絕緣耐電壓測試參數(shù)對測試結(jié)果的影響

趙星星，饒紹建，張 富，郭 浪

（萬向一二三股份公司，浙江 杭州 311215）

電芯內(nèi)部存在短路是引起鋰離子電池安全問題的主要原因之一。絕緣耐電壓（Hi-pot）測試是一項重要的針對電池內(nèi)部短路風(fēng)險的質(zhì)量檢測篩選手段，廣泛應(yīng)用于鋰離子電池生產(chǎn)制造過程中，具有十分重要的作用[1-4]。

鋰離子電池生產(chǎn)制造過程中，通常采用疊片或卷繞的方式將正、負極片和隔膜組裝在一起，該過程制成的半成品一般被稱為裸電芯。隔膜將正、負極片間隔開，但是隔膜中的孔隙可以允許Li+自由通過。Hi-pot測試主要是檢測電芯內(nèi)部是否存在顆粒異物、隔膜是否存在破損點，或者極片邊緣是否存在嚴重的毛刺等質(zhì)量問題，一般采用絕緣電阻測量儀進行測試。

為了確保Hi-pot測試有效地檢測出裸電芯內(nèi)部可能潛在的短路問題，本文作者重點探究了Hi-pot測試的測試時間、測試壓力和測試電壓等關(guān)鍵因素對結(jié)果的影響，以期指導(dǎo)生產(chǎn)時更準確地設(shè)定測試參數(shù)。

1 實驗

1.1 實驗設(shè)備及原理

實驗采用HIOKI 5520絕緣電阻測試儀（日本產(chǎn)）。測試開始時，測試儀給裸電芯施加一個電壓，該電壓持續(xù)一段規(guī)定的時間后，檢測器檢測漏電流的電流值，并轉(zhuǎn)化為絕緣阻抗，根據(jù)絕緣阻抗是否在設(shè)定規(guī)定范圍內(nèi)，判斷裸電芯正負極之間有無短路。

一般測試過程中施加電壓的流程見圖1。

圖1 Hi-pot測試過程示意圖Fig.1 Diagram of high potential（Hi-pot）test process

在一定時間t1內(nèi)，對裸電芯從0開始加電壓，至設(shè)定值U;電壓U保持一段時間至t2;測試完成，切斷測試電壓，裸電芯正負極形成的雜散電容短接放電。

1.2 實驗樣品

實驗樣品采用本公司同一批次制作的常規(guī)疊片式裸電芯（308.5 mm×102.5 mm×9.9mm），標稱電壓3.2 V，額定容量31 Ah，正極活性物質(zhì)為磷酸鐵鋰，負極活性物質(zhì)為石墨，隔膜為聚乙烯（PE）基膜。

1.3 實驗方法

當前所使用的測試設(shè)備升壓到設(shè)置電壓U的時間t1為0.5 s，延遲時間設(shè)置的一般要求是大于該升壓時間，t2為測試時間。

重復(fù)測試:采用兩種方式對同一批電芯進行Hi-pot測試，測試條件為延遲時間1.5 s，測試時間4.0 s，測試壓力200 N，測試電壓250 V。方式1:測試后，不進行正負極短接處理，連續(xù)測試，兩次測試時間間隔3 s以內(nèi)。方式2:測試后將正負極進行短接處理，再進行重復(fù)測試。

不同延遲時間:為避免測試時間過短對不同延遲時間測試結(jié)果的影響，測試時間采用相對充足的10.5 s，然后采用1～10 s的延遲時間進行測試。測試壓力為200 N，測試電壓為250 V。

不同測試時間:為避免延遲時間過短對不同測試時間測試結(jié)果的影響，采用1.5 s和2.5 s兩種延遲時間進行測試，測試時間為3～10 s。測試壓力為200 N，測試電壓為250 V。

不同測試壓力:受限于設(shè)備所能提供的測試壓力最大為600 N，用 200 N、450 N和600 N等3個壓力進行對比測試。延遲時間為1.5 s，測試時間為4.0 s，測試電壓為250 V。

不同測試電壓:絕緣電阻測試設(shè)備的測試電壓為0～1 000 V，在 100 V、250 V、500 V和1 000 V等4個電壓下進行對比測試。延遲時間為1.5 s，測試時間為4.0 s，測試壓力為200 N。

