鋰離子電池內應力的檢測裝置的製作方法

2023-05-16 14:08:01

本實用新型屬於鋰離子電池技術領域，更確切地說，本實用新型涉及一種鋰離子電池內應力的檢測裝置。

背景技術：

鋰離子電池由於具有高的功率密度和能量密度、無記憶效應、自放電小、循環壽命長以及無汙染等優異特點，是目前電動汽車的理想電源。同時，鋰離子電池在航天設備、手機、筆記本電腦和電動自行車等領域均展現出了廣闊的應用前景。

在使用過程中，鋰離子電池會產生化學反應、產熱傳熱和內應力等，且彼此之間相互影響。其中，內應力的產生對鋰離子電池的性能有著重要影響。外載荷、擴散誘導應力與熱應力等均會使鋰離子電池產生內應力，當內應力增大到一定程度可能會致使電極破裂和隔膜失效，進而使鋰離子電池的性能降低，縮短鋰離子電池的使用壽命，從而導致短路等安全問題。近幾年鋰離子電池的應力分析得到研究者們的重視，對鋰離子電池應力的研究主要為：鋰離子遷移時引起的內應力，因溫升和溫度梯度而引起的熱應力，以及外載荷加載條件下鋰離子電池變形的研究等。

但內應力對鋰離子電池所造成的危害如因電極材料膨脹不均勻或者膨脹受約束而產生的內應力超過臨界值致使的電極材料粉化失效；隔膜壓縮變形可導致孔徑以及孔隙率減小，進而使鋰離子電池的內阻增大和引起鋰離子遷移不均勻；以及因外載荷作用而引起的內部短路等問題尚未解決，也影響著鋰離子電池的安全，因此鋰離子電池的內應力必須得到有效控制。目前關於鋰離子電池內應力的研究主要為採用數值計算的方法進行研究，且數值計算的方法計算量大、耗時長，無法在實車上應用，無法為鋰離子電池內應力的控制提供準確的信息，使得鋰離子電池存在一定的危險性。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是克服了現有技術存在的數值計算方法測量鋰離子電池內應力計算量大、耗時長，無法在實車上應用的問題，提出一種鋰離子電池內應力的檢測裝置。

為解決上述技術問題，本實用新型是採用如下技術方案實現的：所述的鋰離子電池內應力的檢測裝置包括應變傳感器探頭組件、應變傳感器探頭光纖組件、箱體、模數轉換器、單片機與上位機。

所述的應變傳感器探頭組件的一端布置在鋰離子電池的內部，應變傳感器探頭組件的輸出端和應變傳感器探頭光纖組件的一端絞合連接，應變傳感器探頭光纖組件的另一端和箱體內各個應變傳感器的輸入端絞合連接，箱體內各個應變傳感器的輸出端與模數轉換器的輸入端連接，模數轉換器的輸出端和單片機的輸入端連接，單片機的輸出端通過RS232串口和上位機連接。

技術方案中所述的應變傳感器探頭組件的一端布置在鋰離子電池的內部是指：所述的應變傳感器探頭組件包括6～14個應變傳感器探頭，即包括第一應變傳感器探頭、第二應變傳感器探頭、第三應變傳感器探頭、第四應變傳感器探頭、第五應變傳感器探頭、第六應變傳感器探頭、……與第十四應變傳感器探頭；第一應變傳感器探頭布置在鋰離子電池容易出現應力集中的負極和隔膜的轉角處，即負極的內層負極塗層與隔膜的轉角處；第二應變傳感器探頭、第三應變傳感器探頭、第四應變傳感器探頭、第五應變傳感器探頭、第七應變傳感器探頭、第八應變傳感器探頭、第九應變傳感器探頭、第十應變傳感器探頭、第十一應變傳感器探頭、第十二應變傳感器探頭、第十三應變傳感器探頭與第十四應變傳感器探頭布置在鋰離子電池充放電過程中熱膨脹造成應力集中的側邊中心區域；第六應變傳感器探頭布置在鋰離子電池的中心區域。

技術方案中所述的第一應變傳感器探頭、第二應變傳感器探頭、第三應變傳感器探頭、第四應變傳感器探頭、第五應變傳感器探頭、第六應變傳感器探頭、……與第十四應變傳感器探頭(14)均為光纖應變傳感器探頭，探頭外徑為0.1mm～0.125mm。

