一种软包电池的多场原位应变表征方法及装置

1.本发明属于电池原位表征测试设备及技术领域，特别是涉及一种软包电池的多场原位应变表征方法及装置。


背景技术：

2.剪切增稠电解质是一种新型安全电池材料，具有特殊力学响应特征，能在冲击载荷下由液态转化为类固态，有效降低锂离子电池因机械滥用引起的热失控风险。研究显示，剪切增稠电解质粘度、临界剪切速率、储能模量、损失模量等参数都对温度具有显著的敏感性，电载荷的变化也会影响含有剪切增稠电解质电池的热稳定性及电化学性能。但服役工况下含有剪切增稠电解质电池的吸能缓冲效率、电化学性能等方面的影响因素尚不明确。如何通过实验方法直观、定量地分析含有剪切增稠电解质软包电池的热稳定性、机械稳定性和电化学特性，对剪切增稠电解质的实际应用起着至关重要的作用。
3.迄今为止，已有多种实验方法被应用于剪切增稠电解质及其电池的原位及非原位表征。目前针对含有剪切增稠电解质电池的安全性及可靠性研究，主要集中于热/机械/电化学等单一载荷下热稳定性、力学性能和电化学性能表征，例如，监测含有剪切增稠电解质电池在冲击条件下的开路电压稳定性；使用显色压敏纸间接表征冲击条件下含有剪切增稠电解质电池的压力分布；通过高速相机捕捉含有剪切增稠电解质在落球冲击下的形态变化。相比于传统的接触式机械应变测量方式，近年来新兴的基于数字图像相关法的原位表征技术，可以采用非接触式的测量方式为材料的全场应变提供实时的分析支持。已有一系列的研究利用该技术对充放电过程中的电极应变进行原位表征，如利用数字图像相关法技术实现对石墨负极因自身膨胀导致的应变进行原位表征。
4.上述对剪切增稠电解质的表征方法都能在一定程度上反映电解质的抗冲击性能，但仍存在以下问题和挑战：(1)依靠单一的电压波动、显色分布等分析方法仅能对电池的安全性进行定性评估，无法根据测试中的电池电压、表面温度、表面应变等多种安全特性参数的变化对电池安全性进行定量的评估和分级。(2)电池服役环境复杂，且在极端情况下通常伴随热、力、电化学等多种滥用条件。在现有研究中提供的单物理场测试条件下，无法系统分析含有剪切增稠电解质电池在热-力-电化学载荷多因素影响下的安全性能。(3)如果将多个单物理场作用下的测试结果进行组合，用于分析电池在多场作用下的力-化耦合行为，不仅需要多个电池、多次测试，费时费力，而且无法排除多次测试中电池的差异性，难以体现出在各物理场耦合下电池力学行为演化的准确性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出一种软包电池的多场原位应变表征方法及装置，解决了目前多物理场耦合下，含有剪切增稠电解质电池的安全性能分析方式单一、分析结果不连续且难以量化的问题。
6.为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
7.第一方面，本发明实施例提供了一种软包电池的多场原位应变表征方法，包括：
8.将含有剪切增稠电解质的软包电池散斑标记面朝上，置于原位观测平台凹槽处，正负极耳接出硬质板；
9.使用智能控温装置将环境温度调整至实验温度，开启红外热像仪，对准所述软包电池；
10.固定机械加载装置于所述原位观测平台冲击窗口下方，并将所述点动装置连接所述防爆罩外的可调电源；
11.将所述软包电池连接电池测试系统进行充放电测试；
12.将ccd相机连接电脑并对准所述原位观测平台观测窗口，启动拍摄；
13.调节所述防爆罩外可调电源参数，启动机械加载装置；
14.输出第一时刻和第二时刻所述软包电池对应的第一力学行为信息和第二力学行为信息；
15.根据所述第一力学行为信息和所述第二力学行为信息，得到所述软包电池的表面应变。
16.优选地，所述第一力学行为信息包括多场载荷在第一时刻的应变云图、表面平均应变及点应变，第二力学行为信息包括多场载荷在第二时刻的应变云图、表面平均应变及点应变。
17.优选地，所述方法还包括：
18.将ccd相机对准所述原位观测平台观测窗口，连接至电脑并调焦至所述软包电池表面散斑图案显示清晰，开启ccd相机快速捕捉模式。
19.优选地，所述将含有剪切增稠电解质的软包电池散斑标记面朝上之前，包括：
20.采用热塑性丙烯酸气雾漆在含有剪切增稠电解质软包电池表面均匀喷涂散斑图案。
21.第二方面，本发明实施例提供了一种软包电池的多场原位应变表征装置，包括：
22.(1)机械加载装置，所述机械加载装置包括l型底座、冲杆、冲头、可调电源及点动装置；所述l型底座上开有定位孔，使用螺栓连接将机械加载装置固定在隔振平台上；所述冲杆行程可调，冲头与冲杆为螺纹连接，冲头具有可拆卸性；所述可调电源可调整机械加载装置冲杆的冲击力；
23.(2)原位观测系统，所述原位观测系统包括aramis测试系统、ccd相机和原位观测平台，获取任一时刻或任一时间段内所述软包电池的表面温度、充放电曲线及力学行为实况信息；观测平台由上硬质板、下硬质板、长螺杆和六角螺母固定于机械加载装置上方，硬质板间放置电池样品；原位观测平台和机械加载装置均置于防爆罩内；