測試壓力和測試電壓對Hi-pot測試不良（NG）品檢出率影響的測試方法:實際生產(chǎn)中，Hi-pot測試NG電芯比例很低。為了避免大批量電芯實驗，首先人為制造10只含金屬異物的缺陷裸電芯樣件，異物為焊接工序負極銅金屬焊渣，焊渣形貌不一，尺寸為50～200μm。異物引入方式為用鑷子向裸電芯第5層正負極片的間隙放入3顆負極銅金屬焊渣。針對10只人為NG異物電芯，對比了250 V電壓下，200 N和600 N不同壓力下的NG電芯檢出率;對比了450 N壓力下，250 V、500 V和1 000 V不同電壓下的NG電芯檢出率。最后，選取250 V、450 N，250 V、600 N，500 V、450 N等3種測試條件，在生產(chǎn)線上進行了批量驗證。

2 結(jié)果與討論

2.1 重復(fù)測試

采用兩種方式對同一批電芯進行Hi-pot重復(fù)測試，兩種方式的測試結(jié)果見圖2。

圖2 重復(fù)測試方式的測試結(jié)果Fig.2 Test results of repeated test methods

從圖2可知，方式1重復(fù)測試，隨測試次數(shù)的增加，結(jié)果逐漸增大，8次連續(xù)測試后，結(jié)果趨于相對穩(wěn)定;方式2重復(fù)測試，結(jié)果相對穩(wěn)定。這是因為:正極/隔膜/負極構(gòu)成的雜散電容在測試時進行了充電，測試后，若不進行正負極短接，仍會殘留電量;重復(fù)測試時，因極化導(dǎo)致的極化電流減小，測得的絕緣阻抗會變大;正負極短接后，可以放掉首次測試時充入的電量，因此測試結(jié)果相對穩(wěn)定。將電芯放置更長時間以緩慢放電，也能使重復(fù)測試結(jié)果保持相對穩(wěn)定。

2.2 測試時間

Hi-pot測試的時間設(shè)置，主要包括測試時間和延遲時間。分別驗證兩個時間的變化對結(jié)果的影響。

首先，固定測試時間為10.5 s，然后，調(diào)整延遲時間為1～10 s，測試結(jié)果見圖3。

圖3 延遲時間對測試結(jié)果的影響Fig.3 Effects of delay time on test results

從圖3可知，在固定的10.5 s測試時間條件下，延遲時間從1 s增加到10 s，絕緣阻抗基本保持穩(wěn)定，延遲時間對測試結(jié)果的影響較小。

為驗證測試時間對Hi-pot測試結(jié)果的影響，分別固定延遲時間為1.5 s、2.5 s，調(diào)整測試時間，測試結(jié)果見圖4。

圖4 測試時間對測試結(jié)果的影響Fig.4 Effects of test time on test results

從圖4可知，在固定的延遲時間下，隨測試時間的延長，測試結(jié)果逐漸增大。這是因為:在Hi-pot測試過程中，設(shè)備檢測到的電流主要包括電容電流、極化電流和漏電流等，電壓達到最大值后，電容電流快速消失;剩余極化電流和漏電流，隨著測試時間增加，極化電流逐漸減小，漏電流基本保持不變，絕緣阻抗結(jié)果也就隨之逐漸增大。

相同測試時間下不同延遲時間的絕緣阻抗見表1。

表1 相同測試時間下不同延遲時間的絕緣阻抗Table 1 Insulation impedance of different delay time at the same test time

從表1可知，在相同的測試時間下，2.5 s和1.5 s延遲時間下的絕緣阻抗結(jié)果接近。該數(shù)據(jù)同樣可以驗證，延遲時間對測試結(jié)果的影響較小。

2.3 測試壓力

Hi-pot測試時，對裸電芯施加一定的外部壓力，能使正、負極和隔膜的接觸更緊密，讓內(nèi)部可能存在的異物擠壓隔膜，以便更容易地檢測出存在的異物。采用相同的測試電壓（250 V）將裸電芯用不同的壓力進行測試，結(jié)果見圖5。

圖5 不同測試壓力下的測試結(jié)果Fig.5 Test results at different test pressures

從圖5可知，在測試壓力為200～600 N時，提升測試壓力對測試結(jié)果的影響較小。

2.4 測試電壓

裸電芯的耐電壓擊穿能力與隔膜本身的耐電壓強度有關(guān)，隔膜越薄，耐電壓強度越低。測試電壓應(yīng)根據(jù)隔膜的耐電壓強度設(shè)定，最高不能高于隔膜本征擊穿電壓，否則會對正常電芯的隔膜造成損壞。絕緣電阻測試設(shè)備的測試電壓為0～1 000 V，而裸電芯Hi-pot測試所用常規(guī)測試電壓為250 V。實驗在相同的測試壓力（450 N）下，分別測試100 V、250 V、500 V和1 000 V下的絕緣阻抗，結(jié)果見圖6。

