电池隔膜抗穿刺性能测试方法及测试装置与流程

1.本发明实施例涉及电池隔膜技术领域，特别涉及一种电池隔膜抗穿刺性能测试方法及测试装置。


背景技术：

2.锂离子电池隔膜属于锂离子电池四大主材(正极、负极、电解液、隔膜)中的一种，起到隔绝正负极，导通锂离子的作用。如果隔膜在电池制造或使用过程中被刺穿或破损，将会导致电池正负极直接接触，发生内短路，严重的可引发热失控。所以隔膜的抗穿刺能力对电池安全十分重要。在锂离子电池中可能导致隔膜被刺穿的因素主要包括：1)电池装配过程中，隔膜或电极上可能会有粉尘、毛刺等异物会刺穿隔膜；2)锂电池在长期使用过程中内部产生的锂枝晶可能刺穿隔膜；3)锂电池长期使用后正负极颗粒产生的凸起可能刺穿隔膜。这些都要求隔膜具有一定的力学强度和抗穿刺能力，以克服物理冲击、穿刺、磨损和压缩等作用带来的破坏。
3.然而，现有的穿刺性能测试方法并不能真实反映隔膜在实际情况中的抗穿刺能力。因此亟需一种电池隔膜抗穿刺性能测试的新方法。


技术实现要素：

4.基于现有的穿刺性能测试方法并不能真实反映隔膜在实际情况中抗穿刺能力的问题，本发明实施例提供了一种电池隔膜抗穿刺性能测试方法及测试装置，能够真实地测试出电池隔膜的抗穿刺性能。
5.本发明实施例提供了一种电池隔膜抗穿刺性能测试方法，应用于测试装置，测试装置包括电阻测量仪以及具有导电性的载荷件、承载件、若干穿刺件，载荷件设置于待测试隔膜的上方，承载件设置于待测试隔膜的下方，若干穿刺件设置在待测试隔膜与承载件之间，电阻测量仪的两端分别与载荷件和承载件电连接；
6.方法包括：
7.确定待测试隔膜的尺寸；
8.根据待测试隔膜的尺寸，确定载荷件、承载件和穿刺件的尺寸；
9.逐渐增大对载荷件施加的压力；
10.在电阻测量仪检测到载荷件和承载件短路时，确定当前时刻对载荷件施加的刺穿压力；
11.根据刺穿压力，确定待测试隔膜的抗穿刺性能。
12.优选的，还包括：
13.保持设定压力不变；其中，设定压力小于刺穿压力；
14.逐渐升高待测试隔膜所处的环境温度；
15.在电阻测量仪检测到短路时，确定当前时刻的刺穿温度；
16.根据刺穿温度，确定待测试隔膜的抗穿刺性能。
17.优选的，根据待测试隔膜的尺寸，确定载荷件、承载件和穿刺件的尺寸，包括：
18.根据待测试隔膜的长度，确定载荷件和承载件的长度；
19.根据待测试隔膜的宽度，确定载荷件和承载件的宽度；
20.根据待测试隔膜的厚度，确定穿刺件的高度。
21.优选的，根据待测试隔膜的厚度，确定穿刺件的高度，包括：
22.穿刺件的高度不小于待测试隔膜的厚度且不大于待测试隔膜的厚度的两倍。
23.优选的，每个穿刺件的高度均相等，形状均相同。
24.优选的，每个穿刺件均匀设置于待测试隔膜和承载件之间，且每个穿刺件不团聚在一起。
25.优选的，逐渐增大对载荷件施加的压力，包括：
26.利用加压装置对载荷件施加垂直向下的压力，且加压装置与载荷件的接触面覆盖载荷件；
27.控制加压装置逐渐增大对载荷件施加的压力。
28.本发明实施例提供了一种电池隔膜抗穿刺性能测试方法及测试装置，通过对载荷件施加逐渐增大的压力，当电阻测量仪检测到载荷件和承载件短路时，根据当前的刺穿压力，评价待测试隔膜的抗穿刺性能。本方案能够根据待测试隔膜的尺寸，选择载荷件、承载件和穿刺件的尺寸，进而更真实地模拟实际情况，使待测试隔膜的抗穿刺性能更加真实准确。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是本发明一实施例提供的一种电池隔膜抗穿刺性能测试方法流程图；
31.图2是本发明一实施例提供的一种电池隔膜抗穿刺性能测试装置示意图。
32.图中：
33.1、待测试隔膜；
34.2、载荷件；
35.3、承载件；
36.4、穿刺件；
37.5、电阻测量仪；
38.6、加压装置；61、施力板；62、支撑杆；