24.(3)智能控温装置，所述智能控温装置包括智能温控设备、红外热像仪，所述智能温控设备嵌在防爆罩内；
25.(4)电池测试系统，所述电池测试系统通过导线与锂离子电池的正负极连接；
26.(5)防爆罩，所述防爆罩的上方开有一透明观测口，透明观测口为电池提供原位表征观测通道；防爆罩的侧面设置有出线嘴口，用于防爆罩内外装置的连接；防爆罩顶部侧角安装有补光灯。
27.优选地，所述上硬质板中心位置开圆形孔作为ccd相机观测窗口，所述下硬质板中
心位置开圆形孔作为冲击窗口，所述下硬质板的上表面中心位置开设一浅凹槽，用于固定所述软包电池；所述上硬质板、所述下硬质板分别设有四个通孔，用于长螺杆穿过；所述长螺杆为上、下两端带有螺纹的实心圆柱，且标记有标尺刻度，所述上硬质板、所述下硬质板通过六角螺母固定在长螺杆上端，所述长螺杆下端使用螺栓与所述隔振平台固定。
28.本发明实施例提供了一种软包电池的多场原位应变表征方法，包括：采用热塑性丙烯酸气雾漆在含有剪切增稠电解质软包电池表面均匀喷涂散斑图案；使用智能控温装置将环境温度调整至实验温度；将所述软包电池散斑面朝上置于原位观测平台凹槽处，正负极耳接出硬质板；开启红外热像仪，对准所述软包电池，记录电池的表面实时温度；固定机械加载装置于所述原位观测平台冲击窗口下方，并将所述点动装置连接防爆罩外的可调电源；将所述软包电池连接电池测试系统进行充放电测试；机械加载装置连接防爆罩外的可调电源，输出所述软包电池在不同温度场、机械载荷作用及充放电条件下的表面温度、充放电曲线及力学行为信息。相较于现有技术，具有以下有益效果：
29.1)能够提供集热、力、电化学场加载功能于一体的测试系统，以模拟电池服役中的复杂工况；
30.2)可以实现对电池表面温度、放电电压、表面应变等多个关键参数在测试全过程中任一时间节点或任一时间段内的耦合数据监测及定量分析；
31.3)该方法可应用于含有剪切增稠电解质软包电池的热-力-电化学耦合特性研究领域，灵活适应不同类型的耦合特性原位表征需求；
32.4)该方法的操作简单、高效、应用范围广，为高性能含有剪切增稠电解质软包电池的设计优化以及锂离子软包电池的安全评价提供了理论支持。
附图说明
33.图1为本发明一实施例提供的一种软包电池的多场原位应变表征装置的结构示意图；
34.图2为本发明一实施例提供的机械加载装置的结构示意图；
35.图3为本发明一实施例提供的原位观测平台的结构示意图；
36.图4为本发明一实施例提供的防爆罩的结构示意图；
37.图5为本发明一实施例提供的软包电池在多场作用下的原位电压-表面平均应变图；
38.图6为本发明一实施例提供的软包电池在多场作用下的应变云图；
39.图7为本发明一实施例提供的软包电池在多场作用下的点应变图；
40.图8为本发明一对比例提供的软包电池在多场作用下的应变云图。
41.附图标记说明：软包电池1、智能控温设备2、红外热像仪3、机械加载装置4、防爆罩5、可调电源6、电池测试系统7、ccd相机8、aramis系统9、隔震平台10、补光灯11、l型底座12、冲杆13、冲头14、点动装置15、上硬质板16、下硬质板17、长螺杆18、凹槽19、透明观测口20、出线嘴口21、六角螺母22、观测窗口23、冲击窗口24。
具体实施方式
42.以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的
具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
43.除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
44.对本发明进行进一步详细说明之前，对本发明实施例中涉及的名词和术语进行说明，本发明实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释：
45.1)剪切增稠：体系粘度随着剪切速率或剪切应力的增加展现出数量级增加的非牛顿流体行为；
46.2)散斑：人为地在试件表面制作随机特征点，用于光学捕捉；
47.3)含有剪切增稠电解质软包电池：将剪切增稠电解质作为离子传输介质替换常规液态电解质，装配成软包电池；
48.4)数字图像相关法：对未变形和变形状态下的试件表面散斑标记图像进行计算处理，获得全场位移的一种方法；
49.5)力-电化学耦合关系：同一过程中电池表面应变与放电电压等参数的关系；
50.6)应变：材料受到力载荷后相对初始状态的变形比例；
51.7)第一力学行为信息：指机械加载装置的冲杆从上行接触软包背面至下行离开软包电池背面全过程中，第一时刻记录的所述软包电池的表面应变信息；
52.8)第二力学行为信息：指机械加载装置的冲杆从离开软包电池背面至结束拍摄全过程中，第二时刻记录的所述软包电池的表面应变信息。
53.本发明实施例提供了一种软包电池的多场原位应变表征方法，包括：
54.将含有剪切增稠电解质的软包电池散斑标记面朝上，置于原位观测平台凹槽处，正负极耳接出硬质板；
55.使用智能控温装置将环境温度调整至实验温度，开启红外热像仪，对准所述软包电池；
