CN109342954A - 一种电池测试分析结构及其制造方法和电池测试分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池测试分析结构，包括封装壳、容置于封装壳内的n个依次叠放的电芯及注入到封装壳的电解液，电芯包括第一极片、第二极片及设置在第一极片和第二极片之间的隔离膜，n个电芯的隔离膜层数依次为1、2、3......n，第一极片和第二极片均设置有极耳。本发明能够实现在成品电池环境下对电池材料进行测试，减少单独针对电池原材料测量而产生的误差，并且灵活采用多个不同隔离膜层数的电芯或具有正、负极片的电芯进行堆叠，不仅能在同一个电池环境下测量电池材料的阻抗和导电率，还能高效经济且准确的分析电池材料的物理化学特性。此外，本发明还公开了一种电池测试分析结构的制造方法和电池测试分析方法。
Description
技术领域
本发明属于电池分析装置的技术领域，具体涉及一种电池测试分析结构及其制造方法和电池测试分析方法。
背景技术
如今，伴随着信息化高科技时代的来临，能源应用形态正在发生变化，可再生、无污染、小型分立的可移动高性能电源需求快速增长。各国都在大力发展绿色、高效二次电池。锂离子电池作为一种新型二次电池，具有能量密度和功率密度大、工作电压高、重量轻、体积小、循环寿命长、安全性好、绿色环保等优点，在便携式电器、电动工具、大型贮能、电动交通动力电源等方面具有广阔的应用前景。内阻是衡量锂离子电池性能的重要指标之一，它决定了锂离子电池的循环性能和倍率性能，而正负极材料和隔离膜的电导率很大程度上决定了电池的内阻，所以正负极材料和隔离膜的电导率是电芯厂和原材料厂重点关注性能参数。
现有的测试方法，均是将正负极材料和隔离膜脱离体系，分隔开来进行电导率测试，其测量结果并不能完全体现出正负极和隔离膜在相应体系中的电导率。其中，中国专利文献公开了一种锂电池极片和隔离膜电导率的测量方法及***(公开号：CN 108318822A)，包括：用待测电池样品制作，n个限域型软包对称电池，n个限域型软包对称电池的隔离膜层数依次为1、2、3、4......n；测量n个限域型软包对称电池的内阻，记为R1、R2、R3.....Rn；将n个限域型软包对称电池的内阻与其隔离膜层数进行线性拟合得到斜率b和截距a；根据公式计算出隔离膜电导率K和极片电导率k。上述的方案在一定程度上能计算隔离膜电导率的精度，但是这种方案至少还存在以下缺陷：第一，该方法需要制备多组含有不同隔离膜层数的对称电池；第二，不同环境下的对称电池存在差异，导致测量结果存在较大误差；第三，需要重复测试多组对称电池，工作效率较低。
发明内容
本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，提供一种电池测试分析结构，能够实现在成品电池环境下对电池材料进行测试，减少单独针对电池原材料测量而产生的误差，并且灵活采用多个不同隔离膜层数的电芯或具有正、负极片的电芯进行堆叠，不仅能在同一个电池环境下测量电池材料的阻抗和导电率，减少多组电池样品产生的误差，还能高效经济且准确的分析电池材料的物理化学特性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电池测试分析结构，包括封装壳、容置于所述封装壳内的n个依次叠放的电芯及注入到所述封装壳的电解液，所述电芯包括第一极片、第二极片及设置在所述第一极片和所述第二极片之间的隔离膜，n个所述电芯的所述隔离膜层数依次为1、2、3......n，所述第一极片和所述第二极片均设置有极耳。因为在成品电池环境下测量电池材料的物理化学特性比单独测量电池材料的准确性更高，并且在一个电池环境下，电解液的成分和温度变化基本相同，所以将n个不同隔离膜层数的电芯依次叠放，并放在同一个封装壳组成电池测试分析机构，能够保证不同隔离膜层数的电芯是在相同环境下测量阻抗，降低电解液对测试结果造成的影响，而且制造一个电池分析装置成本更低，满足降低成本的同时，也能提高测试效率。
