電池電芯質量檢驗的研究

景 軍，蔣典兵，張慶祥

（1.青島市計量技術研究院，青島266100；2.青島銳捷智能儀器有限公司，青島266100）

新能源產業作為新興戰略型產業發展迅猛，其中的電池部分作為新能源領域的重要組成部分，其發展前景也對電池隔膜的技術和應用提出新的挑戰。 目前，市場上對隔膜新材料、新技術的發展等方面多有研究，我國在鋰電池隔膜、動力電池隔膜方面出臺了一系列的體系和制度[1]。 然而在實際生產中，由于不同形狀、不同容量的電芯在層數、材料和卷繞速度上的要求不同，以及車間環境（溫濕度等）的變化和粉塵顆粒（料塵、空氣中粉塵）、焊渣等不可控因素的存在，容易影響隔膜加工成型后的電芯質量。 這些是當前在電池生產過程中所普遍存在的問題。 因此，研究對部分存在安全可靠性隱患問題的電芯， 在生產過程中進行有效的識別和處理，是十分必要的。

1 電池隔膜簡介

電池主要由正極材料、負極材料、電池隔膜、電解液和電池殼組成[2]。 電池隔膜作為電池正極、負極之間的一種隔膜，其材質要有良好的絕緣性，從而將電池內部的正負極隔開，防止電池短路[3]，它對電池的安全性能有著非常重要的作用。

隔膜的材質對電池的性能有很大影響，電池的種類不同，所采用的隔膜材料也不相同。 作為電池的重要原材料，當前國內外對隔膜技術的發展不盡相同，但發展的主要趨勢依然是隔膜安全性的提升[2]。

電池在線檢測技術在國內外均已取得一定的成就[4]，主要是通過對電池內阻的檢測來反應電池的健康狀況[5]。 測試方法為電池檢測提供了技術支撐，主要有直流電阻測試法、脈沖測試法、交流阻抗圖譜法等。 電池的容量、循環特性、安全性能等都與隔膜的特性息息相關[6]，越來越多的電池事故使得電池的安全性愈發重要，日益廣泛的應用也對電池生產的安全性能和品質提出了更高的要求。 電芯作為電池的一個重要組成部分，對其技術發展和未來期望都給予了充分的重視。 隨著隔膜技術的迅速發展，隔膜加工成型后的電芯安全也將成為研究的主要內容，其質量的在線檢測成為目前的研究重點。

2 電芯質量檢驗

隔膜加工成型后形成的電芯是電池的核心，一般使用性價比高的電池卷繞機對隔膜卷繞成型。 電池卷繞設備根據自動化程度、卷繞工位、電池形狀等不同分為多種。 在此以方形半自動動力電池卷繞設備對隔膜卷繞成型后的卷芯為例進行分析。

卷繞設備驅動電機通過聯軸器帶動輸入軸轉動，輸入軸連接2 組同步輪帶動針套轉動，達到兩卷針同步， 實現電芯的卷繞。 電池隔膜卷芯如圖1所示，由正極片、負極片和2 層隔膜依次疊放，卷繞多層后形成。 正負極上分別焊有極耳，形成電池卷芯的正負極，極片由隔膜分開以防止接觸。

圖1 電池隔膜卷芯的構成Fig.1 Composition of battery diaphragm core

在電池隔膜卷繞環節，隔膜隨著卷針轉動的過程中，一方面由于蛇形運動[7]致使電芯出現卷繞歪斜等現象，隔膜邊緣縮小，導致電芯中的正負極直接接觸，電芯短路。 另一方面，由于生產環境等不可控因素的存在，例如空氣環境不達標，導致粉塵或者其它尖銳的雜物附著在電芯隔膜上， 刺穿隔膜，有可能導致極片損傷、隔膜破損等情況發生，造成電芯內部短路。 如果未能將這些次品從良品電芯中排查出來，在使用過程中次品電芯的微短路處會緩慢發熱，致使臨近的隔膜逐漸老化，使得層間短路，最終可能導致電池爆炸。 因此，對隔膜加工成型后的電芯進行生產線上的質量檢驗，是非常必要的。