56.固定机械加载装置于所述原位观测平台冲击窗口下方，并将所述点动装置连接所述防爆罩外的可调电源；
57.将所述软包电池连接电池测试系统进行充放电测试；
58.将ccd相机连接电脑并对准所述原位观测平台观测窗口，启动拍摄；
59.调节所述防爆罩外可调电源参数，启动机械加载装置；
60.输出第一时刻和第二时刻所述软包电池对应的第一力学行为信息和第二力学行为信息；
61.根据所述第一力学行为信息和所述第二力学行为信息，得到所述软包电池的表面应变。
62.这里，需要说明的是，本发明实施例中的力学行为信息是选取冲击接触时、冲击过程、冲击撤去后三个过程的分析，第一时刻和第二时刻包括上述冲击接触时、冲击过程、冲击撤去后的任一时间点或任一时间段。
63.在一实施方式中，所述第一力学行为信息包括多场载荷在第一时刻的应变云图、表面平均应变及点应变，第二力学行为信息包括多场载荷在第二时刻的应变云图、表面平均应变及点应变。
64.在一实施方式中，所述方法还包括：
65.将ccd相机对准所述原位观测平台观测窗口，连接至电脑并调焦至所述软包电池表面散斑图案显示清晰，开启ccd相机快速捕捉模式。
66.在一实施方式中，所述将含有剪切增稠电解质的软包电池散斑标记面朝上之前，包括：
67.采用热塑性丙烯酸气雾漆在剪切增稠电解质软包电池表面均匀喷涂散斑图案。
68.第二方面，本发明实施例提供了一种软包电池的多场原位应变表征装置，包括：
69.(1)机械加载装置，所述机械加载装置包括l型底座、冲杆、冲头、可调电源及点动装置；所述l型底座上开有定位孔，使用螺栓连接将机械加载装置固定在隔振平台上；所述冲杆行程可调，冲头与冲杆为螺纹连接，冲头具有可拆卸性；所述可调电源可调整机械加载装置冲杆的冲击力；
70.(2)原位观测系统，所述原位观测系统包括aramis测试系统、ccd相机和原位观测平台，获取任一时刻或任一时间段内所述软包电池的表面温度、充放电曲线及力学行为实况信息；观测平台由上硬质板、下硬质板、长螺杆和六角螺母固定于机械加载装置上方，硬质板间放置电池样品；原位观测平台和机械加载装置均置于防爆罩内；
71.(3)智能控温装置，所述智能控温装置包括智能温控设备、红外热像仪，所述智能温控设备嵌在防爆罩内；
72.(4)电池测试系统，所述电池测试系统通过导线与锂离子电池的正负极连接；
73.(5)防爆罩，所述防爆罩的上方开有一透明观测口，透明观测口为电池提供原位表征观测通道；防爆罩的侧面设置有出线嘴口，用于防爆罩内外装置的连接；防爆罩顶部侧角安装有补光灯。
74.在一实施方式中，所述上硬质板中心位置开圆形孔作为ccd相机观测窗口，所述下硬质板中心位置开圆形孔作为冲击窗口，所述下硬质板的上表面中心位置开设一浅凹槽，用于固定所述软包电池；所述上硬质板、所述下硬质板分别设有四个通孔，用于长螺杆穿过；所述长螺杆为上、下两端带有螺纹的实心圆柱，且标记有标尺刻度，所述上硬质板、所述下硬质板通过六角螺母固定在长螺杆上端，所述长螺杆下端使用螺栓与所述隔振平台固定。
75.下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
76.实施例1
77.待测电池：剪切增稠电解质软包电池
78.装置：如图1所示，将原位观测平台4支长螺杆固定在隔震平台上，并调整、固定原位观测平台高度；所述软包电池正负极连接电池测试系统，置于下硬质板上表面浅槽中，并通过六角螺栓夹紧上下硬质板；通过l型底座定位孔将冲击载荷装置固定于原位观测平台的下硬质板的冲击窗口下方；原位观测系统的ccd相机置于原位观测平台观测口上方，调焦至能清晰观察到电池表面散斑图案。
79.工作过程
80.步骤一：在水氧含量是《0.1ppm的氩气气氛的手套箱内组装含有剪切增稠电解质的软包电池；
81.步骤二：在所述电池表面均匀喷涂热塑性丙烯酸气雾漆散斑图案，置于恒温干燥箱中静置8小时；
82.步骤三：将软包电池散斑面向上置于原位观测平台下硬质板上表面浅槽中，并通过导线将正负极接出硬质板，用螺母固定上下硬质板；
83.步骤四：开启红外热像仪，对准所述软包电池，记录电池的表面实时温度；
84.步骤五：将机械加载装置固定于原位观测平台冲击窗口正下方位置，并将所述点动装置连接所述防爆罩外的可调电源；
85.步骤六：调节智能控温装置，对原位观测平台的电池施加40℃的环境温度；
86.步骤七：在上述固定温度下，将所述电池用电池测试系统进行5c下的充放电测试，记录电池的充放电曲线；
87.步骤八：将ccd相机连接电脑，对准所述原位观测平台观测口，调节所述ccd相机焦距至所述软包电池表面散斑图案显示清晰，开启相机快速捕捉模式，对所述电池表面散斑进行数字图像信息采集；
88.步骤九：通过调节可调电源将冲击力设为16n，启动点动装置对电池施加单次冲击载荷，然后关闭相机捕捉模式；