39.7、控温箱。
具体实施方式
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员
在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.如前所述，隔膜或电极上可能会有粉尘、毛刺等异物，在锂离子电池装配的过程中刺穿隔膜。然而，现有的穿刺性能测试方法并不能真实反映隔膜在装配过程中的抗穿刺能力。因此，考虑根据待测试隔膜的尺寸，选择对应的载荷件、承载件和若干穿刺件，将穿刺件设置在隔膜和承载件之间，并对载荷件施加逐渐增加的压力，以此来测试穿刺件刺穿隔膜时的压力值，进而确定待测试隔膜的抗穿刺性能。由于能够根据实际情况和待测试隔膜的尺寸来确定穿刺件，因此能够真实地测试出电池隔膜的抗穿刺性能。
42.下面描述以上构思的具体实现方式。
43.请参考图1，本发明实施例提供了一种电池隔膜抗穿刺性能测试方法，应用于测试装置，测试装置包括电阻测量仪以及具有导电性的载荷件、承载件、若干穿刺件，载荷件设置于待测试隔膜的上方，承载件设置于待测试隔膜的下方，若干穿刺件设置在待测试隔膜与承载件之间，电阻测量仪的两端分别与载荷件和承载件电连接；
44.该方法包括：
45.步骤100，确定待测试隔膜的尺寸；
46.步骤102，根据待测试隔膜的尺寸，确定载荷件、承载件和穿刺件的尺寸；
47.步骤104，逐渐增大对载荷件施加的压力；
48.步骤106，在电阻测量仪检测到载荷件和承载件短路时，确定当前时刻对载荷件施加的刺穿压力；
49.步骤108，根据刺穿压力，确定待测试隔膜的抗穿刺性能。
50.本发明实施例中，通过对载荷件施加逐渐增大的压力，当电阻测量仪检测到载荷件和承载件短路时，根据当前的刺穿压力，评价待测试隔膜的抗穿刺性能。本方案能够根据待测试隔膜的尺寸，选择载荷件、承载件和穿刺件的尺寸，进而更真实地模拟实际情况，使待测试隔膜的抗穿刺性能更加真实准确。
51.现有的穿刺性能测试方法主要包括：穿刺强度测试方法和混合穿测强度测试方法。下面介绍两种现有方法的原理和缺点。
52.其中，穿刺强度测试方法的原理是，将待测试隔膜的两端分别用两片圆环夹住，在隔膜上方用一根尖端为圆形的针逐步刺穿待测试隔膜。则刺穿时给针施加的力就是穿刺力，穿刺力和待测试隔膜厚度的比值就是穿刺强度。
53.该穿刺强度测试方法的缺点，一方面是测试时隔膜下方没有对应的反作用力，隔膜被逐渐拉伸，发生弹性变形，最终这个穿刺力转化为隔膜在所在平面内的一个分量；另一方面是所采用的针的尖端大小远超实际生产过程中可能刺穿隔膜的金属微粒、空间粉尘、电极表面颗粒、电极边缘毛刺等的大小，与实际情况不符。所以这种方法不能真实反映隔膜抵抗穿刺的能力。
54.而混合穿刺强度测试方法，是将隔膜夹在正极极片和负极极片之间，并将位于底层的极片放置在支撑平面上，在顶层的极片上方放置一个钢球，对钢球逐步施加压力，当检测到正负极短路时，对应的压力值就是混合穿刺强度的数值。
55.该混合穿刺强度测试方法的缺点，一方面是对钢球施加压力后，极片和隔膜实际承压范围很小，只能反应局部的情况；另一方面是穿刺物不符合实际情况，故这种方法也不能真实反映隔膜抵抗穿刺的能力。
56.因此，本发明实施例提供了一种电池隔膜抗穿刺性能测试方法。
57.下面描述图1所示的各个步骤的执行方式。
58.首先，针对步骤100，确定待测试隔膜的尺寸。
59.目前，一般的隔膜厚度规格为5um、7um、9um、12um、16um等。为了测试不同厚度隔膜的抗穿刺性能，使测试结果更加准确，首先需要确定所要测试的隔膜的尺寸，包括待测试隔膜的长度、宽度和厚度。
60.然后，针对步骤102，根据待测试隔膜的尺寸，确定载荷件、承载件和穿刺件的尺寸。
61.在本发明一个实施例中，至少可以通过如下步骤s1-s3确定载荷件、承载件和穿刺件的尺寸：