作为本发明所述的一种电池测试分析结构的一种改进，所述第一极片、所述隔离膜和所述第二极片通过叠片工艺或卷绕工艺形成所述电芯。叠片工艺和卷绕工艺均是制作电池的常用工艺，叠片工艺相对操作简单，两者均能达到相同的效果。
作为本发明所述的一种电池测试分析结构的一种改进，所述第一极片和所述第二极片的基材为铜箔、铝箔和镍箔中的一种。除了铜箔、铝箔和镍箔，还包括其他待进行性能测试的材料，通过电池测试分析装置，有助于找出合适的电池材料。
作为本发明所述的一种电池测试分析结构的一种改进，所述隔离膜是PP材质多孔膜、PE材质多孔膜或PP和PE的复合多孔膜。
作为本发明所述的一种电池测试分析结构的一种改进，至少一个所述电芯的所述第一极片和所述第二极片均为正极片、负极片、铜箔基材、铝箔基材或镍箔基材。
作为本发明所述的一种电池测试分析结构的一种改进，至少一个所述电芯的所述第一极片和所述第二极片分别为正极片和负极片；和/或至少一个所述第一极片和所述第二极片分别为铜箔基材和铝箔基材。
本发明的目的之二在于提供了一种电池测试分析结构的制造方法，包括如下步骤：
1)将极耳分别焊接在n个第一极片和第二极片，然后在第一极片和第二极片之间放入(1-n)层的隔离膜，并依次叠加或卷绕形成n个电芯；
2)将n个电芯进行堆叠，若是正极片和负极片进行堆叠，则在两者之间放入一层隔离膜；
3)最后经过封装、干燥、注液和除气制得电池测试分析结构。
本发明的制造方法中，步骤1)中，由于在确保电池的其他因数不变的情况下，第一极片和第二极片之间的阻抗随隔离膜的层数增多而增大，所以在第一极片和第二极片中放入不同层数的隔离膜，有助于减少单独测量极片和隔离膜带来误差，同时在第一极片和第二极片焊接极耳，有助于测试两者之间的阻抗；步骤2)中，将n个电芯进行堆叠，无需制造多个不同层数的对称电池，有助于简化生产步骤，同时能够降低生产成本，还能加快测试速度。
本发明的目的之三在于提供了一种电池测试分析的方法，包括如下步骤：
S1、准备一电池测试分析结构；
S2、分别测量n个电芯的两端极耳的阻抗值；
S3、将n个电芯对应的阻抗值与其隔离膜层数进行线性拟合，绘制得到阻抗值随隔离膜层数的变化曲线；
S4、根据阻抗值随隔离膜层数的变化曲线，得出斜率，即为隔离膜的离子阻抗R；
S5、根据公式计算出隔离膜离子电导率；
所述公式为：其中ρ为隔离膜离子电导率，L为隔离膜厚度，S为隔离膜的有效面积。
作为本发明所述的一种电池测试分析的方法的一种改进，步骤S2中，所述阻抗值的测量仪器为内阻仪或电化学工作站。
本发明的测试分析方法中，步骤S1中，除了准备电池分析结构，还包括测试仪器和连接线；步骤S3，由于电芯只是隔离膜层数不同，其他因素基本不变，有利于在测试过程中对多组阻抗和隔离膜的层数进行线性拟合计算，从而得出两者变化曲线；步骤S5中，隔离膜厚度和隔离膜的有效面积均可以通过单独测量隔离膜得出，隔离膜离子电导率若采用单独测量隔离膜，其误差范围较大，不利于对电池进行测试分析，而采用在电池测试分析装置内测量，能提高计算结果的精度。
还提供了一种电池测试分析的方法，包括如下步骤：
a、分别测量n个电芯的两端极耳的阻抗值；
b、根据阻抗值，对正极片、负极片及电池的阻抗进行分析判断。
本发明的测试分析方法中，步骤a中，通过内阻仪或电化学工作站测量电芯两端极耳的阻抗值；步骤b中，通过堆叠具有正、负极片的电芯，构成一个完整的电池，不仅完成测量正、负极片的阻抗，同时完成电池的DCR分解，还能获得电池的不同部位的阻抗占整个电池中的比例，为低阻抗电池的研发提供方向。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电芯堆叠的结构示意图；