89.步骤十：使用aramis测试系统对采集的数字图像信息进行计算分析，得到所述软包电池在热/机械/电化学多条件作用下的全过程应变云图、表面平均应变及点应变等力学演化信息，以及电池运行不同阶段对应的充放电曲线和表面温度的连续变化。综合以上信息，分析所述软包电池在多场载荷下第一时刻和第二时刻的第一力学行为信息及第二力学行为信息，包括软包电池的力-电化学耦合关系及热稳定性。
90.结果分析：
91.(1)多载荷实时热-力-电耦合分析：将采集到的信息汇总处理，得到测试全过程任一时间点或任一时间段内所述剪切增稠电解质软包电池电压、表面应变和表面温度的实时数据。例如附图5所示，x轴表示时间，左y轴表示放电电压，右y轴表示表面平均应变。所述剪切增稠电解质软包电池在冲击力加载过程中(100ms内，记录时间1.4-1.5s)，观测到电池表面发生形变，随着机械载荷装置的冲杆向电池背面挤压，表面平均应变逐渐增大，同时电池的放电电压随表面平均应变的增大而降低，呈负线性相关关系。软包电池表面平均应变以每秒0.695％的速率增至0.74％，电压以每秒0.3v的速率降低至3.114v；冲杆行程达到最高后开始下行(100ms内，记录时间1.5-1.6s)，电池表面平均应变随力载荷的撤销逐渐降低，恢复至0.157％，同时，所述软包电池放电电压继续以0.014v/s匀速降低至3.100v，在所述软包电池表面平均应变恢复的过程中，放电电压与表面平均应变呈正线性相关关系；冲杆完全撤离原位观测平台下表面后(记录时间1.6-12s)，所述剪切增稠软包电池表面平均应变缓慢降低至0.135％，同时放电电压向原电压平台恢复，上升速率逐渐变缓，直到稳定在初始放电电压平台；的任一时间点或任一时间段
92.(2)多载荷原位应变云图分析：上述实施例1输出的应变云图中选取不同阶段(冲击接触时、冲击过程、冲击撤去后)任一时间点的应变云图，如附图6所示。所述剪切增稠电解质软包电池在所述机械加载装置的冲击力加载过程中，中心区域出现明显应变，云图呈现从冲击中心向周围逐渐发展的网状应变，且网状云图颜色随力加载过程逐渐加深；冲杆行程达到最高后开始下行，所述软包电池应变云图的网状结构从边缘向冲击中心方向颜色
逐渐变淡，最后网状应变结构消失，基本恢复至初始状态，这一结果与表面平均应变曲线结果相吻合；
93.(3)多载荷实时点应变分析：从上述实施例1输出的应变云图dic分析区域中提取了冲击中心位置任一点的应变数据，如附图7所示，展示了该点在冲击力载荷作用下的变形演化，点应变依赖于dic系统对电极表面分析位置的选取，实施例1中所选取位置的点应变峰值为0.32％，小于表面平均应变(0.74％)，但整体趋势和各阶段的时间节点与表面平均应变曲线一致。
94.实施例2
95.待测电池：剪切增稠电解质软包电池
96.装置：如图1所示，将原位观测平台4支长螺杆固定在隔震平台上，并调整、固定原位观测平台高度；所述软包电池正负极连接电池测试系统，置于下硬质板上表面浅槽中，并通过六角螺栓夹紧上下硬质板；通过l型底座定位孔将冲击载荷装置固定于原位观测平台的下硬质板的冲击窗口下方；原位观测系统的ccd相机置于原位观测平台观测口上方，调焦至能清晰观察到电池表面散斑图案。
97.工作过程
98.步骤一：在水氧含量是《0.1ppm的氩气气氛的手套箱内组装含有剪切增稠电解质的软包电池；
99.步骤二：在所述电池表面均匀喷涂热塑性丙烯酸气雾漆散斑图案，置于恒温干燥箱中静置8小时；
100.步骤三：将软包电池散斑面向上置于原位观测平台下硬质板上表面浅槽中，并通过导线将正负极接出硬质板，用螺母固定上下硬质板；
101.步骤四：开启红外热像仪，对准所述软包电池，记录电池的表面实时温度；
102.步骤五：将机械加载装置固定于原位观测平台冲击窗口正下方位置，并将所述点动装置连接所述防爆罩外的可调电源；
103.步骤六：调节智能控温装置，对原位观测平台的电池施加25℃的环境温度；
104.步骤七：在上述固定温度下，将所述电池用电池测试系统进行0.1c下的充放电测试，记录电池的充放电曲线；
105.步骤八：将ccd相机连接电脑，对准所述原位观测平台观测口，调节所述ccd相机焦距至所述软包电池表面散斑图案显示清晰，开启相机快速捕捉模式，对所述电池表面散斑进行数字图像信息采集；
106.步骤九：通过调节可调电源将冲击力设为16n，启动点动装置对电池施加单次冲击载荷，然后关闭相机捕捉模式；
107.步骤十：使用aramis测试系统对采集的数字图像信息进行计算分析，得到所述软包电池在热/机械/电化学多条件作用下的全过程应变云图、表面平均应变及点应变等力学演化信息，以及电池运行不同阶段对应的充放电曲线和表面温度的连续变化。综合以上信息，分析所述软包电池在多场载荷下第一时刻和第二时刻的第一力学行为信息及第二力学行为信息，包括软包电池的力-电化学耦合关系及热稳定性。
108.结果分析：
109.(1)多载荷实时热-力-电耦合分析：将采集到的信息汇总处理，得到测试全过程任
