单体电池及其膨胀测试方法与流程

[0001]
本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种单体电池及其膨胀测试方法。


背景技术：

[0002]
常见锂离子电池在充放电循环、静置过程中均会产生膨胀，膨胀现象(膨胀形变、膨胀力)带来诸多不利影响。例如，膨胀会影响电池寿命和使用性能，还会影响电池在模组中的间隙，进而影响电池散热，另外，膨胀还会给模组端板承受强度带来额外需求，因此在电池研发过程中，需对电池膨胀进行较为准确的测试和较为深入的研究。
[0003]
电池膨胀分为软膨胀和硬膨胀，其中，软膨胀是指电池内产气导致的，硬膨胀是卷芯中极片本身的膨胀，在软膨胀和硬膨胀的共同作用下，膨胀后的单体电池呈椭球形。硬膨胀会导致卷芯与壳体的内壁接触，卷芯与壳体内壁的接触包括三个过程，首先是初期较小面积的接触，然后接触面积增大，最后是完全接触。在当前单体电池的测试中，利用夹具和传感器可较为方便地监测卷芯膨胀力作用于壳体的变化，但是由于测试装置在壳体外部，检测到的结果是软膨胀和硬膨胀共同导致的，监测结果不精准。


技术实现要素：

[0004]
基于此，有必要提供一种单体电池及其膨胀测试方法，以解决上述问题。
[0005]
本发明的单体电池包括电芯、绝缘膜、壳体和盖板组件，所述绝缘膜包覆于所述电芯的外部并收容于所述壳体内，所述壳体设有至少一个开口，所述盖板组件盖设于所述壳体的开口处；所述绝缘膜的外表面具有标记物，当所述电芯膨胀至所述绝缘膜的外表面与所述壳体的内表面接触时，所述标记物能够印染至所述壳体的内壁形成印迹。
[0006]
在一个实施例中，所述标记物为铜阳极泥。
[0007]
在一个实施例中，所述电芯呈类矩形，包括前表面、后表面、上表面、下表面、左侧面和右侧面，所述前表面或者后表面的面积大于所述上表面、下表面、左侧面或者右侧面的面积；所述电芯上设置有正极极耳和负极极耳，所述正极极耳位于所述左侧面、右侧面中的其中之一，所述负极极耳位于所述左侧面、右侧面中的其中之另一；所述标记物至少涂设于所述前表面或者后表面。
[0008]
在一个实施例中，所述标记物涂设于所述前表面和后表面；或者，所述标记物涂设于所述前表面、后表面、上表面和下表面。
[0009]
在一个实施例中，所述电芯呈类矩形，包括前表面、后表面、上表面、下表面、左侧面和右侧面，所述前表面或者后表面的面积大于所述上表面、下表面、左侧面或者右侧面的面积，所述电芯上设置有正极极耳和负极极耳，所述正极极耳和负极极耳均位于所述上表面；所述标记物至少涂设于所述前表面或者后表面。
[0010]
在一个实施例中，所述标记物涂设于所述前表面和后表面；或者，所述标记物涂设于所述前表面、后表面、左侧面和右侧面；或者，所述标记物涂设于所述前表面、后表面、左侧面、右侧面和下表面。
[0011]
在一个实施例中，所述壳体的外壁上设置有绝缘垫片，所述绝缘垫片用于绝缘间隔电池模组中相邻的两个单体电池，所述绝缘垫片的位置对应于最大印迹区域之外。
[0012]
本发明还提出一种上述单体电池的膨胀测试方法，包括以下步骤：首先，将充放电装置和膨胀测试装置与所述单体电池连接，所述充放电装置用于对所述单体电池进行充放电，所述膨胀测试装置设置在所述单体电池壳体的外部，用于测试所述壳体的膨胀力和/或膨胀形变；然后，对第一个所述单体电池进行充放电500圈，同时测试所述壳体的膨胀力和/或膨胀形变；对第二个所述单体电池进行充放电500*2圈，同时测试所述壳体的膨胀力和/或膨胀形变；依次类推，当对第n个所述单体电池进行充放电500*n圈，所述壳体的膨胀力和/或膨胀形变稳定增加时，停止全部测试；拆解n个所述单体电池，测量所述标记物在所述壳体内壁上的印迹面积。
[0013]
在一个实施例中，所述充放电以及膨胀测试均在恒温箱内进行，所述充放电装置设置在恒温箱外，并且与单体电池电连接。
[0014]
在一个实施例中，所述膨胀测试装置包括夹具、探头和数据显示器，所述数据显示器与所述探头电连接；所述夹具夹设在所述壳体的外表面；所述探头设置在所述夹具的外部，用于测试所述壳体的膨胀力；或者，所述夹具上开设有窗口，所述探头设置在所述窗口内，所述探头与壳体的外壁直接接触，用于测试所述壳体的膨胀力和/或膨胀形变。
[0015]
本发明的单体电池及其膨胀测试方法，其有益效果为：
[0016]