62.s1，根据待测试隔膜的长度，确定载荷件和承载件的长度；
63.s2，根据待测试隔膜的宽度，确定载荷件和承载件的宽度；
64.s3，根据待测试隔膜的厚度，确定穿刺件的高度。
65.在步骤s1和s2中，需要根据待测试隔膜的长度和宽度，确定载荷件和承载件的长度和宽度。一方面，承载件的长宽需要大于或等于待测试隔膜的长宽，以使待测试隔膜平铺在承载件上。另一方面，载荷件的长宽需要小于或等于待测试隔膜的长宽，以防止载荷件和承载件直接接触导致短路。
66.在本发明实施例中，为了使承载件可重复使用，故承载件的长宽大于待测试隔膜的长宽。
67.在步骤s3中，为了更好的模拟实际场景，需要根据待测试隔膜的厚度，确定穿刺件的高度。
68.在隔膜和正极、负极、电解液等装配成锂离子电池的过程中，隔膜会经过卷曲缠绕、拉伸和与电极贴附压合等过程，此时附着在隔膜上的空间粉尘、金属微粒、电极边缘毛刺以及电池长期使用后极片上突出的颗粒和锂枝晶等容易刺穿隔膜。
69.在本发明实施例中，可以使用金属微粒作为穿刺件，来模拟电池装配过程中可能附着到隔膜表面的空间粉尘、金属粒子以及电极极片上可能的突起颗粒。
70.具体地，穿刺件的高度不小于待测试隔膜的厚度且不大于待测试隔膜的厚度的两倍。
71.举例来说，若待测试隔膜的厚度为7um，当穿刺件的高度小于7um时，需要把待测试隔膜在隔膜厚度方向整面压缩后才能使载荷件和承载件短路，而当穿刺件的高度大于7um时，穿刺件只需要将待测试隔膜局部刺穿就能够使载荷件和承载件短路。
72.而当穿刺件高度太大时，不符合实际场景中空间粉尘、金属粒子以及电极极片上突起颗粒的尺寸，导致测试结果不真实准确。而且，穿刺件高度太大，那么能够设置的穿刺件的数量会偏少，不能全面地测试待测试隔膜的每个位置，使测试结果具有较大的偶然性。
73.故而，穿刺件的高度要大于待测试隔膜的厚度，且小于待测试隔膜的厚度的两倍。当然，小于待测试隔膜的厚度的1.5倍也可以，倍数可视情况而定，不做具体限制。
74.在本发明实施例中，根据待测试隔膜厚度为5um，7um，9um，12um，16um等，可以将穿刺件的高度分别设定为6um，8um，10um，14um，18um等。
75.另外，在本发明实施例中，每个穿刺件的高度均相等，形状均相同。
76.举例来说，若待测试隔膜的厚度为7um，而穿刺件的高度不统一，分别有高度为8um、10um和14um的穿刺件。当对待测试隔膜施加压力时，高度为14um的穿刺件会更容易刺穿隔膜，那么测试结果的偶然性较大，测试结果的准确性会受到影响。
77.因此，需要保证每个穿刺件的高度均相等，并且穿刺件的高度不小于待测试隔膜的厚度且不大于待测试隔膜的厚度的两倍。
78.需要说明的是，每个穿刺件均匀设置于待测试隔膜和承载件之间，且每个穿刺件不团聚在一起。
79.举例来说，若穿刺件分布不均匀，会影响各个穿刺件对待测试隔膜的穿刺力。而且，穿刺件团聚会导致这一位置的高度增加，这都会导致测试结果不准确，难以反映待测试隔膜的真实抗穿刺性能。
80.在本发明实施例中，可以使用金属粉作为穿刺件，金属粉需要均匀的分散成一层，不能有团聚。具体实施时可以采用不导电的分散液先将少量金属粉分散均匀，而后将分散液滴在承载件表面，这样就使金属粉均匀设置于待测试隔膜和承载件之间，且金属粉不团聚在一起。
81.另外，为了提高测试的准确性和重复性，也可以直接在承载件上设置均匀分布的固定金属微针、金属柱或金属圆台，且每个金属微针、金属柱或金属圆台的高度相等。
82.其中，为了更容易实施，承载件可以使用玻璃基板加金属涂层的方式，然后在金属涂层上使用电镀等方式，制作分布均匀的微米级高度的金属微针、金属柱或金属圆台作为穿刺件。
83.接下来，针对步骤104，逐渐增大对载荷件施加的压力。