一时间点或任一时间段内所述剪切增稠电解质软包电池电压、表面应变和表面温度的实时数据。所述剪切增稠电解质软包电池在冲击力加载过程中，观测到电池表面发生形变，随着机械载荷装置的冲杆向电池背面挤压，表面平均应变逐渐增大，同时电池的放电电压随表面平均应变的增大而降低，呈负线性相关关系。软包电池表面平均应变以每秒0.407％的速率增至0.45％，电压以每秒0.05v的速率降低至3.379v；冲杆行程达到最高后开始下行，电池表面平均应变随力载荷的撤销逐渐降低，恢复至0.118％，所述软包电池放电电压继续以0.006v/s匀速降低至3.373v。在所述软包电池表面平均应变恢复的过程中，放电电压与表面平均应变呈正线性相关关系；冲杆完全撤离原位观测平台下表面后，所述剪切增稠软包电池表面平均应变缓慢降低至0.106％，同时放电电压向原电压平台恢复，上升速率逐渐变缓，直到稳定在初始放电电压平台；
110.(2)多载荷原位应变云图分析：上述实施例2输出的应变云图中选取不同阶段(冲击接触时、冲击过程、冲击撤去后)任一时间点的应变云图。所述剪切增稠电解质软包电池在所述机械加载装置的冲击力加载过程中，中心区域出现一定程度的应变，云图呈现从冲击中心向周围逐渐发展的网状应变，且网状云图颜色随力加载过程逐渐加深；冲杆行程达到最高后开始下行，所述软包电池应变云图的网状结构从边缘向冲击中心方向颜色逐渐变淡，最后网状应变结构消失，基本恢复至初始状态，这一结果与表面平均应变曲线结果相吻合；
111.(3)多载荷实时点应变分析：从上述实施例2输出的应变云图dic分析区域中提取了冲击中心位置任一点的应变数据，展示了该点在冲击力载荷作用下的变形演化，点应变依赖于dic系统对电极表面分析位置的选取，实施例2中所选取位置的点应变峰值为0.08％，小于表面平均应变(0.45％)，但整体趋势和各阶段的时间节点与表面平均应变曲线一致。
112.实施例3
113.待测电池：剪切增稠电解质软包电池
114.装置：如图1所示，将原位观测平台4支长螺杆固定在隔震平台上，并调整、固定原位观测平台高度；所述软包电池正负极连接电池测试系统，置于下硬质板上表面浅槽中，并通过六角螺栓夹紧上下硬质板；通过l型底座定位孔将冲击载荷装置固定于原位观测平台的下硬质板的冲击窗口下方；原位观测系统的ccd相机置于原位观测平台观测口上方，调焦至能清晰观察到电池表面散斑图案。
115.工作过程
116.步骤一：在水氧含量是《0.1ppm的氩气气氛的手套箱内组装含有剪切增稠电解质的软包电池；
117.步骤二：在所述电池表面均匀喷涂热塑性丙烯酸气雾漆散斑图案，置于恒温干燥箱中静置8小时；
118.步骤三：将软包电池散斑面向上置于原位观测平台下硬质板上表面浅槽中，并通过导线将正负极接出硬质板，用螺母固定上下硬质板；
119.步骤四：开启红外热像仪，对准所述软包电池，记录电池的表面实时温度；
120.步骤五：将机械加载装置固定于原位观测平台冲击窗口正下方位置，并将所述点动装置连接所述防爆罩外的可调电源；
121.步骤六：调节智能控温装置，对原位观测平台的电池施加25℃的环境温度；
122.步骤七：在上述固定温度下，将所述电池用电池测试系统进行5c下的充放电测试，记录电池的充放电曲线；
123.步骤八：将ccd相机连接电脑，对准所述原位观测平台观测口，调节所述ccd相机焦距至所述软包电池表面散斑图案显示清晰，开启相机快速捕捉模式，对所述电池表面散斑进行数字图像信息采集；
124.步骤九：通过调节可调电源将冲击力设为16n，启动点动装置对电池施加单次冲击载荷，然后关闭相机捕捉模式；
125.步骤十：使用aramis测试系统对采集的数字图像信息进行计算分析，得到所述软包电池在热/机械/电化学多条件作用下的全过程应变云图、表面平均应变及点应变等力学演化信息，以及电池运行不同阶段对应的充放电曲线和表面温度的连续变化。综合以上信息，分析所述软包电池在多场载荷下第一时刻和第二时刻的第一力学行为信息及第二力学行为信息，包括软包电池的力-电化学耦合关系及热稳定性。
126.结果分析：
127.(1)多载荷实时热-力-电耦合分析：将采集到的信息汇总处理，得到测试全过程任一时间点或任一时间段内所述剪切增稠电解质软包电池电压、表面应变和表面温度的实时数据。所述剪切增稠电解质软包电池在冲击力加载过程中，观测到电池表面发生形变，随着机械载荷装置的冲杆向电池背面挤压，表面平均应变逐渐增大，同时电池的放电电压随表面应变的增大而降低，呈负线性相关关系。软包电池表面平均应变以每秒0.409％的速率增至0.46％，电压以每秒0.087v的速率降低至3.323v；冲杆行程达到最高后开始下行，所述电池表面平均应变随力载荷的撤销逐渐降低，恢复至0.126％，电池放电电压继续以0.011v/s匀速降低至3.312v，在所述软包电池表面平均应变恢复的过程中，放电电压与表面平均应变呈正线性相关关系；冲杆完全撤离原位观测平台下表面后，所述剪切增稠软包电池表面平均应变缓慢降低至0.108％，同时放电电压向原电压平台恢复，上升速率逐渐变缓，直到稳定在初始放电电压平台；