技術方案中所述的應變傳感器探頭組件的輸出端和應變傳感器探頭光纖組件的一端絞合連接是指：所述的應變傳感器探頭組件包括6～14個應變傳感器探頭，即包括第一應變傳感器探頭、第二應變傳感器探頭、第三應變傳感器探頭、第四應變傳感器探頭、第五應變傳感器探頭、第六應變傳感器探頭、……與第十四應變傳感器探頭；所述的應變傳感器探頭光纖組件包括第一光纖、第二光纖、第三光纖、第四光纖、第五光纖、第六光纖、……與第十四光纖；第一應變傳感器探頭、第二應變傳感器探頭、第三應變傳感器探頭、第四應變傳感器探頭、第五應變傳感器探頭、第六應變傳感器探頭、……與第十四應變傳感器探頭的輸出端依次和第一光纖、第二光纖、第三光纖、第四光纖、第五光纖、第六光纖、……與第十四光纖的一端絞合連接。

技術方案中所述的第一光纖、第二光纖、第三光纖、第四光纖、第五光纖、第六光纖、……與第十四光纖均採用低損耗的單模光纖，尺寸為9/125μm，即光纖芯徑為9μm，包層後直徑為125μm。

技術方案中所述的應變傳感器探頭光纖組件的另一端和箱體內各個應變傳感器的輸入端絞合相連接是指：所述的應變傳感器探頭光纖組件包括第一光纖、第二光纖、第三光纖、第四光纖、第五光纖、第六光纖、……與第十四光纖；所述的箱體內設置有6～14個應變傳感器，即箱體內設置有第一應變傳感器、第二應變傳感器、第三應變傳感器、第四應變傳感器、第五應變傳感器、第六應變傳感器、……與第十四應變傳感器；第一光纖、第二光纖、第三光纖、第四光纖、第五光纖、第六光纖、……與第十四光纖的另一端依次和第一應變傳感器、第二應變傳感器、第三應變傳感器、第四應變傳感器、第五應變傳感器、第六應變傳感器、……與第十四應變傳感器的輸入端絞合連接。

與現有技術相比本實用新型的有益效果是：

1.本實用新型所述的鋰離子電池內應力的檢測裝置和測量方法在鋰離子電池製備過程中，將應變傳感器探頭均勻布於鋰離子電池內部容易出現應力集中的負極與隔膜的轉角處，即負極內層負極塗層與隔膜的轉角處、鋰離子電池充放電過程中熱膨脹易造成應力集中的側邊中心區域,具體可根據需要在每組(每組的各層組成由外到內依次為隔膜、負極塗層、負極集流體、負極塗層、隔膜、正極塗層、正極集流體、正極塗層)靠近內層負極塗層的側邊中心位置布置應變傳感器探頭，以及鋰離子電池的中心區域，從而能實時、準確的測得鋰離子電池內應力的分布情況。

2.本實用新型所述的鋰離子電池內應力的檢測裝置和測量方法通過將應變傳感器探頭埋入鋰離子電池內部，當鋰離子電池受到外載荷作用或鋰離子電池內部的鋰離子遷移時以及有熱應力產生時，將應變傳感器探頭組件通過應變傳感器探頭光纖組件連接至鋰離子電池外部箱體內的各個應變傳感器、模數轉換器、單片機和上位機，從而能實時測試鋰離子電池各個部位內應變的變化情況，將測得的鋰離子電池各個部位內應變的數值乘以其彈性模量，通過數學方法計算出鋰離子電池各個檢測部位的內應力值，提供了一種簡便易行、便於採集、能實時準確、多點測量鋰離子電池內應力的檢測裝置和測量方法，能實時判斷出鋰離子電池內應力過高的部位，進而優化鋰離子電池的工藝和結構設計；此外，還能更為精確的獲取鋰離子電池內應力的三維分布情況，為鋰離子電池內應力三維模型的建立提供更有效的數據。

3.本實用新型所述的鋰離子電池內應力的檢測裝置和測量方法中採用的應變傳感器探頭為光纖應變傳感器探頭，探頭外徑可細至0.1mm，具有尺寸小，靈敏度高、耐高溫、耐腐蝕、防爆、較好的抗電磁幹擾和原子輻射幹擾的能力等優點，能使用在強電磁幹擾、易燃易爆和有害等惡劣環境中。

4.本實用新型所述的鋰離子電池內應力的檢測裝置和測量方法中採用的應變傳感器探頭的光纖均為單模光纖，是一種優良的低損耗傳輸線，能用於長距離傳輸，具有低損耗與無線量帶寬的特性。

