ。由此可知，使用絕緣電阻表進(jìn)行測(cè)試，可以有效地區(qū)分出良品電芯與不合格（嚴(yán)重短路）電芯，但無(wú)法有效地識(shí)別微短路電芯。

2.2 脈沖式電芯微短路測(cè)試儀測(cè)試

為了解決微短路電芯的識(shí)別與判斷，采用脈沖式電芯微短路測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試分析。 電芯在高壓的激勵(lì)下，因短路或微短路而發(fā)生異常放電時(shí)，儀器會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到相應(yīng)的電壓變化，并隨之做出相應(yīng)的判斷和狀態(tài)輸出。分別對(duì)A，B，C 這3 塊電芯進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 脈沖式電芯微短路測(cè)試儀的測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of pulse core micro-short circuit tester

圖中，Vp 為被測(cè)品實(shí)際脈沖電壓爬升值；Vd1為被測(cè)品在脈沖爬升過程中檢測(cè)到的放電參數(shù)；Vd2 為被測(cè)品在脈沖峰值狀態(tài)檢測(cè)到的放電參數(shù)。Vp，Vd1，Vd2 均由被測(cè)品的優(yōu)良狀態(tài)決定。

由圖5b 可見，電芯B 不合格（NG）而觸發(fā)報(bào)警，脈沖波形伴隨打火、放電的過程劇烈抖動(dòng)，觸發(fā)了Vd1 和Vd2 報(bào)警條件。 此類報(bào)警多為正負(fù)極因粉塵擊穿、材料不均導(dǎo)致穿刺擊穿、金屬屑導(dǎo)致負(fù)極與殼體擊穿、邊沿毛刺導(dǎo)致?lián)舸┓烹姟?電芯C 不合格（NG）報(bào)警，是因?yàn)殡娦敬嬖趪?yán)重短路。

綜上，由絕緣電阻表和脈沖式電芯微短路測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果可知，脈沖式電芯微短路測(cè)試儀可以有效識(shí)別電芯內(nèi)部微損傷、 微短路等問題的存在，對(duì)于電芯的質(zhì)量檢測(cè)起到重要作用。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)電芯進(jìn)行在線檢測(cè)，可以有效提高電池生產(chǎn)質(zhì)量，很大程度地避免電池在后工段出現(xiàn)嚴(yán)重自放電、冒煙起火等問題，安全程度更高。 同時(shí)，由于在電池加工過程中剔除了不合格品，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，加強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。