圖6 不同測試電壓下的絕緣阻抗結(jié)果Fig.6 Insulation resistance results at different test voltages

從圖6可知，隨著測試電壓的升高，絕緣阻抗呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，電壓升高到1 000 V，也未發(fā)生擊穿。這說明，當前實驗樣品使用的隔膜耐擊穿電壓高于1 000 V。

2.5 測試壓力和測試電壓對Hi-pot測試檢出率的影響

測試壓力實驗表明，壓力在200～600 N時對測試結(jié)果的影響較小，但根據(jù)理論分析，如果正負極之間存在一定尺寸的異物，增大測試壓力，正負極之間的間距減小，隔膜被異物擠壓，正負極之間的隔膜被擊穿，電壓會下降。如果加載相同的電壓，漏電流可能增大到超過設(shè)定的警報值，從而更有效地識別異物;測試電壓也是如此。異物擠壓隔膜，增大測試電壓，可使低電壓下不足以擊穿隔膜的異物，在高電壓下發(fā)生擊穿，表現(xiàn)出較大的漏電流，從而更有效地識別出異物。為了研究測試壓力和測試電壓對Hi-pot測試檢出率的影響，人為向裸電芯內(nèi)部添加少量金屬異物，制作NG電芯，通過對比不同測試壓力和測試電壓下的測試結(jié)果（見表2），評估增大測試壓力和測試電壓對NG裸電芯檢出情況的影響。

表2 不同Hi-pot測試條件下NG電芯檢出結(jié)果Table 2 Not good（NG）cell detection results at different Hipot test conditions

從表2可知，當測試電壓為250 V時，在200 N和600 N的測試壓力下，NG電芯檢出率無明顯區(qū)別。當測試壓力為450 N時，在250 V的測試電壓下，10只人為異物NG電芯檢測出5只;當測試電壓升高到500 V和1 000 V時，分別檢測出6只和7只。這表明，增大測試電壓可以提高NG裸電芯檢出率。有一定數(shù)量的添加少量金屬異物的電芯無法通過Hi-pot測試檢測出來，原因是:添加金屬異物的顆粒大小和形貌不同，若異物顆粒過小或形貌偏片狀，測試時對隔膜的擠壓或損傷較小，無法體現(xiàn)出較大的漏電流。

基于上述人為NG電芯的實驗結(jié)果，為了進一步驗證測試壓力和測試電壓的影響，分別進行放大批量測試實驗，考察測試壓力和測試電壓對正常批量電芯檢出率的影響，對相鄰時間點生產(chǎn)的同一批次電芯進行測試對比，結(jié)果見表3。

表3 不同測試條件下NG電芯檢出率Table 3 NG cell detection rate at different test conditions

從表3可知，測試壓力由450 N提高到600 N，NG 率變化不大;測試電壓由250 V提高到500 V，NG率由0.13%提高到0.31%，明顯增大。假設(shè)該時間段該批次電芯的異物控制水平相近，測試電壓增大，NG電芯檢出率明顯提高。Hi-pot測試檢出的NG裸電芯拆解后，在隔膜上可發(fā)現(xiàn)金屬異物導(dǎo)致的擊穿點。

3 結(jié)論

綜上所述，Hi-pot測試時間對絕緣阻抗大小有影響，測試時間越長，檢測出來的電流越小，測試結(jié)果越大;延遲時間對測試結(jié)果影響很小，根據(jù)實際生產(chǎn)來確定測試時間，建議延時時間至少為0.5 s，測試時間至少為1.0 s。

實驗對比了壓力為200～600 N時測試電壓對結(jié)果的影響，結(jié)果顯示，該壓力范圍內(nèi)壓力對測試結(jié)果的影響很小;測試電壓是影響Hi-pot測試的關(guān)鍵因素。當電壓為100～1 000 V時，測試絕緣阻抗隨測試電壓的增大而減小，電壓升高，可提高NG電芯的檢出率，需要設(shè)定合理的電壓來保證測試的有效性，但不能無限制地增大電壓，否則會導(dǎo)致正常電芯被誤判為不良品。建議測試電壓以不超過隔膜本征擊穿電壓的50%為宜。