图3为本发明的第一极片、第二极片和隔离膜的结构示意图；
图4为本发明中实施例7的阻抗与隔膜层数的线性拟合图；
其中：1-电芯；11-第一极片；12-第二极片；13-隔离膜；5-极耳。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1～3所示，一种电池测试分析结构，包括封装壳、容置于封装壳内的n个依次叠放的电芯1及注入到封装壳的电解液，电芯1包括第一极片11、第二极片12及设置在第一极片11和第二极片12之间的隔离膜13，n个电芯1的隔离膜13层数依次为1、2、3......n，第一极片11和第二极片12均设置有极耳5。因为在成品电池环境下测量电池材料的物理化学特性比单独测量电池材料的准确性更高，并且在一个电池环境下，电解液的成分和温度变化基本相同，所以将n个不同隔离膜13层数的电芯1依次叠放，并放在同一个封装壳组成电池测试分析机构，能够保证不同隔离膜13层数的电芯1是在相同环境下测量阻抗，降低电解液对测试结果造成的影响，而且制造一个电池分析装置成本更低，满足降低成本的同时，也能提高测试效率。
优选的，第一极片11、隔离膜13和第二极片12通过叠片工艺或卷绕工艺形成电芯1。叠片工艺和卷绕工艺均是制作电池的常用工艺，叠片工艺相对操作简单，两者均能达到相同的效果。
优选的，第一极片11和第二极片12的基材为铜箔、铝箔和镍箔中的一种。除了铜箔、铝箔和镍箔，还包括其他待进行性能测试的材料，通过电池测试分析装置，有助于找出合适的电池材料。
优选的，隔离膜13是PP材质多孔膜、PE材质多孔膜或PP和PE的复合多孔膜。隔离膜为微孔性及多孔性薄膜，能够隔离正负极板，防止电池内部正负极短路，材质以PP、PE为主，然而不同材质的隔离膜13具有不同离子电导率，通过电池测试分析装置，有助于找出合适的隔离膜13材料。
优选的，n个电芯1的第一极片11和第二极片12均为正极片、负极片、铜箔基材、铝箔基材或镍箔基材。根据测试的需求，可以采用正极片、负极片、铜箔基材、铝箔基材或镍箔基材，且不影响测试隔离膜13的离子电导率，只需保证隔离膜13材质不变。
需要说明的是：不同的电芯1叠加结构设计，可以得出不同的电池测试分析结构，而不同的测试分析结构对应不同的测试项目，同时用户也可以根据测试项目的需求对电芯1的结构进行设置，下面实施例2～5对不同功能的电池测试分析结构进行举例说明。
实施例2
与实施例1不同的是：本实施例至少一个电芯1的第一极片11和第二极片12均为正极片。如其中一个电芯1的第一极片11和第二极片12为正极片，其余电芯1的第一极片11和第二极片12为负极片，可以用来测试隔离膜13的离子电导率和正、负极片的阻抗；需要说明的是，仅以上述功能的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要进行设置，用来测量正极片和铜箔基材的阻抗、正极片和铝箔基材的阻抗、或正极片和镍箔基材的阻抗。
其他结构与实施例1相同，这里不再赘述。
实施例3
与实施例1不同的是：本实施例至少一个电芯1的第一极片11和第二极片12均为负极片。如其中一个电芯1的第一极片11和第二极片12为负极片，其余电芯1的第一极片11和第二极片12为正极片，可以用来测试隔离膜13的离子电导率和正、负极片的阻抗；需要说明的是，仅以上述功能的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要进行设置，用来测量负极片和铜箔基材的阻抗、负极片和铝箔基材的阻抗、或负极片和镍箔基材的阻抗。
其他结构与实施例1相同，这里不再赘述。
实施例4
