聚合物鋰電池漏液檢測方法的開發(fā)

張政濤

【摘要】本文介紹開發(fā)一種能夠判斷電池是否漏液的方法，對(duì)聚合物電池漏液檢測進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】漏液；VOC測試儀

隨著聚合物電池工藝發(fā)展和客戶要求的不斷提高，漏液已經(jīng)成為聚合物電池質(zhì)量控制難點(diǎn)，也是產(chǎn)品質(zhì)量最核心競爭力的載體，如何防止漏液電池產(chǎn)生，并最大可能杜絕漏液電池流出到客戶端，成為各電池廠家競爭的一個(gè)重要方面。然而，針對(duì)聚合物電池的漏液問題，各廠家都沒有有效的方法檢驗(yàn)，開發(fā)一種能夠判斷電池是否漏液的方法，對(duì)聚合物電池漏液檢測有實(shí)際意義。

一、聚合物鋰電池漏液概念簡介

聚合物鋰離子電池鋁塑包裝殼破裂、封裝密封性差、腐蝕開裂的情況下，其內(nèi)部的電解液漏出，同時(shí)外部空氣進(jìn)入電池體內(nèi)，引起電池鼓氣的現(xiàn)象，漏液不良被客戶定義為涉及安全的不良類型。

二、檢測方法方案簡介

為了防止聚合物電池出現(xiàn)漏液不良的問題，工程技術(shù)上一方面改進(jìn)封裝方法，提高封裝密封性能，另一方面改進(jìn)檢驗(yàn)漏液的方法，一般有以下幾種檢驗(yàn)電池是否漏液的方法：

1、外觀檢查，通過100%的人工檢驗(yàn)，觀察是否有電解液流出和電池外觀變形等。這種方法是最傳統(tǒng)的方法，也是在現(xiàn)實(shí)中最易操作的，但依賴人員的檢出力，其防呆性能較差。這就是原有的檢測方法。

2、真空檢測，使用真空的方法，利用漏液電池鼓氣的特點(diǎn)，對(duì)電池整體抽真空，在漏液電池內(nèi)外形成較大的壓差，電解液可能被伴隨著內(nèi)部產(chǎn)氣流出電池，再進(jìn)行外觀檢查，將不良挑出。這種方法檢出率較低，但因其操作性較好也是常用的方法。

3、泄漏物質(zhì)檢測，電池一旦發(fā)生漏夜，其內(nèi)部的電解液會(huì)流到電池外，如果能夠敏感的檢測到電解液，就可以判斷電池是否發(fā)生漏液，這種方法的局限性在于沒有成形的測試機(jī)構(gòu)，對(duì)電解液特別敏感，應(yīng)用較少，一般較多的使用PH試紙，石蕊試液等化學(xué)試劑。若能夠解決檢測電解液的方法問題，則是最有前途的一種檢測手段。

在檢測方案設(shè)計(jì)之初，我們按照第三種方法進(jìn)行開發(fā)，并將重點(diǎn)先確定在能夠檢測電解液的儀器開發(fā)上來，通過市場調(diào)研，我們了解到VOC測試儀能夠?qū)τ袡C(jī)物很敏感，而電解液的主要成分也是有機(jī)物，因此存在重大的改善應(yīng)用機(jī)會(huì)。

三、VOC測試儀介紹

測試儀（Volatile Organic Compounds）是利用一組光離子化傳感器PID （ photo ionization detector）對(duì)有機(jī)揮發(fā)組分進(jìn)行檢測的儀器，主要用于環(huán)境檢測、監(jiān)控，安全等特殊行業(yè)。工作過程及原理是：通過內(nèi)置的空氣泵將待檢測環(huán)境的氣體吸入光離子化器中進(jìn)行電離，電離有機(jī)氣體，并收集電離電壓，轉(zhuǎn)化成數(shù)字顯示出來，數(shù)值的大小反應(yīng)環(huán)境中的有機(jī)氣體的摩爾含量，一般單位為PPb、PPm。

四、方案設(shè)計(jì)原理路徑分析

1、VOC測試儀對(duì)有機(jī)揮發(fā)氣體敏感度實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)分5個(gè)組別進(jìn)行，測試對(duì)象分別為普通環(huán)境、極片車間、電解液氛圍、合格電池旁邊、漏液電池旁邊；測試儀顯示數(shù)值分別為：0—10PPb、500—1000PPb、5000PPm以上、0—20PPb、50—200PPb。通過以上簡單的實(shí)驗(yàn)可以看出，VOC測試儀對(duì)環(huán)境中的有機(jī)氣體是很敏感的，其對(duì)聚合物的電解液也是敏感的，不同環(huán)境能夠引起VOC測試儀的示數(shù)發(fā)生明顯的變化。說明利用VOC測試儀進(jìn)行漏液檢測是可能的。

2、電池測試實(shí)驗(yàn)

（1）正常電池，密封性良好，其內(nèi)部電解液不會(huì)出現(xiàn)在電池外部，少量的有機(jī)揮發(fā)組分，實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，引起VOC測試儀較小示數(shù)變化或者不能引起示數(shù)變化，測試數(shù)值小表明無大量有機(jī)揮發(fā)物，電池?zé)o破損，判定電池OK。