128.(2)多载荷原位应变云图分析：上述实施例3输出的应变云图中选取不同阶段(冲击接触时、冲击过程、冲击撤去后)任一时间点的应变云图。所述剪切增稠电解质软包电池在所述机械加载装置的冲击力加载过程中，中心区域出现一定程度的应变，云图呈现从冲击中心向周围逐渐发展的网状应变，且网状云图颜色随力加载过程逐渐加深；冲杆行程达到最高后开始下行，所述软包电池应变云图的网状结构从边缘向冲击中心方向颜色逐渐变淡，最后网状应变结构消失，基本恢复至初始状态，这一结果与表面平均应变曲线结果相吻合；
129.(3)多载荷实时点应变分析：从上述实施例3输出的应变云图dic分析区域中提取了冲击中心位置任一点的应变数据，展示了该点在冲击力载荷作用下的变形演化，点应变依赖于dic系统对电极表面分析位置的选取，实施例3中所选取位置的点应变峰值为0.14％，小于表面平均应变(0.46％)，但整体趋势和各阶段的时间节点与表面平均应变曲线一致。
130.实施例4
131.待测电池：剪切增稠电解质软包电池
132.装置：如图1所示，将原位观测平台4支长螺杆固定在隔震平台上，并调整、固定原位观测平台高度；所述软包电池正负极连接电池测试系统，置于下硬质板上表面浅槽中，并通过六角螺栓夹紧上下硬质板；通过l型底座定位孔将冲击载荷装置固定于原位观测平台的下硬质板的冲击窗口下方；原位观测系统的ccd相机置于原位观测平台观测口上方，调焦至能清晰观察到电池表面散斑图案。
133.工作过程
134.步骤一：在水氧含量是《0.1ppm的氩气气氛的手套箱内组装含有剪切增稠电解质的软包电池；
135.步骤二：在所述电池表面均匀喷涂热塑性丙烯酸气雾漆散斑图案，置于恒温干燥箱中静置8小时；
136.步骤三：将软包电池散斑面向上置于原位观测平台下硬质板上表面浅槽中，并通过导线将正负极接出硬质板，用螺母固定上下硬质板；
137.步骤四：开启红外热像仪，对准所述软包电池，记录电池的表面实时温度；
138.步骤五：将机械加载装置固定于原位观测平台冲击窗口正下方位置，并将所述点动装置连接所述防爆罩外的可调电源；
139.步骤六：调节智能控温装置，对原位观测平台的电池施加40℃的环境温度；
140.步骤七：在上述固定温度下，将所述电池用电池测试系统进行0.1c下的充放电测试，记录电池的充放电曲线；
141.步骤八：将ccd相机连接电脑，对准所述原位观测平台观测口，调节所述ccd相机焦距至所述软包电池表面散斑图案显示清晰，开启相机快速捕捉模式，对所述电池表面散斑进行数字图像信息采集；
142.步骤九：通过调节可调电源将冲击力设为16n，启动点动装置对电池施加单次冲击载荷，然后关闭相机捕捉模式；
143.步骤十：使用aramis测试系统对采集的数字图像信息进行计算分析，得到所述软包电池在热/机械/电化学多条件作用下的全过程应变云图、表面平均应变及点应变等力学演化信息，以及电池运行不同阶段对应的充放电曲线和表面温度的连续变化。综合以上信息，分析所述软包电池在多场载荷下第一时刻和第二时刻的第一力学行为信息及第二力学行为信息，包括软包电池的力-电化学耦合关系及热稳定性。
144.结果分析：
145.(1)多载荷实时热-力-电耦合分析：将采集到的信息汇总处理，得到测试全过程任一时间点或任一时间段内所述剪切增稠电解质软包电池电压、表面应变和表面温度的实时数据。所述剪切增稠电解质软包电池在冲击力加载过程中，观测到电池表面发生形变，随着机械载荷装置的冲杆向电池背面挤压，表面平均应变逐渐增大，同时电池的放电电压随应变的增大而降低，呈负线性相关关系。软包电池表面平均应变以每秒0.578％的速率增至0.63％，电压以每秒0.075v的速率降低至3.335v；冲杆行程达到最高后开始下行，所述电池表面平均应变随力载荷的撤销逐渐降低，恢复至0.148％，电池放电电压继续以0.009v/s匀速降低至3.326v。在所述软包电池表面平均应变恢复的过程中，放电电压与表面平均应变呈正线性相关关系；冲杆完全撤离原位观测平台下表面后，所述剪切增稠软包电池表面平均应变缓慢降低至0.121％，同时放电电压向原电压平台恢复，上升速率逐渐变缓，直到稳
定在初始放电电压平台；
146.(2)多载荷原位应变云图分析：上述实施例4输出的应变云图中选取不同阶段(冲击接触时、冲击过程、冲击撤去后)任一时间点的应变云图。所述剪切增稠电解质软包电池在所述机械加载装置的冲击力加载过程中，中心区域出现较明显应变，云图呈现从冲击中心向周围逐渐发展的网状应变，且网状云图颜色随力加载过程逐渐加深；冲杆行程达到最高后开始下行，所述软包电池应变云图的网状结构从边缘向冲击中心方向颜色逐渐变淡，最后网状应变结构消失，基本恢复至初始状态，这一结果与表面平均应变曲线结果相吻合；
147.(3)多载荷实时点应变分析：从上述实施例4输出的应变云图dic分析区域中提取了冲击中心位置任一点的应变数据，展示了该点在冲击力载荷作用下的变形演化，点应变依赖于dic系统对电极表面分析位置的选取，实施例4中所选取位置的点应变峰值为0.25％，小于表面平均应变(0.63％)，但整体趋势和各阶段的时间节点与表面平均应变曲线一致。
148.第一时刻电压波动表面平均应变实施例1-0.314v+0.74％实施例2-0.056v+0.45％实施例3-0.098v+0.47％实施例4-0.084v+0.63％对比例1-2.402v/