与实施例1不同的是：本实施例至少一个电芯1的第一极片11和第二极片12分别为正极片和负极片。如其中一个电芯1的第一极片11和第二极片12为正极片，另一个电芯1的第一极片11和第二极片12为负极片，其余电芯1的第一极片11和第二极片12分别为正极片和负极片，构成一个完整的电池，可以用来测试正、负极片的阻抗和一个完整电池的阻抗；需要说明的是，仅以上述功能的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要进行设置，只需确保至少一个电芯1的第一极片11和第二极片12分别为正极片和负极片，可构成一个完整的电池结构。
其他结构与实施例1相同，这里不再赘述。
实施例5
与实施例1不同的是：本实施例至少一个电芯1的第一极片11和第二极片12分别为正极片和负极片；和至少一个第一极片11和第二极片12分别为铜箔基材和铝箔基材。如其中一个电芯1的第一极片11和第二极片12为正极片，其中一个电芯1的第一极片11和第二极片12为负极片，其中一个电芯1的第一极片11和第二极片12分别为正极片和负极片，其中一个电芯1的第一极片11和第二极片12均为铜箔基材，其中一个电芯1的第一极片11和第二极片12均为铝箔基材，其中一个电芯1的第一极片11和第二极片12分别为铜箔基材和铝箔基材，构成一个完整的电池，可以用来测试正、负极片的阻抗和一个完整电池的阻抗；需要说明的是，仅以上述功能的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要进行设置，需确保在同一个电芯1的第一极片11和第二极片12能够自发进行氧化、还原等化学反应，如电芯1的第一极片11和第二极片12分别为铜箔基材和铝箔基材，也可构成一个完整的电池结构。
其他结构与实施例1相同，这里不再赘述。
实施例6
如图1～3所示，一种实施例1～5的电池测试分析结构的制造方法，包括如下步骤：
1)将极耳5分别焊接在n个第一极片11和第二极片12，然后在第一极片11和第二极片12之间放入(1-n)层的隔离膜13，并依次叠加或卷绕形成n个电芯1；
2)将n个电芯1进行堆叠，若是正极片和负极片进行堆叠，则在两者之间放入一层隔离膜13；
3)最后经过封装、干燥、注液和除气制得电池测试分析结构。
还需要说明的是：本发明的制造方法中，步骤1)中，由于在确保电池的其他因数不变的情况下，第一极片11和第二极片12之间的阻抗随隔离膜13的层数增多而增大，所以在第一极片11和第二极片12中放入不同层数的隔离膜13，有助于减少单独测量极片和隔离膜13带来误差，同时在第一极片11和第二极片12焊接极耳5，有助于测试两者之间的阻抗；步骤2)中，将n个电芯1进行堆叠，无需制造多个不同层数的对称电池，有助于简化生产步骤，同时能够降低生产成本，还能加快测试速度。
实施例7
如图1～4所示，一种实施例1～3的电池测试分析的方法，包括如下步骤：
S1、准备一电池测试分析结构；
S2、分别测量n个电芯1的两端极耳5的阻抗值；
S3、将n个电芯1对应的阻抗值与其隔离膜13层数进行线性拟合，绘制得到阻抗值随隔离膜13层数的变化曲线；
S4、根据阻抗值随隔离膜13层数的变化曲线，得出斜率，即为隔离膜13的离子阻抗R；
S5、根据公式计算出隔离膜13离子电导率；
公式为：其中ρ为隔离膜13离子电导率，L为隔离膜13厚度，S为隔离膜13的有效面积。
上述步骤中，阻抗值的测量仪器为内阻仪或电化学工作站。
还需要说明的是：本发明的测试分析方法中，步骤S1中，除了准备电池分析结构，还包括测试仪器和连接线；步骤S3，由于电芯1只是隔离膜层数13不同，其他因素基本不变，有利于在测试过程中对多组阻抗和隔离膜13的层数进行线性拟合计算，从而得出两者变化曲线；步骤S5中，隔离膜13厚度和隔离膜13的有效面积均可以通过单独测量隔离膜13得出，隔离膜13离子电导率若采用单独测量隔离膜，其误差范围较大，不利于对电池进行测试分析，而采用在电池测试分析装置内测量，能提高计算结果的精度。