附圖說明

下面結合附圖對本實用新型作進一步的說明：

圖1為本實用新型所述的鋰離子電池內應力的檢測裝置和測量方法中應變傳感器探頭的放置位置和通孔的位置的軸測投影視圖；

圖2為本實用新型所述的鋰離子電池內應力的檢測裝置和測量方法中電芯卷繞前的截面圖；

圖3為本實用新型所述的鋰離子電池內應力的檢測裝置的結構組成示意框圖；

圖4為採用本實用新型所述的鋰離子電池內應力的檢測裝置測量鋰離子電池內應力的測量方法的流程框圖；

圖中：1.第一應變傳感器探頭，2.第二應變傳感器探頭，3.第三應變傳感器探頭，4.第四應變傳感器探頭，5.第五應變傳感器探頭，6.第六應變傳感器探頭，……，14.第十四應變傳感器探頭，15.第一光纖，16.第二光纖，17.第三光纖，18.第四光纖，19.第五光纖，20.第六光纖，……，28.第十四光纖，29.箱體，30.模數轉換器，31.單片機，32.上位機，33.鋰離子電池，34.正極，35.隔膜，36.負極，37.正極塗層，38.負極塗層，39.正極極耳，40.負極極耳，41.正極集流體，42.負極集流體。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作詳細的描述：

一個鋰離子電池主要由正極34、負極36、電解液及隔膜35組成，外加正負極引線、安全閥、PTC(正溫度控制端子)和電池殼等。正極34是由活性物質(LiCoO2/LiMnO2/LiNixCo1-xO2/LiFeO4)加導電劑和粘合劑混合均勻後塗覆在正極集流體41上，一般採用的正極集流體41是鋁箔，可以充當電池內外部電荷轉移的橋梁；負極36是由活性物質(石墨、MCMB、CMS)加導電劑和粘合劑混合均勻後塗覆在負極集流體42上，一般採用的負極集流體42是銅箔，可以充當電池內外部電荷轉移的橋梁；隔膜35是一種經特殊成型的高分子薄膜，薄膜具有微孔結構可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。將正極34、隔膜35、負極36以及正極極耳39、負極極耳40、保護膠帶、終止膠帶等物料固定在設備上，通過卷繞或者疊片的工藝完成電芯的製作。雖然鋰離子電池種類繁多，但其工作原理大致相同。充電時，鋰離子從正極塗層37中脫嵌，經過隔膜35和電解液嵌入到負極塗層38中；放電時以相反過程進行。

本實用新型所述的鋰離子電池內應力的檢測裝置包括應變傳感器探頭組件、應變傳感器探頭光纖組件、箱體29、模數轉換器30、單片機31與上位機32。

所述的應變傳感器探頭組件包括6～14個應變傳感器探頭，即包括第一應變傳感器探頭1、第二應變傳感器探頭2、第三應變傳感器探頭3、第四應變傳感器探頭4、第五應變傳感器探頭5、第六應變傳感器探頭6、……與第十四應變傳感器探頭14；

所述的應變傳感器探頭光纖組件包括第一光纖15、第二光纖16、第三光纖17、第四光纖18、第五光纖19、第六光纖20、……與第十四光纖28，各個光纖的長度根據需要進行截取。

所述的第一應變傳感器探頭1、第二應變傳感器探頭2、第三應變傳感器探頭3、第四應變傳感器探頭4、第五應變傳感器探頭5、第六應變傳感器探頭6、……與第十四應變傳感器探頭14均為光纖應變傳感器探頭，探頭外徑為0.1mm～0.125mm；應變傳感器探頭實際上是光纖應變片，是標準件。

所述的第一應變傳感器探頭1、第二應變傳感器探頭2、第三應變傳感器探頭3、第四應變傳感器探頭4、第五應變傳感器探頭5、第六應變傳感器探頭6、……與第十四應變傳感器探頭14在鋰離子電池33製作過程中均勻地布置在鋰離子電池33內部，個數為6～14個。

應變傳感器探頭組件具體位置為：第一應變傳感器探頭1布置在鋰離子電池33容易出現應力集中的負極36和隔膜35的轉角處，即圖2所示的負極36的內層負極塗層38與隔膜35的轉角處；第二應變傳感器探頭2、第三應變傳感器探頭3、第四應變傳感器探頭4、第五應變傳感器探頭5、第七應變傳感器探頭7、第八應變傳感器探頭8、第九應變傳感器探頭9、第十應變傳感器探頭10、第十一應變傳感器探頭11、第十二應變傳感器探頭12、第十三應變傳感器探頭13與第十四應變傳感器探頭14布置在鋰離子電池33充放電過程中熱膨脹易造成應力集中的側邊中心區域，具體可根據需要在每組(每組的各層組成由外到內依次為隔膜35、負極塗層38、負極集流體42、負極塗層38、隔膜35、正極塗層37、正極集流體41、正極塗層37)靠近內層負極塗層38的側邊中心位置布置應變傳感器探頭；第六應變傳感器探頭6布置在鋰離子電池33的中心區域；按14個布置。

