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在現(xiàn)有技術(shù)中，測量軟包電芯平整度的方法主要是肉眼觀察法、千分尺測厚或激光掃描法。肉眼觀察法即我們俗稱的目測法，就是利用可見光觀察電芯的表面狀態(tài)，是一種粗糙的不可定量的觀察方法，利用可見光觀察雖然快捷，但是無法定量的給出電芯的平整度的差異。激光掃描法是利用光學(xué)設(shè)備，將電芯的整個輪廓掃描后制作成3D模型，然后計算整體的厚度值與斷面的厚度值的差值，雖然可以定量測量，但是設(shè)備昂貴，應(yīng)用有限1。也有研究人員通過仿真模擬了模組電芯的表面力分布mapping，也可看出明顯的壓力分布不均的現(xiàn)象，這一方面與電芯初始的平整度有關(guān)，另一方面也與后續(xù)充放電過程中電流密度分布不均導(dǎo)致的應(yīng)力分布差異有關(guān)2。本文運用電芯壓力分布系統(tǒng)（BPD1000）監(jiān)控電芯不同位置的壓力分布情況，從而快速量化評不同尺寸電芯的平整度。

圖1. 仿真模擬模組電池的應(yīng)力分布2

實驗設(shè)備與測試方法

1.測試設(shè)備：原位膨脹測試系統(tǒng)SWE2110，電芯壓力分布系統(tǒng)，型號BPD1000（IEST元能科技），可施加最大壓強約為8.8MPa。

圖2. 電芯壓力分布測試示意圖

2.測試參數(shù)：

2.1 電芯信息如表1所示。

表1. 電芯信息

2.2 測試流程：將電芯置于原位膨脹分析儀(SWE2110)測試腔中，同時把壓力分布膜平鋪于電芯表面，設(shè)置恒間隙模式,調(diào)節(jié)恒間隙壓力300kg（即給電芯施加300kg外力）, 開啟壓力分布系統(tǒng)（BPD1000）采集并顯示電芯表面壓力分布數(shù)據(jù)。

結(jié)果分析

使用壓力分布系統(tǒng)（BPD1000）分別測試如下三款電芯壓力分布情況，按9.5*9.5mm 劃分成各個小區(qū)域，并用色階顯示電芯各區(qū)域受力情況，結(jié)果如圖3所示：三款電芯都受力分布都不一致，若把各個區(qū)域受力算術(shù)和，會發(fā)現(xiàn)總力會小于300kg，這主要是由于各個薄膜傳感器排布時之間存在間隙，并且間隙處壓力未統(tǒng)計有關(guān)。

圖3. 電芯充放電電壓和壓力變化曲線

進一步分析電芯表面不同位置的平整度原因，如圖4所示，3#電芯頭尾部壓力是因為鋁箔沖坑尺寸較極片有較大的余量，頭尾部下陷無壓力，另外有貼收尾膠紙的位置，都表現(xiàn)出較大的壓力，這很可能是導(dǎo)致其不平整的重要因素之一。

圖4. 3#電芯壓力分布與實物對照

分析2#電芯壓力分布情況如圖5所示：可明顯看出正負極極耳位置受力明顯，并且邊緣無貼膠紙位置基本不受力，因此極耳厚度規(guī)格和膠紙貼附很可能是影響2#電芯平整的重要因素之一。

圖5. 2#電芯壓力分布與實物對照

對于1#電芯則并沒有表現(xiàn)出與2#和3#電芯類似的關(guān)聯(lián)性，說明除了膠紙和極耳因素外，還有其它設(shè)計方面更深層次的因素。相關(guān)技術(shù)人員可以據(jù)此進行更深層次的分析。

圖6. 1#電芯壓力分布與實物對照

設(shè)定初始壓力300kg，在恒定間隙模式下測量電芯表面的壓力情況。這種情況下，電芯厚度不均勻就會導(dǎo)致測試壓力分布不均勻。電芯產(chǎn)生厚度或壓力分布不均勻的原因主要包括：(1) 極片厚度不均勻性導(dǎo)致電芯不平整，一般正負極極片厚度為100-200μm，如果正負極極片厚度偏差大于5μm，正負極極片疊片數(shù)量共41片，則厚度偏差可以達到0.2mm；(2) 隔膜、鋁塑膜等部件厚度不均勻?qū)е码娦静黄秸?3) 終止膠帶會導(dǎo)致電芯不平整；(4) 電芯疊片過程中，極片和隔膜疊合不緊密，存在的空隙導(dǎo)致的不平整。一般疊片之后電芯會進行熱壓平整形處理，熱壓整形可以使極片和隔膜疊合更緊密，降低空隙，從而降低電池內(nèi)阻，同時也會提高電芯厚度的均勻性；(5) 電芯注液封口工藝過程中，真空度較低，封口抽真空不完全，鋁塑膜內(nèi)存在氣體也會導(dǎo)致電芯厚度不均勻；(6) 導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑吸液后發(fā)生溶脹，會使電芯厚度增加，如果導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑在極片內(nèi)分布不均勻，也可能導(dǎo)致電芯厚度不均勻；(7) 電解液在預(yù)充化成老化過程中發(fā)生分解，產(chǎn)生氣體也可能導(dǎo)致電芯厚度不均勻。

電芯厚度不均勻時，在充放電過程中會導(dǎo)致極片受到不同的鋁塑膜外殼壓力作用，可能導(dǎo)致充放電狀態(tài)的不均勻性，降低電池的容量和穩(wěn)定性。因此，電芯在設(shè)計和生產(chǎn)制造中需要控制平整度，提高電芯一致性。特別需要注意的工藝包括：(1) 極片涂布和輥壓厚度控制，提高厚度均勻性；(2) 合適的熱壓工藝提高厚度均勻性；(3) 鋁塑膜沖殼和組裝工藝確保電芯平整度；(4) 注液封口工藝確保去除內(nèi)部空氣和電解液的均勻性。

總結(jié)

本文通過采用電芯壓力分布系統(tǒng)（BPD1000）表征了三款不同體系電芯壓力分布情況，從而表征電芯表面平整度。從結(jié)果分析電芯工藝設(shè)計與電芯壓力分布（平整度）存在一定的關(guān)聯(lián)性，技術(shù)人員可以通過壓力分布系統(tǒng)制定合適的的分布標(biāo)準(zhǔn)，用于監(jiān)控出貨電芯批次穩(wěn)定性。

參考文獻

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