149.表1
150.第二时刻电压波动表面平均应变实施例1逐渐恢复至初始电压平台逐渐恢复至0.135％实施例2逐渐恢复至初始电压平台逐渐恢复至0.106％实施例3逐渐恢复至初始电压平台逐渐恢复至0.108％实施例4逐渐恢复至初始电压平台逐渐恢复至0.121％对比例1快速降低至0v/
151.表2
152.参见如上表1和表2，结果分析：
153.(1)实施例2-4相对于实施例1中的测试条件缺少了至少1个物理场的作用。对数据进行分析可知，缺少至少1个物理场作用的软包电池电压和表面平均应变等数据的波动，不能通过简单叠加得到多物理场参与的测试结果。例如对比实施例1、3，电池充放电倍率的提高也会影响到软包电池在相同冲击力下的电压波动，充放电倍率越高，冲击载荷下的电压波动越大。对比实施例1、4，温度场的引入会直接影响剪切增稠电解质的防护效果，具体体现在电池的表面平均应变随测试环境温度的增大而增大，并且在这种形变过程中也伴随着不同程度的电压降以及表面温升；
154.(2)结合实施例2分析，实施例3在实施例2的基础上电压劣化0.042v，表面平均应变增大0.02％，实施例4在实施例2的基础上电压劣化0.028v，表面平均应变增大0.18％，实施例3与实施例4的测试条件叠加应是实施例1，但实施例1测试结果在实施例2的基础上电压劣化0.258v，表面平均应变增大0.29％。这表明对单场的测试结果进行叠加，用于分析电池复杂工况下的性能是不可靠的，这种热-力-电化学耦合作用在实施例1中的结果更准确，
验证了多场原位应变表征方法的优越性。
155.(3)实施例3与实施例4的测试条件叠加，是指取同一外部载荷中载荷更大者作为测试条件。实施例1-4能够截取任一测试时间段内的电压、表面应变及表面温度数据波动，连续地观测电池在多场载荷下的工作状态。
156.对比例1
157.待测电池：常规液态电解质软包电池
158.装置：如图1所示，将原位观测平台4支长螺杆固定在隔震平台上，并调整、固定原位观测平台高度；所述软包电池正负极连接电池测试系统，置于下硬质板上表面浅槽中，并通过六角螺栓夹紧上下硬质板；通过l型底座定位孔将冲击载荷装置固定于原位观测平台的下硬质板的冲击窗口下方；原位观测系统的ccd相机置于原位观测平台观测口上方，调焦至能清晰观察到电池表面散斑图案。
159.工作过程
160.步骤一：在水氧含量是《0.1ppm的氩气气氛的手套箱内组装含有常规液态电解质的软包电池；
161.步骤二：在所述电池表面均匀喷涂热塑性丙烯酸气雾漆散斑图案，置于恒温干燥箱中静置8小时；
162.步骤三：将软包电池散斑面向上置于原位观测平台下硬质板上表面浅槽中，并通过导线将正负极接出硬质板，用螺母固定上下硬质板；
163.步骤四：开启红外热像仪，对准所述软包电池，记录电池的表面实时温度；
164.步骤五：将机械加载装置固定于原位观测平台冲击窗口正下方位置，并将所述点动装置连接所述防爆罩外的可调电源；
165.步骤六：调节智能控温装置，对原位观测平台的电池施加40℃的环境温度；
166.步骤七：在上述固定温度下，将所述电池用电池测试系统进行5c下的充放电测试，记录电池的充放电曲线；
167.步骤八：将ccd相机连接电脑，对准所述原位观测平台观测口，调节所述ccd相机焦距至所述软包电池表面散斑图案显示清晰，开启相机快速捕捉模式，对所述电池表面散斑进行数字图像信息采集；
168.步骤九：通过调节可调电源将冲击力设为16n，启动点动装置对电池施加单次冲击载荷，然后关闭相机捕捉模式；
169.步骤十：使用aramis测试系统对采集的数字图像信息进行计算分析，得到所述软包电池在热/机械/电化学多条件作用下的全过程应变云图、表面平均应变及点应变等力学演化信息，以及电池运行不同阶段对应的充放电曲线和表面温度的连续变化。综合以上信息，分析所述软包电池在多场载荷下第一时刻和第二时刻的第一力学行为信息及第二力学行为信息，包括软包电池的力-电化学耦合关系及热稳定性。
170.结果分析：
171.(1)多载荷实时热-力-电耦合分析：将采集到的信息汇总处理，得到测试全过程任一时间点或任一时间段内所述常规液态电解质软包电池电压、表面应变和表面温度的实时数据。所述常规液态电解质软包电池在冲击力加载过程中，观测到电池表面发生较大形变，随着机械载荷装置的冲杆向电池背面挤压，表面平均应变逐渐增大，同时电池的放电电压
随表面应变的增大而降低，呈负线性相关关系。冲杆行程达到最高后，所述软包电池形变显著大于剪切增稠电解质软包电池，常规液态电解质软包电池表面散斑位移距离超过ccd相机捕捉范围，无法得到准确的电池表面平均应变，在冲杆接触软包电池背面至撤离电池背面全过程中，软包电池电压以每秒1.201v的速率降低至1v。冲杆从完全撤离原位观测平台下表面至结束拍摄全过程中，软包电池的放电电压快速降低至0v，表示电池发生短路；
