锂离子电池制造过程中, 极片生产完成后, 正负极极片和隔膜采用卷绕或者叠片方式组装在一起, 隔膜将正负极极片隔离开. 在电池充放电过程中, 隔膜隔离正负极极片之间的电子传导, 而允许锂离子通过.
卷绕或叠片组装之后, 裸电芯需要进行热压处理, 对极片和隔膜整形, 使它们更加紧密接触, 降低锂离子传输阻力. 在热压地同时, 往往会对裸电芯进行绝缘耐电压测试, 主要判断电芯内部是否存在异物颗粒造成短路.
绝缘耐电压测试一般采用安规仪, 测试时, 仪器给电芯加一个电压, 这个电压持续一段规定的时间, 然后检测其漏电电流量是否保持在规定的范围内, 判断电芯正负极有无短路. 一般, 施加电压如图1所示:
图1 绝缘耐电压测试示意图
①在一定时间t1内, 对电芯从0开始加电压至U.
②电压U保持一段时间至t2.
③测试完成后, 切断测试电压, 并对电芯杂散电容放电.
在测试中, 正负极极片由于相互靠近, 仅仅15-30μm, 裸电芯内部会形成一定的电容 (杂散电容) , 由于电容量存在, 测试电压必须由 '零' 开始, 缓慢上升, 以避免充电电流过大, 电容量越大所需的缓升时间t1越长, 一次所能增加的电压也越低. 充电电流过大时, 一定会引起测试器的误判, 使测试的结果不正确. 一旦被测电芯的杂散电容被充满, 只会剩下实际的漏电电流. 由于直流耐压测试会对被测电芯充电, 所以在测试后, 一定要对被测电芯放电.
隔膜都存在一定的耐电压强度, 当加载电压过高时肯定能够击穿隔膜, 形成漏电流. 因此, 首先电芯绝缘测试电压要低于击穿电压. 如图2所示, 当正负极之间不存在异物时, 在测试电压下漏电流小于规定值, 判定电芯合格. 而如果正负极之间存在一定尺寸的异物, 隔膜被挤压, 正负极之间的间距减小, 正负极之间击穿电压会下降, 如果还加载相同的电压, 漏电流可能超过设定的警报值. 通过设定测试电压等参数, 就可以统计分析判断电芯内部的异物尺寸, 然后根据实际产品生产现状和品质要求, 可以设定测试参数, 制定品质判断标准.
图片2 异物尺寸与耐电压测试示例 (数值为假定值)
在测试中, 主要的参数包括电压缓升时间t1, 电压保持时间t2, 加载电压U, 以及报警漏电流. 前面所述, t1和U与电芯杂散电容有关, 电容量越大所需的缓升时间t1越长, 加载电压U越低. 而且U也与隔膜本身的耐电压强度有关, 一般地, 隔膜越薄, 耐电压强度越低, 测试电压U页应该更低. 报警电流设定需要考虑电容充电电流, 充电电流越大, 报警电流也应该设定大些, 否则会引起误判, 将合格产品判定为不合格, 影响产品合格率. 隔膜水分含量大时也容易形成较大的漏电流. 如果测试电芯内部存在异物, 造成内部短路, 隔膜被击穿, 具体情况如图3所示.
图片3 电芯耐电压测试内部异物短路
因此, 裸电芯的绝缘耐电压测试是产品过程检验的一个重要步骤, 可以检测出不合格产品, 提高最终电池产品的安全系数. 实际测试需要考虑参数设定, 判定标准等众多因素.