84.在本发明实施例中，可以利用加压装置对载荷件施加垂直向下的压力，且加压装置与载荷件的接触面覆盖载荷件；控制加压装置逐渐增大对载荷件施加的压力。
85.在本发明实施例中，以金属微粒，或者金属针/金属柱/金属圆台模拟实际电池装配过程中可能吸附到隔膜表面的金属微粒、或者电池使用过程中产生的锂枝晶/极片表面的颗粒状突起；以施加金属载荷或利用加压装置施压的方式模拟装配过程中施加的压力，或者电池在搬运、使用过程中引起的轻微碰撞所产生的压力，从而相比于前述的穿刺强度测试方法和混合穿刺强度测试方法，能够更符合实际的表征出隔膜抵抗穿刺的能力。
86.需要说明的是，施加力的方式，不要用圆球状的压头，应该用表面平整的金属板，且金属板的面积应该大于等于载荷件，使载荷件各个位置受力均匀，避免只有局部受力的情况，以此来提高测试的可信性和准确性。
87.如果使用砂纸的话，砂粒在砂纸上很难做到单层的非常均匀的分布，用圆形压头，那么压头和载荷件接触的面积比较小，可能隔膜受力的点多数是高度较小的穿刺件，而旁边多数是团聚在一起导致高度变大的穿刺件，这样测试结果的偶然性会特别大。
88.紧接着，针对步骤106，在电阻测量仪检测到载荷件和承载件短路时，确定当前时刻对载荷件施加的刺穿压力。
89.在本发明实施例中，保持待测试隔膜所处环境温度不变，初始状态下，连接在载荷件和承载件之间的电阻测量仪显示有示数，一般为兆欧级别。当通过加压装置对载荷件施加越来越大的压力，待测试隔膜将逐渐被穿刺件刺破，上述过程的同时观察电阻测量仪示数，读取电阻测量仪示数陡降到百ω以下，即载荷件和承载件短路时，代表待测试隔膜被穿
刺件刺穿。由于穿刺件的导电性，使载荷件和承载件之间联通，形成短路。并且，确定当前时刻使隔膜被刺穿的加压装置压力值。
90.最后，针对步骤108，根据刺穿压力，确定待测试隔膜的抗穿刺性能。
91.在本发明实施例中，可以对同样厚度的待测试隔膜进行多次测试，记录每次测试的刺穿压力值，来确定待测试隔膜的抗穿刺性能。
92.另外，还可以保持设定压力不变；其中，设定压力小于刺穿压力；逐渐升高待测试隔膜所处的环境温度；在电阻测量仪检测到短路时，确定当前时刻的刺穿温度；根据刺穿温度，确定待测试隔膜的抗穿刺性能。
93.在本发明实施例中，可以使用控温箱，设置在待测试隔膜、载荷件、承载件、穿刺件外部，用于控制待测试隔膜所处的环境温度。
94.其中，设定压力需要根据电池装配过程中施加的压力和目前待测试隔膜与载荷件的接触面积的比值来计算，且设定压力小于刺穿压力。
95.然后，使加压装置保持设定压力值，待测试隔膜未被刺穿，利用控温箱使环境温度匀速升高，隔膜在升温过程中逐渐软化，直至被穿刺件刺破，上述过程的同时观察电阻测量仪示数，记录载荷件和承载件短路时的刺穿温度；根据刺穿温度，确定待测试隔膜的抗穿刺性能。
96.本发明能够更真实的模拟实际电池中隔膜所处的环境，测试结果能更准确反映隔膜真正的抵抗穿刺的能力，因而可以更准确的评价隔膜在抗穿刺能力上的优劣。
97.如图2所示，本发明实施例提供了一种基于本说明书任一实施例，基于电池隔膜抗穿刺性能测试方法的测试装置，包括：
98.载荷件2，具有导电性，设置于待测试隔膜1的上方，用于承载压力，以挤压待测试隔膜1；
99.承载件3，具有导电性，设置于待测试隔膜1的下方，用于承载待测试隔膜1；
100.若干穿刺件4，具有导电性，设置在待测试隔膜1与承载件3之间，用于刺穿待测试隔膜1；
101.电阻测量仪5，两端分别与载荷件2和承载件3电连接，用于检测载荷件2和承载件3是否短路；
102.加压装置6，设置在载荷件2的上方，用于对载荷件2施加向下的压力；
103.测试待测试隔膜1的抗穿刺性能时，利用加压装置6对载荷件2施加压力，以使穿刺件4对待测试隔膜1进行挤压，逐渐增大压力值，当电阻测量仪5测试到短路时，记录当前施加的压力值，以得到待测试隔膜1的抗穿刺性能测试结果。