本发明的单体电池及其膨胀测试方法，通过在绝缘膜外涂设标记物，当电芯膨胀至绝缘膜的外表面与壳体的内表面接触时，绝缘膜外的标记物能够印染至壳体的内壁形成明显的印迹，通过测量印迹的面积，即可获得电芯硬膨胀的程度。并且通过检测壳体内壁的最大印迹区域的面积，可以获知壳体内的气体被严重挤压时，气压作用面的面积，进而可以预估壳体内的最大气体压强，为壳体和电芯的尺寸设计提供数据指导，避免壳体内的气压过大而破坏壳体的密封性。另外，通过在绝缘膜外涂设标记物，并且检测壳体内壁的最大印迹区域的面积，从而可以为单体电池外绝缘垫片的设置位置提供很好的指导，避免电芯膨胀对绝缘垫片的位置及其作用产生不利影响。
附图说明
[0017]
图1为本发明一个实施例提供的单体电池的整体结构示意图。
[0018]
图2为本发明一个实施例提供的单体电池的纵向截面剖视示意图。
[0019]
图3为本发明一个实施例提供的单体电池的横向截面剖视示意图。
[0020]
图4为本发明一个实施例提供的电芯的立体结构示意图。
[0021]
图5为本发明一个实施例提供的电芯的纵向截面剖视示意图。
[0022]
图6为本发明一个实施例提供的壳体内壁的结构示意图。
[0023]
图7为本发明一个实施例提供的充放电装置和膨胀测试装置与单体电池连接后的结构示意图。
[0024]
图8为本发明另一个实施例提供的充放电装置和膨胀测试装置与单体电池连接后的结构示意图。
[0025]
图9为本发明一个实施例提供的单体电池壳体的膨胀力与充放电循环圈数之间的曲线关系图。
[0026]
图10为本发明一个实施例提供的单体电池壳体的膨胀形变与充放电循环圈数之间的曲线关系图。
[0027]
图11为本发明一个实施例提供的单体电池的壳体内壁被标记物印染的印迹面积与充放电循环圈数之间的曲线关系图。
[0028]
附图标记：
[0029]
单体电池10，电芯100，前表面110，后表面120，上表面130，下表面140，左侧面150，右侧面160，正极极耳170，负极极耳180，绝缘膜200，标记物300，壳体400，第一区域410，第二区域420，绝缘垫片430；盖板组件500，正极端子510，负极端子520；
[0030]
恒温箱600，充放电装置700，夹具810，窗口811，探头820，数据显示器830。
具体实施方式
[0031]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0032]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
[0033]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0034]
在本发明中，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。
[0035]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0036]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0037]
本发明提出一种单体电池10及其膨胀测试方法。在一个实施例中，单体电池10的结构如图1至图3所示，其中，图1为单体电池10的整体结构示意图，图2为单体电池10的纵向截面剖视图，图3为单体电池10的横向截面剖视图。如图1至图3所示，单体电池10包括电芯100、绝缘膜200、壳体400和盖板组件500，电芯100上设置有正极极耳170和负极极耳180，盖板组件500上设置有正极端子510和负极端子520，正极极耳170用于与正极端子510电连接，负极极耳180用于与负极端子520电连接；绝缘膜200包覆在电芯100的外部并且收容于壳体400内，壳体400的上方开口，盖板组件500盖设于壳体400的开口处；绝缘膜200包覆在电芯100的外部，用于避免电芯100与壳体400的内壁接触而短路。绝缘膜200的外表面设有标记物300，该标记物300不溶于电解液并且不与电解液发生化学反应。在单体电池10的充放电循环中，电芯100会发生膨胀，当电芯100膨胀至绝缘膜200的外表面与壳体400的内表面接触时，绝缘膜200外的标记物300能够印染至壳体400的内壁形成明显的印迹。在一个具体的实施例中，绝缘膜200外的标记物300为铜阳极泥。
[0038]