2.1 絕緣電阻表測試

目前，對卷芯質量的在線檢測一般采用絕緣電阻表連接極耳， 對卷芯進行絕緣阻值測試的方法。當絕緣電阻表啟動測試時， 輸出電壓施加于極耳，根據歐姆定律，通過檢測流過電芯的漏電流計算出絕緣阻值。 根據絕緣電阻表的測試原理，其測試物理模型為“純阻性”時，可快速測試出被測品的絕緣電阻。 純阻性被測品理論測試過程如圖2 所示，因無容性負載的耦合作用影響，電壓、電流和電阻理論變化過程與實際測試過程基本一致。

圖2 絕緣電阻表理論測試過程Fig.2 Theoretical testing process of Insulation resistance meter

在實際測試過程中，測試準確性和時間是由被測品的阻容特性所決定的。 在測試“電容特性”較為突出的容阻性負載時，因電容本身的儲能和耦合特性的存在，電流變化會在主脈絡上存在較為頻繁的劇烈波動。 容性+阻性被測品實際測試過程如圖3所示，在電壓穩定輸出的情況下，由于電流頻繁地變化波動，導致電阻值發生波動。

圖3 絕緣電阻表實際測試過程Fig.3 Actual test process of Insulation resistance meter

使用絕緣電阻表對電芯進行測試時，在加壓過程中，充電電流會存在一個“瞬時沖擊很大，而后逐漸震蕩衰弱”的過程，絕緣電阻表在測試過程中通過取平均值的方法去忽略掉那些較為頻繁的劇烈波動，且由于測試時間為秒量級，響應速度慢，只能通過測試所得到的阻值對電芯質量粗略地加以區分，而對于電芯內部的瞬間放電過程則無法進行準確描述，因而電芯內部存在的微損傷、微短路等無法進行有效識別。

使用絕緣電阻表對A，B，C 這3 塊電芯（如圖4所示）進行測試。已知，A 為良品電芯，B 為微短路電芯，C 為不合格（嚴重短路）電芯。

圖4 3 塊測試用電芯Fig.4 Three test cores

使用絕緣電阻表分別對圖4 所示電芯施加200 V 電壓，測試時間均為5 s，阻值的測試結果如下：電芯A，（50～60）MΩ；電芯B，（50～60）MΩ；電芯C，0.02 MΩ。 良品電芯A 和微短路電芯B 的絕緣電阻值均在（50～60）MΩ 之間波動，不合格電芯C 的阻值僅為0.02 MΩ。由此可知，使用絕緣電阻表進行測試，可以有效地區分出良品電芯與不合格（嚴重短路）電芯，但無法有效地識別微短路電芯。

2.2 脈沖式電芯微短路測試儀測試

為了解決微短路電芯的識別與判斷，采用脈沖式電芯微短路測試儀進行測試分析。 電芯在高壓的激勵下，因短路或微短路而發生異常放電時，儀器會在很短的時間內檢測到相應的電壓變化，并隨之做出相應的判斷和狀態輸出。分別對A，B，C 這3 塊電芯進行測試，結果如圖5 所示。

圖5 脈沖式電芯微短路測試儀的測試結果Fig.5 Test results of pulse core micro-short circuit tester

圖中，Vp 為被測品實際脈沖電壓爬升值；Vd1為被測品在脈沖爬升過程中檢測到的放電參數；Vd2 為被測品在脈沖峰值狀態檢測到的放電參數。Vp，Vd1，Vd2 均由被測品的優良狀態決定。

由圖5b 可見，電芯B 不合格（NG）而觸發報警，脈沖波形伴隨打火、放電的過程劇烈抖動，觸發了Vd1 和Vd2 報警條件。 此類報警多為正負極因粉塵擊穿、材料不均導致穿刺擊穿、金屬屑導致負極與殼體擊穿、邊沿毛刺導致擊穿放電。 電芯C 不合格（NG）報警，是因為電芯存在嚴重短路。

綜上，由絕緣電阻表和脈沖式電芯微短路測試儀測試結果可知，脈沖式電芯微短路測試儀可以有效識別電芯內部微損傷、 微短路等問題的存在，對于電芯的質量檢測起到重要作用。

3 結語

對電芯進行在線檢測，可以有效提高電池生產質量，很大程度地避免電池在后工段出現嚴重自放電、冒煙起火等問題，安全程度更高。 同時，由于在電池加工過程中剔除了不合格品，提高了生產效率，降低了生產成本，加強企業競爭力。