所述的第一光纖15、第二光纖16、第三光纖17、第四光纖18、第五應力光纖19、第六光纖20、……與第十四光纖28均為單模光纖，尺寸為9/125μm，(光纖芯徑為9μm，包層後直徑為125μm)，是一種低損耗傳輸線。

所述的箱體29內設置有6～14個應變傳感器，即包括第一應變傳感器、第二應變傳感器、第三應變傳感器、第四應變傳感器、第五應變傳感器、第六應變傳感器、……與第十四應變傳感器；用於將各個應變傳感器探頭檢測到的光信號轉變為電壓信號。

所述的箱體29內的14(>6)個應變傳感器均是型號為SFO-W的光纖應變傳感器，具有靈敏度高，高空間解析度，不受電磁、射頻和閃電的幹擾，以及體積小、可靠性高、耐腐蝕等優異特點，適用於動、靜態測量，能超長距離、實時動態檢測作用於光纖上的應變變化情況，並且光纖的彎曲不會干擾信號的遠距離傳輸，用於將檢測到的光信號轉變為電壓信號。

所述的通孔設置在鋰離子電池33的上蓋處，通孔的直徑略大於所有應變傳感器探頭導線直徑的總和。

所述的模數轉換器30設在鋰離子電池外部，採用型號為ADC0809的模數轉換器，是一款CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式的A/D模數轉換器，轉換時間為128μs，可以實現8路模擬量轉換，用於將接收的電壓信號轉變為可以處理和運算的數位訊號。

所述的單片機31為型號是89S51的單片機，對模數轉換器30發出的數位訊號進行程序運算、處理和標定。

所述的上位機32用於完成數據信號的接收、處理、計算、存儲和顯示等。

將應變傳感器探頭組件的另一端和電池33的封裝結構外表面平齊，將應變傳感器探頭組件的另一端和應變傳感器探頭光纖組件一端端面進行適當的拋光研磨處理，並將應變傳感器探頭光纖組件的一端端面對準一端布置在鋰離子電池33內部的應變傳感器探頭組件的另一端並進行絞合連接，應變傳感器探頭光纖組件的另一端經適當的拋光研磨處理後分別絞合連接至箱體29內各個應變傳感器的接口端，箱體29內各個應變傳感器的輸出端分別連接至集成模數轉換器30的輸入端IN0～IN7，模數轉換器30輸出端的D0～D7分別與單片機31的8個引腳P0.0～P0.7連接，單片機31的輸出端通過RS232串口連接至上位機32。

採用本實用新型所述的鋰離子電池內應力的檢測裝置測量鋰離子電池內應力的方法：

本實用新型的鋰離子電池內應力的測量方法為將應變傳感器探頭組件布置在鋰離子電池33內部容易出現應力集中的負極36和隔膜35的轉角處、鋰離子電池33充放電過程中熱膨脹造成應力集中的側邊中心區域和鋰離子電池33的中心區域，通過通孔將應變傳感器探頭光纖組件引出鋰離子電池33，當有外載荷作用於鋰離子電池33或鋰離子電池33內部的鋰離子遷移時以及有熱應力產生時，應變傳感器探頭組件的輸出端通過應變傳感器探頭光纖組件和箱體29內各個應變傳感器的輸入端絞合相連，箱體29內各個應變傳感器的輸出端連接至模數轉換器30的輸入端，並將模數轉換器30的輸出端和單片機31的輸入端連接，單片機31的輸出端通過RS232串口連接至上位機32，即可實時測試鋰離子電池33各個部位內應變的變化情況，將測得的鋰離子電池各個部位內應變的數值乘以其彈性模量，通過數學方法計算出鋰離子電池各個檢測部位的內應力值。具體步驟如下：

1.製作鋰離子電池33

1)使用GC-200加強芯剪斷鉗裁取應變傳感器探頭組件，使應變傳感器探頭組件的另一端和電池33封裝結構外表面平齊，對應變傳感器探頭組件的另一端以及應變傳感器探頭光纖組件的一端端面進行拋光研磨處理，將應變傳感器探頭光纖組件的一端端面對準一端布置在鋰離子電池33內部的應變傳感器探頭組件的另一端並進行絞合連接。

