一種鋰離子電池極片組微短路故障檢測方法

李克鋒，耿盼盼，張曉霞，葛偉，沈川杰

（上海空間電源研究所，上海 200245）

鋰離子電池具備比能量密度高、比功率大、循環壽命長、無記憶效應、自放電小以及使用方便等優點，被廣泛應用于新能源汽車、航空、航天以及船舶等領域。隨著鋰離子電池技術發展，人們希望鋰離子電池具有更低的自放電率，而極片組的微短路則是影響鋰離子電池自放電性能的重要因素之一。鋰離子電池極片組微短路的主要原因包括隔膜缺陷、極片毛刺、導電多余物夾雜等。極片組的微短路故障是一種非常隱蔽的隱患，部分微短路故障需要一定的外界條件才能觸發，如環境溫度交變、大電流充放電以及力學振動等。目前，大部分報道主要針對鋰離子電池自放電機理和降低自放電改進方法的研究，而針對鋰離子電池極片組微短路故障檢測方法的研究較少。本方法采取一定的手段快速暴露出鋰離子電池極片組的微短路故障，然后通過微短路檢測并剔除具有微短路故障的鋰離子電池極片。

1 微短路故障檢測原理

鋰離子電池在生產過程中，極片存在金屬毛刺、導電多余物夾雜、隔膜缺陷等，造成鋰離子電池正、負極片之間直接或間接形成明顯的導電回路，導致鋰離子電池成品電池自放電率增大或經過一定外界條件作用后自放電率突然增大。根據鋰離子極片組內部微短路的作用原理，對鋰離子電池極片組在垂直于極片平面的方向上均勻施加一定的壓力，若鋰離子電池極片組已經存在的短路點隱患，在該壓力的作用下正、負極之間的隱患點將導通。此時，向極片組的正、負兩極之間施加50V～250V 的直流電壓以測試正、負極之間的絕緣電阻值，微短路極片的組絕緣電阻存在一個可接受值，低于該值，說明其存在短路故障；高于該值，則說明其不存在短路故障或短路故障可以忽略。

2 檢測裝置設計

2.1 絕緣電阻計的選用

本研究選用的設備為日本KIKUSUI 公司生產的TOS7200 型絕緣電阻計（圖1），其輸出電壓可在1V分辨率下任意設定，量程為25～1000V，具有窗口比較器計時器功能，可有效進行各類電阻試驗，電阻測量范圍0.01～5000MΩ。除此之外，其上還標準安裝有可從外部調用的面板存儲器、SIGNAL I/O 連接器和RS-232C 接口。

圖1 TOS7200 型絕緣電阻計照片

2.2 加壓工裝設計

加壓工裝主要是為了保證各極片間接觸良好，模擬出極片組在入殼后正常充放電的工作狀態下的受力情況，提高檢測的一致性。根據確保每組極片組所受壓強大小一致，壓力大小可控、可測，適用不同厚度、不同尺寸的極片組，使用過程中需要有效避免多余物，以及避免高壓直流電對人體造成安全性問題等原則，對加壓工裝進行設計，獲得了如圖2 所示的加壓工裝三維模型示意圖，該工裝由可調式托板、加壓板、檢測電極、壓力表、彈性金屬板等組成。

圖2 加壓工裝三維模型示意圖

從圖2 可以看到，可調式托板下層起到支撐作用，上層可以活動并與下層匹配。可調式托板上層移出后可以將極片組放置在其上與極片組匹配的限位槽內，極片組與可調式托板上層一同放回可調式托板下層上。極片組上方為加壓板，加壓板上安裝兩個檢測電極，檢測電極的探頭分別對準極片組的兩個極耳，加壓板上面的彈性金屬板受到壓力機向下施加的壓力，加壓板以一定的壓力均勻壓在極片組上表面。同時，檢測電極壓在極片組的正、負極耳上。檢測電極連接到絕緣電阻計上，絕緣電阻計對測量正、負極耳之間的絕緣電阻值。當壓力值達到規定值時，壓力機收到壓力計的反饋后停止施壓，壓力機壓力釋放，絕緣電阻計采集到絕緣電阻值最低值并保持顯示絕緣電阻最低值，該絕緣電阻峰值即為所需測量的絕緣電阻值。

2.3 微短路故障檢測

通過絕緣電阻計選擇和加壓工裝設計，最終獲得了極片微短路檢測裝置，具體如圖3 所示。

圖3 極片組微短路檢測裝置

如圖3 所示，壓力工裝配合臺式壓力機進行使用，通過金屬材料的彈性變形實現了壓力的正常檢測，并根據極片組面積大小，可以調節施加不同的壓力，保證了檢驗壓強的一致性。檢測電極通過調節可以自由活動，可以適應不同厚度的極片組。可調式托板完全滿足極片組定位的需求，保證了極片組與檢測電極之間有效接觸，確保檢測的有效性和可靠性。檢測電極用導線連接到絕緣電阻計上，壓力機下壓時，檢測電極加載到極片正、負極上，絕緣電阻極記錄并顯示出絕緣電阻的最低值，從而獲得了極片組的絕緣電阻值。

3 結果分析

通過該檢測裝置，對某型號的極片組件裝配成成品電池進行測試，發現當極片組件的絕緣電阻低于10MΩ 時，制備的成品鋰離子電池在經過環境應力篩選后，其自放電率均高于5%；當極片組件的絕緣電阻高于10MΩ 時，制備的成品鋰離子電池在經過應力篩選后，其自放電率均低于5%。

由此可見，本研究設計的微短路故障檢測裝置可以有效剔除具有微短路隱患的極片組，避免了后續成品電池使用過程中出現微短路的故障，產品的可靠性因此得到提高。

4 結語

本方法通過設計微短路故障檢測工裝，配合TOS7200 型絕緣電阻計，對鋰離子電池極片組的絕緣電阻進行檢測。通過應力篩選試驗，結果表明：本研究的方法可有效剔除鋰離子電池內部潛在的微短路故障風險，從而使得鋰離子電池成品的可靠性得到提高。