104.在本发明实施例中，载荷件2、承载件3和每个穿刺件4均为金属材质。
105.在本发明实施例中，加压装置6包括：
106.施力板61，设置于载荷件2的上方；
107.支撑杆62，一端连接施力板61，另一端连接动力装置。
108.在本实施例中，利用动力装置通过支撑杆62和施力板61对载荷件2施加垂直向下的压力，且使施力板61大于等于载荷件2，以使载荷件2各个位置受力均匀，避免只有局部受力的情况，以此来提高测试的可信性和准确性。
109.在本发明实施例中，测试装置还包括控温箱7，设置在待测试隔膜1、载荷件2、承载
件3、穿刺件4外部，用于控制测试温度。
110.在本实施例中，使加压装置6保持设定压力不变，设定压力需要根据电池装配过程中施加的压力和目前待测试隔膜1与载荷件2的接触面积的比值来计算，且设定压力不会使待测试隔膜1直接被刺穿。
111.然后，利用控温箱7使待测试隔膜1所处的环境温度匀速升高，待测试隔膜1在升温过程中逐渐软化，直至被穿刺件刺破，上述过程的同时观察电阻测量仪5示数，记录载荷件2和承载件3短路时的刺穿温度；根据刺穿温度，确定待测试隔膜1的抗穿刺性能。
112.在本发明实施例中，载荷件2的尺寸小于待测试隔膜1的尺寸。
113.具体的，载荷件2的长宽需要小于或等于待测试隔膜1的长宽，以防止载荷件2和承载件3直接接触导致短路。
114.可以理解，承载件3的长宽需要大于或等于待测试隔膜1的长宽，以使待测试隔膜1平铺在承载件3上。为了使承载件3可重复使用，故承载件3的长宽大于待测试隔膜1的长宽，那么承载件3就不需要因为待测试隔膜1的尺寸不同，而频繁更换。
115.在本发明实施例中，每个穿刺件4的高度大于待测试隔膜1的厚度。
116.在本实施例中，可以使用金属微粒作为穿刺件，来模拟电池装配过程中可能附着到隔膜表面的空间粉尘、金属粒子以及电极极片上可能的突起颗粒。
117.具体地，穿刺件4的高度不小于待测试隔膜1的厚度且不大于待测试隔膜1的厚度的两倍。
118.在本发明实施例中，每个穿刺件4的高度相等，形状均相同。
119.举例来说，若待测试隔膜1的厚度为7um，而穿刺件4的高度不统一，分别有高度为8um、10um和14um的穿刺件4。当对待测试隔膜1施加压力时，高度为14um的穿刺件4会更容易刺穿待测试隔膜1，那么测试结果的偶然性较大，测试结果的准确性会受到影响。
120.因此，需要保证每个穿刺件4的高度均相等，并且穿刺件4的高度不小于待测试隔膜1的厚度且不大于待测试隔膜1的厚度的两倍。
121.在本发明实施例中，每个穿刺件4均匀设置于待测试隔膜1和承载件3之间，且每个穿刺件4不团聚在一起。
122.举例来说，若穿刺件4分布不均匀，会影响各个穿刺件4对待测试隔膜1的穿刺力。而且，穿刺件4团聚会导致这一位置的高度增加，这都会导致测试结果不准确，难以反映待测试隔膜1的真实抗穿刺性能。
123.在本实施例中，可以使用金属粉作为穿刺件4，金属粉需要均匀的分散成一层，不能有团聚。具体实施时可以采用不导电的分散液先将少量金属粉分散均匀，而后将分散液滴在承载件3表面，这样就使金属粉均匀设置于待测试隔膜1和承载件3之间，且金属粉不团聚在一起。
124.另外，为了提高测试的准确性和重复性，也可以直接在承载件3上设置均匀分布的固定金属微针、金属柱或金属圆台，且每个金属微针、金属柱或金属圆台的高度相等。
125.其中，为了更容易实施，承载件3可以使用玻璃基板加金属涂层的方式，然后在金属涂层上使用电镀和图案化的方式，制作分布均匀的微米级高度的金属微针、金属柱或金属圆台作为穿刺件4。
126.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管
参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。