本发明对标记物300的设置方式不进行限定，在具体的实施例中，标记物300可以通过涂覆、印刷等方式设在绝缘膜200的外部。另外，需要说明的是，在图1所示的实施例中，壳体400的上方开口，盖板组件500盖设于壳体400的开口处。可以理解的是，在其他实施例中，壳体400上还可以设置有至少一个开口，盖板组件500盖设在壳体400的开口处。
[0039]
在一个实施例中，电芯100的结构如图4所示，电芯100呈类矩形，包括前表面110、后表面120、上表面130、下表面140、左侧面150和右侧面160，前表面110与后表面120的面积相等，前表面110或者后表面120的面积大于上表面130、下表面140、左侧面150或者右侧面160的面积，正极极耳170位于左侧面150，负极极耳180位于右侧面160；如图2和图3所示，标记物300涂设于前表面110和后表面120。当电芯100膨胀至绝缘膜200的外表面与壳体400的内表面接触时，绝缘膜200外的标记物300能够印染至壳体400的内壁形成明显的印迹，通过测量印迹的面积，即可获得电芯100硬膨胀的程度。可以理解的是，由于电芯100在膨胀过程中，前表面110与后表面120的膨胀程度几乎相等，因此，在其他实施例中，标记物300还可以仅涂设于电芯100的前表面110或者后表面120。
[0040]
在一个实施例中，在电芯100的膨胀过程中，当绝缘膜200的外表面与壳体400的内表面完全接触时，壳体400内壁上的最大印迹图案如图6所示，在图6中，画斜线的区域表示印迹图案，壳体400内壁包括第一区域410和第二区域420，印迹图案所在的区域为第二区域420。另外，如图1和图2所示，壳体400的外壁上设置有绝缘垫片430，绝缘垫片430用于绝缘间隔电池模组中相邻的两个单体电池10。绝缘垫片430的位置对应于第一区域410，即绝缘片的位置对应于最大印迹区域之外。通过在绝缘膜200外涂设标记物300，并且检测壳体400内壁的最大印迹区域，从而可以为绝缘垫片430的设置位置提供很好的指导，避免将绝缘垫片430设置在壳体400外壁对应于最大印迹的区域内，进而避免电芯100膨胀对绝缘垫片430的位置及其作用产生不利影响。
[0041]
另外，如图2和图3所示，当绝缘膜200的外表面未与壳体400的内壁接触时，壳体400内的气体均匀分布在电芯100与壳体400内壁之间，气压的作用面为整个壳体400的内壁。当绝缘膜200的外表面与壳体400的内表面接触时，壳体400内的气体被挤压，当绝缘膜200的外表面与壳体400的内表面完全接触时，壳体400内的气体被严重挤压，如图6所示，气压的作用面为壳体400内壁的第一区域410。通过在绝缘膜200外涂设标记物300，并且检测
壳体400内壁的最大印迹区域，可以获知壳体400内的气体被严重挤压时，气压作用面的面积，进而可以预估壳体400内的最大气体压强，进而为壳体400和电芯100的尺寸设计提供数据指导，避免壳体400内的气压过大而破坏壳体400的密封性。
[0042]
在另一个实施例中，电芯100的纵向截面剖视图如图5所示，标记物300涂设于电芯100的前表面110、后表面120、上表面130和下表面140，即，除去设置有正极极耳170和负极极耳180的左侧面150和右侧面160，电芯100的外表面均涂设有标记物300。如此设计，当绝缘膜200的外表面与壳体400的内表面完全接触时，可以更加精准地获得壳体400内壁的最大印迹区域的面积，为绝缘垫片430的设置位置以及壳体400、电芯100的尺寸设计提供更好的数据指导。
[0043]
另外，需要说明的是，本发明对电芯100的结构不进行限定，电芯100可以由正极片、负极片和隔膜卷绕而成，或者通过叠片式堆叠而成。另外，本发明对电芯100的正极极耳170、负极极耳180的设置位置不进行限定。在图4所示的实施例中，正极极耳170位于左侧面150，负极极耳180位于右侧面160，可以理解的是，在其他实施例中，正极极耳170和负极极耳180还可以均位于电芯100的上表面130，标记物300至少涂设于前表面110或者后表面120。具体地，标记物300可以涂设于电芯100的前表面110和后表面120；或者，标记物300可以涂设于电芯100的前表面110、后表面120、左侧面150和右侧面160；或者，标记物300可以涂设于电芯100的前表面110、后表面120、左侧面150、右侧面160和下表面140。
[0044]