（2）漏液電池，密封失效，其內(nèi)部的電解液能夠通過某種方式從泄漏點(diǎn)逸散到電池外部，電解液分解產(chǎn)生揮發(fā)性或其小分子組分逸出，實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，被VOC測試儀檢測到，引起示數(shù)較大變化，測試數(shù)值大表明有大量有機(jī)揮發(fā)物，電池可能漏液或表面有電解液，判定電池NG。

3、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由于測試儀和測試環(huán)境等因素的限制，我們不能用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此根據(jù)各因素的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了兩套方案，并優(yōu)化。

（1）方案1：測試溫度25℃，真空度-90KPa，真空時(shí)間300s，空氣流動(dòng)，漏液孔尺寸0.1mm，測試數(shù)量8—30Pcs，用自制測試盒收集揮發(fā)組分。本方案對(duì)電池施加真空，希望增加漏液電池的電解液組分的揮發(fā)，自制一個(gè)測試腔體，增加測試儀探頭區(qū)域內(nèi)有機(jī)組分的濃度，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：測試系統(tǒng)的檢出不符合要求，但能粗略的反應(yīng)測試對(duì)象中是否有漏液電池的存在；測試裝置密封性差，受到外界環(huán)境的影響太大。通過上述分析確認(rèn)本方案由于其測試波動(dòng)性大，數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確檢出漏液電池，不能滿足要求。

（2）方案2：測試溫度20℃，真空度-90KPa，真空時(shí)間15s，空氣流動(dòng)，漏液孔任意大小，測試數(shù)量8—30Pcs，使用專用密封裝置收集揮發(fā)組分。本方案中在有機(jī)含量相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中，特制了一組具備盛放電池、抽真空、充放氣體的真空密封測試裝置，配套自動(dòng)計(jì)時(shí)器和VOC測試儀。結(jié)果看出，該方法能夠明顯區(qū)分漏液電池與正常電池，且單次測試數(shù)量較多，產(chǎn)能提升空間較大；測試系統(tǒng)受壓縮空氣質(zhì)量或環(huán)境的波動(dòng)較小，測試系統(tǒng)穩(wěn)定，可操作性強(qiáng)。本套方案是較理想的測試系統(tǒng)。

通過對(duì)以上兩套方案的對(duì)比和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終選定第二套方案為最終的參數(shù)優(yōu)化測試方案。

4、檢測參數(shù)優(yōu)化

（1）設(shè)計(jì)單次檢測數(shù)量（6—24只）和抽真空時(shí)間（10—15s只）的2因子實(shí)驗(yàn)，評(píng)估測試正常電池?cái)?shù)量和真空保持時(shí)間對(duì)檢測系統(tǒng)的影響。

（2）設(shè)計(jì)固定抽真空時(shí)間15s，單次檢測6只、12只、18只、24只正常電池時(shí)，動(dòng)態(tài)偵測VOC測試儀的變化過程，讀取第10s、第15s時(shí)VOC測試儀的讀數(shù)，分析其差值。

（3）固定抽真空時(shí)間15s，單次檢測正常電池?cái)?shù)量24只，動(dòng)態(tài)偵測VOC測試儀抽氣檢測時(shí)的數(shù)值變化，分析其最佳讀數(shù)時(shí)間。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，隨著單次檢測正常電池?cái)?shù)量的增加，真空保持時(shí)間增加，測試值增加；各組不同檢測個(gè)數(shù)的讀數(shù)，第10s和第15s之間的差值是基本一致的，即其數(shù)值變化率相當(dāng)；每組測試過程中，VOC測試值隨著時(shí)間的增加，先升高后降低，在約5s時(shí)達(dá)到最大值，因此最佳讀數(shù)時(shí)間在5—10s范圍內(nèi)。

通過以上的分析和改善，最終確定VOC檢查漏液電池的參數(shù)為測試溫度20℃，真空度-90KPa，真空時(shí)間15s，抽氣檢測時(shí)間10s，使用流動(dòng)的壓縮氣體，測試數(shù)量為小電池8Pcs，大電池30PCS，使用特制的嚴(yán)格密封的測試裝置進(jìn)行揮發(fā)組分收集，測試環(huán)境穩(wěn)定。

5、檢測方法驗(yàn)證

對(duì)采用前述優(yōu)化后的條件進(jìn)行的驗(yàn)證測量，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，正常電池的測試數(shù)值均小于測試上限值，且其值呈正態(tài)分布；漏液不良電池的測試數(shù)值均大于上限值，且其值無規(guī)律散亂分布；大型號(hào)電池測試數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小型號(hào)電池測試數(shù)值。以上數(shù)據(jù)均可量化反映正常電池與漏液不良電池的區(qū)別，可以判斷電池是否發(fā)生漏液。

五、結(jié)語

通過對(duì)聚合物鋰離子電池漏液檢測方法的研究，我們實(shí)現(xiàn)了新的應(yīng)用。