172.(2)多载荷原位应变云图分析：上述对比例1输出的应变云图中选取不同阶段(冲击接触时、冲击过程、冲击撤去后)任一时间点的应变云图。所述剪切增稠电解质软包电池在所述机械加载装置的冲击力加载过程中，中心区域出现大面积失点，云图显示不完整；冲杆行程达到最高后开始下行直至离开软包电池背面，所述软包电池应变云图有显色区域出现少许的应变减小，但失点面积基本保持不变；
173.(3)多载荷实时点应变分析：从上述对比例1输出的应变云图dic分析区域中无法提取冲击中心位置的应变数据，点应变依赖于dic系统对电极表面分析位置的选取，由于常规液态电解质软包电池冲击中心应变过大，应变云图显示散斑点追踪失点过多，无法对常规液态电解质软包电池进行点应变分析。这些结果表明，常规液态电解质软包电池不适用于该多场原位应变表征方法及装置。
174.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和范围之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种软包电池的多场原位应变表征方法，其特征在于，包括：将含有剪切增稠电解质的软包电池散斑标记面朝上，置于原位观测平台凹槽处，正负极耳接出硬质板；使用智能控温装置将环境温度调整至实验温度，开启红外热像仪，对准所述软包电池；固定机械加载装置于所述原位观测平台冲击窗口下方，并将点动装置连接防爆罩外的可调电源；将所述软包电池连接电池测试系统进行充放电测试；将ccd相机连接电脑并对准所述原位观测平台观测窗口，启动拍摄；调节所述防爆罩外可调电源参数，启动机械加载装置；输出第一时刻和第二时刻所述软包电池对应的第一力学行为信息和第二力学行为信息；根据所述第一力学行为信息和所述第二力学行为信息，得到所述软包电池的表面应变。2.根据权利要求1所述的软包电池的多场原位应变表征方法，其特征在于，所述第一力学行为信息包括多场载荷在第一时刻的应变云图、表面平均应变及点应变，第二力学行为信息包括多场载荷在第二时刻的应变云图、表面平均应变及点应变。3.根据权利要求1所述的软包电池的多场原位应变表征方法，其特征在于，所述方法还包括：将ccd相机对准所述原位观测平台观测窗口，连接至电脑并调焦至所述软包电池表面散斑图案显示清晰，开启ccd相机快速捕捉模式。4.根据权利要求3所述的软包电池的多场原位应变表征方法，其特征在于，所述将含有剪切增稠电解质的软包电池散斑标记面朝上之前，包括：采用热塑性丙烯酸气雾漆在含有剪切增稠电解质软包电池表面均匀喷涂散斑图案。5.一种软包电池的多场原位应变表征装置，其特征在于，包括：(1)机械加载装置，所述机械加载装置包括l型底座、冲杆、冲头、可调电源及点动装置；所述l型底座上开有定位孔，使用螺栓连接将机械加载装置固定在隔振平台上；所述冲杆行程可调，冲头与冲杆为螺纹连接，冲头具有可拆卸性；所述可调电源可调整机械加载装置冲杆的冲击力；(2)原位观测系统，所述原位观测系统包括aramis测试系统、ccd相机和原位观测平台，获取任一时刻或任一时间段内所述软包电池的表面温度、充放电曲线及力学行为实况信息；观测平台由上硬质板、下硬质板、长螺杆和六角螺母固定于机械加载装置上方，硬质板间放置电池样品；原位观测平台和机械加载装置均置于防爆罩内；(3)智能控温装置，所述智能控温装置包括智能温控设备、红外热像仪，所述智能温控设备嵌在防爆罩内；(4)电池测试系统，所述电池测试系统通过导线与锂离子电池的正负极连接；(5)防爆罩，所述防爆罩的上方开有一透明观测口，透明观测口为电池提供原位表征观测通道；防爆罩的侧面设置有出线嘴口，用于防爆罩内外装置的连接；防爆罩顶部侧角安装有补光灯。6.根据权利要求5所述的软包电池的多场原位应变表征装置，其特征在于，所述上硬质
板中心位置开圆形孔作为ccd相机观测窗口，所述下硬质板中心位置开圆形孔作为冲击窗口，所述下硬质板的上表面中心位置开设一浅凹槽，用于固定所述软包电池；所述上硬质板、所述下硬质板分别设有四个通孔，用于长螺杆穿过；所述长螺杆为上、下两端带有螺纹的实心圆柱，且标记有标尺刻度，所述上硬质板、所述下硬质板通过六角螺母固定在长螺杆上端，所述长螺杆下端使用螺栓与所述隔振平台固定。

技术总结
本发明实施例提供一种软包电池的多场原位应变表征方法及装置，将含有剪切增稠电解质的软包电池散斑标记面朝上，置于原位观测平台凹槽处，正负极耳接出硬质板；使用智能控温装置将环境温度调整至实验温度，开启红外热像仪，对准软包电池；固定机械加载装置于原位观测平台冲击窗口下方，并将点动装置连接防爆罩外的可调电源；将软包电池连接电池测试系统进行充放电测试；将CCD相机连接电脑并对准原位观测平台观测窗口，启动拍摄；调节防爆罩外可调电源参数，启动机械加载装置；输出第一时刻和第二时刻软包电池对应的第一力学行为信息和第二力学行为信息；根据第一力学行为信息和第二力学行为信息，得到软包电池的表面应变。得到软包电池的表面应变。得到软包电池的表面应变。


技术研发人员：潘俊安 蒋雨桐 潘勇 周瑶 罗振亚 汪啸 姜诗扬
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/16