另外，本发明还提出一种上述单体电池10的膨胀测试方法，包括以下步骤，首先，如图7所示，将充放电装置700和膨胀测试装置与单体电池10连接，充放电装置700设置在单体电池10壳体400的外部，用于对单体电池10进行充放电，膨胀测试装置用于测试壳体400的膨胀力和膨胀形变。具体地，如图7所示，充放电以及膨胀测试均在恒温箱600内进行，充放电装置700设置在恒温箱600外，并且通过电线与单体电池10电连接。膨胀测试装置包括夹具810、探头820和数据显示器830，夹具810、探头820均设置在恒温箱600内，数据显示器830设置在恒温箱600外，夹具810夹设在壳体400的外表面，夹具810上开设有窗口811，探头820设置在窗口811内，探头820与壳体400的外壁直接接触，用于测试壳体400的膨胀力和膨胀形变，探头820与数据显示器830电连接，数据显示器830用于显示所测得的膨胀力和膨胀形变数值。需要说明的是，在其他实施例中，探头820还可以仅用于测试壳体400的膨胀力或者膨胀形变。或者，在其他实施例中，将充放电装置700和膨胀测试装置与单体电池10连接后的结构如图8所示，探头820设置在夹具810的外部，用于测试壳体400的膨胀力。
[0045]
然后，对第一个单体电池10进行充放电500圈，同时测试该第一个单体电池10壳体400的膨胀力和膨胀形变；对第二个单体电池10进行充放电500*2圈，同时测试该第二个单体电池10壳体400的膨胀力和膨胀形变；依次类推，当对第n个单体电池10进行充放电500*n圈，壳体400的膨胀力和/或膨胀形变稳定增加时，停止全部测试。最后，拆解所有n个单体电池10，测量标记物300在壳体400内壁上的印迹面积。
[0046]
在一个具体的实施例中，一共测试了十六个单体电池10，即n＝16，第十六个单体电池10的膨胀力测试结果如图9所示，第十六个单体电池10的膨胀形变测试结果如图10所示，将这十六个单体电池10分别进行拆解，并且分别测量壳体400内壁的印迹面积，得到印迹面积与充放电循环圈数之间的曲线关系如图11所示。如图9和图10所示，当充放电循环圈数小于4000圈时，单体电池10的膨胀力和膨胀形变均为零，说明当充放电循环圈数小于
4000圈时，电芯100的膨胀程度较小，电芯100的外表面尚未与壳体400的内壁接触，或者，虽然电芯100的外表面已经与壳体400的内壁接触了，但是接触面积较小，仅是轻微触碰，尚未对壳体400施加膨胀力，壳体400也未产生膨胀形变。而当充放电循环圈数大于4000圈时，单体电池10的膨胀力和膨胀形变逐渐增大，膨胀的电芯100逐渐挤压壳体400内壁，使得壳体400内壁受到膨胀力以及发生的膨胀形变均逐渐增大。
[0047]
如图11所示，当充放电圈数小于2000圈时，印迹面积均为零，说明当充放电圈数小于2000圈时，电芯100的膨胀程度尚不足于使得电芯100的外表面与壳体400的内壁接触；当充放电圈数超过2000圈时，印迹面积逐渐增加，说明当充放电圈数超过2000圈时，电芯100的膨胀程度逐渐增大，使得电芯100的外表面与壳体400内壁的接触面积逐渐增大；当充放电圈数超过6000圈时，印迹面积趋于一恒定值，说明当充放电圈数超过6000圈时，电芯100的外表面已经完全与壳体400内壁接触。
[0048]
本发明的单体电池10及其膨胀测试方法，通过在绝缘膜200外涂设标记物300，当电芯100膨胀至绝缘膜200的外表面与壳体400的内表面接触时，绝缘膜200外的标记物300能够印染至壳体400的内壁形成明显的印迹，通过测量印迹的面积，即可获得电芯100硬膨胀的程度。并且通过检测壳体400内壁的最大印迹区域的面积，可以获知壳体400内的气体被严重挤压时，气压作用面的面积，进而可以预估壳体400内的最大气体压强，为壳体400和电芯100的尺寸设计提供数据指导，避免壳体400内的气压过大而破坏壳体400的密封性。另外，通过在绝缘膜200外涂设标记物300，并且检测壳体400内壁的最大印迹区域的面积，从而可以为单体电池10外绝缘垫片430的设置位置提供很好的指导，避免电芯100膨胀对绝缘垫片430的位置及其作用产生不利影响。
[0049]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0050]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。