2)用聚四氟乙烯薄膜將應變傳感器探頭組件和應變傳感器探頭光纖組件進行包裹或將應變傳感器探頭組件和應變傳感器探頭光纖組件的外側鍍有抗氫氟酸腐蝕的金屬材料。

3)將應變傳感器探頭組件的一端布置於鋰離子電池33內部，具體位置為：第一應變傳感器探頭1布置在鋰離子電池33內部容易出現應力集中的負極36和隔膜35的轉角處，即圖2所示的負極36的內層負極塗層38與隔膜35的轉角處；第二應變傳感器探頭2、第三應變傳感器探頭3、第四應變傳感器探頭4、第五應變傳感器探頭5、第七應變傳感器探頭7、第八應變傳感器探頭8、第九應變傳感器探頭9、第十應變傳感器探頭10、第十一應變傳感器探頭11、第十二應變傳感器探頭12、第十三應變傳感器探頭13和第十四應變傳感器探頭14布置在鋰離子電池33充放電過程中熱膨脹易造成應力集中的側邊中心區域，具體可根據需要在每組(每組的各層組成由外到內依次為隔膜35、負極塗層38、負極集流體42、負極塗層38、隔膜35、正極塗層37、正極集流體41、正極塗層37)靠近內層負極塗層38的側邊中心位置布置應變傳感器探頭；第六應變傳感器探頭6布置在鋰離子電池33的中心區域。

4)在鋰離子電池33的上蓋處設置一直徑略大於應變傳感器探頭組件直徑的通孔。

5)通過通孔將應變傳感器探頭光纖組件引出鋰離子電池33,再將通孔用焊錫密封。

6)對鋰離子電池33進行包膠、封裝、注液，完成鋰離子電池33的製作。

2.將布置有應變傳感器探頭組件的鋰離子電池33和本實用新型所述的鋰離子電池內應力的檢測裝置的其它設備連接，即將應變傳感器探頭光纖組件的另一端和箱體29內各個應變傳感器的輸入端絞合連接，箱體29內各個應變傳感器的輸出端與模數轉換器30的輸入端連接，模數轉換器30的輸出端和單片機31的輸入端連接，單片機31的輸出端通過RS232串口和上位機32連接。

3.測量鋰離子電池33的內應力

1)當外載荷作用於鋰離子電池33或鋰離子電池33內部的鋰離子遷移時以及有熱應力產生時，光纖在應力作用下發生微彎擾動，光信號從光源發出，應變傳感器探頭組件接收光源的輻射檢測到光信號，應變傳感器探頭組件檢測到的光信號通過應變傳感器探頭光纖組件傳至鋰離子電池外部箱體29內的應變傳感器；

2)光信號經箱體29內的應變傳感器將光信號處理轉變成電壓信號並進行放大，之後對放大的電壓信號進行低通濾波處理，處理後的電壓信號傳至模數轉換器30；

3)模數轉換器30將接收到的各個電壓信號轉變為可以處理和運算的數位訊號，數位訊號經模數轉換器30的輸出端傳至單片機31；

4)單片機31對數位訊號進行程序運算、處理和標定後，通過RS232串口發送至上位機32，

5)上位機32處理後即可顯示鋰離子電池33各個部位內應變的數值，將測得的鋰離子電池各個部位內應變的數值乘以其彈性模量，通過數學方法計算出鋰離子電池各個檢測部位的內應力值。

本實用新型在鋰離子電池33製備過程中，將應變傳感器探頭埋入鋰離子電池內部容易出現應力集中的負極36和隔膜35的轉角處，即負極36的內層負極塗層38與隔膜35的轉角處、鋰離子電池充放電過程中熱膨脹造成應力集中的側邊中心區域，具體可根據需要在每組(每組的各層組成由外到內依次為隔膜35、負極塗層38、負極集流體42、負極塗層38、隔膜35、正極塗層37、正極集流體41、正極塗層37)靠近內層負極塗層38的側邊中心位置布置應變傳感器探頭，以及鋰離子電池33的中心區域，當鋰離子電池受到外載荷作用或鋰離子電池內部的鋰離子遷移時以及有熱應力產生時，將應變傳感器探頭組件通過應變傳感器探頭光纖組件連接至鋰離子電池外部箱體29內的各個應變傳感器、模數轉換器30、單片機31和上位機32，從而能實時測試鋰離子電池各個部位內應變的變化情況，將測得的鋰離子電池各個部位內應變的數值乘以其彈性模量，通過數學方法計算出鋰離子電池各個檢測部位的內應力值。提供了一種簡便易行、便於採集、能實時準確、多點測量鋰離子電池內應力的檢測裝置和測量方法，能實時判斷出鋰離子電池內應力過高的部位，進而優化鋰離子電池的工藝和結構設計；此外，還能更為精確的獲取鋰離子電池內應力的三維分布情況，為鋰離子電池內應力三維模型的建立提供更有效的數據。