实施例8
如图1～3所示，一种实施例4-5的电池测试分析的方法，包括如下步骤：
a、分别测量n个电芯1的两端极耳5的阻抗值；
b、根据阻抗值，对正极片、负极片及电池的阻抗进行分析判断。
还需要说明的是：本发明的测试分析方法中，步骤a中，通过内阻仪或电化学工作站测量电芯1两端极耳5的阻抗值；步骤b中，通过堆叠具有正、负极片的电芯1，构成一个完整的电池，不仅完成测量正、负极片的阻抗，同时完成电池的DCR分解，还能获得电池的不同部位的阻抗占整个电池中的比例，为低阻抗电池的研发提供方向。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种电池测试分析结构，其特征在于：包括封装壳、容置于所述封装壳内的n个依次叠放的电芯(1)及注入到所述封装壳的电解液，所述电芯(1)包括第一极片(11)、第二极片(12)及设置在所述第一极片(11)和所述第二极片(12)之间的隔离膜(13)，n个所述电芯(1)的所述隔离膜(13)层数依次为1、2、3......n，所述第一极片(11)和所述第二极片(12)均设置有极耳(5)。
2.如权利要求1所述的一种电池测试分析结构，其特征在于：所述第一极片(11)、所述隔离膜(13)和所述第二极片(12)通过叠片工艺或卷绕工艺形成所述电芯(1)。
3.如权利要求1所述的一种电池测试分析结构，其特征在于：所述第一极片(11)和所述第二极片(12)的基材为铜箔、铝箔和镍箔中的一种。
4.如权利要求1所述的一种电池测试分析结构，其特征在于：所述隔离膜(13)是PP材质多孔膜、PE材质多孔膜或PP和PE的复合多孔膜。
5.如权利要求1所述的一种电池测试分析结构，其特征在于：至少一个所述电芯(1)的所述第一极片(11)和所述第二极片(12)均为正极片、负极片、铜箔基材、铝箔基材或镍箔基材。
6.如权利要求5所述的一种电池测试分析结构，其特征在于：至少一个所述电芯(1)的所述第一极片(11)和所述第二极片(12)分别为正极片和负极片；和/或至少一个所述第一极片(11)和所述第二极片(12)分别为铜箔基材和铝箔基材。
7.一种权利要求1～6任一项所述的电池测试分析结构的制造方法，包括如下步骤：
1)将极耳(5)分别焊接在n个第一极片(11)和第二极片(12)，然后在第一极片(11)和第二极片(12)之间放入(1-n)层的隔离膜(13)，并依次叠加或卷绕形成n个电芯(1)；
2)将n个电芯(1)进行堆叠，若是正极片和负极片进行堆叠，则在两者之间放入一层隔离膜(13)；
3)最后经过封装、干燥、注液和除气制得电池测试分析结构。
8.一种权利要求1～5任一项所述的电池测试分析的方法，包括如下步骤：
S1、准备一电池测试分析结构；
S2、分别测量n个电芯(1)的两端极耳(5)的阻抗值；
S3、将n个电芯(1)对应的阻抗值与其隔离膜(13)层数进行线性拟合，绘制得到阻抗值随隔离膜(13)层数的变化曲线；
S4、根据阻抗值随隔离膜(13)层数的变化曲线，得出斜率，即为隔离膜(13)的离子阻抗R；
S5、根据公式计算出隔离膜(13)离子电导率；
所述公式为：其中ρ为隔离膜(13)离子电导率，L为隔离膜(13)厚度，S为隔离膜(13)的有效面积。
9.如权利要求8所述的一种电池测试分析的方法，其特征在于：步骤S2中，所述阻抗值的测量仪器为内阻仪或电化学工作站。
10.一种权利要求6所述的电池测试分析的方法，包括如下步骤：
a、分别测量n个电芯(1)的两端极耳(5)的阻抗值；
b、根据阻抗值，对正极片、负极片及电池的阻抗进行分析判断。
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