一种软包电池产气量的测量装置及其测量方法与流程

1.本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种软包电池产气量的测量装置及其测量方法。


背景技术：

2.电化学储能也对电池的安全性、成本及一致性等方面提出了更高的要求。锂离子电池由于出色的电化学性能，在电化学储能领域成为主流的发展方向，储能工况对锂离子电池的要求可以概括为长寿命、高安全和低成本。在锂离子电池制备过程中，化成是一道重要的工序，化成即对注液搁置后的电池进行首次充电，形成固体电解质界面膜(sei)的过程。不同的化成工艺所形成的sei膜有所不同，sei膜的形态影响电池的综合性能，特别是对电池的循环性能影响巨大。
3.传统的小电流预充方式有助于稳定的sei膜形成，然而长时间的小电流或高截止电压充电，会导致形成的sei膜阻抗增大，从而影响电池的循环性能、倍率性能等。同时，小电流充电导致化成工序的时间长，导致电池的生产效率低下，增加锂离子电池的生产成本。
4.此外，在研究中发现，化成电压的高低也会影响电池sei膜的形成，因为锂离子电池的化成是一个首次活化过程，随着充电的进行，电池内部电压升高且伴随气体的产生，而一旦产气速率高于注液孔的排气速率，气体就会在电池内部的隔膜间聚集，从而会影响负极表面sei膜的形成。
5.因此，如何精确的测量化成阶段的电池的产气量，从而可以更好地调控化成效果，是急需解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种软包电池产气量的测量装置及其测量方法。本发明提供的装置中，可以动态测量电池在化成过程中的产气量的变化值，且测量结果精确，测量过程简便易操作。
7.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明提供一种软包电池产气量的测量装置，所述测量装置包括化成模块、拉力测量模块、待测软包电池模块、盛液容器和可调节置物架；所述待测软包电池模块包括待测软包电池与待测软包电池表面附带的重物块；
9.其中，所述化成模块设置在所述可调节置物架的调节杆上，所述化成模块与所述待测软包电池连接，以对所述待测软包电池进行化成；所述待测软包电池模块浸没于所述盛液容器的溶液中，所述拉力测量模块设置在所述调节杆上，所述拉力测量模块连接所述待测软包电池模块，以测量所述待测软包电池模块拉力值。
10.作为本发明优选的技术方案，所述待测软包电池模块位于所述拉力测量模块下方，所述拉力测量模块的测量端子与所述拉力测量模块通过吊绳连接。
11.作为本发明优选的技术方案，所述重物块位于所述待测软包电池的中间位置处。
12.作为本发明优选的技术方案，所述测量装置还包括温度测量模块，所述温度测量模块测量所述盛液容器中的溶液的温度。
13.作为本发明优选的技术方案，所述测量装置还包括数据存储模块，所述数据存储模块分别与所述拉力测量模块和所述温度测量模块连接，以存储所述拉力测量模块所测得的拉力值以及所述温度测量模块所测得的温度值。
14.作为本发明优选的技术方案，所述可调节置物架包括支撑杆，所述调节杆设置在所述支撑杆上，并可沿竖直方向调节高度，所述支撑杆固定于置物台表面，所述盛液容器设置在所述置物台上，并位于所述调节杆的下方。
15.第二方面，本发明还提供了一种所述测量方法，通过上述所述的软包电池产气量的测量装置进行测量；
16.所述测量方法包括：所述拉力测量模块测量待测软包电池模块化成前的拉力值；然后采用化成模块对所述待测软包电池进行化成；记录所述待测软包电池化成中或化成后所述拉力测量模块的拉力值，依据化成阶段所述拉力测量模块的拉力与化成前的拉力的变化值计算得到所述待测软包电池的产气量。
17.作为本发明优选的技术方案，所述待测软包电池的产气量体积为化成阶段所述盛液容器中排开液体的体积；所述盛液容器中排开液体的体积利用阿基米德原理计算得到。
18.作为本发明优选的技术方案，化成结束后，拉力测量模块进行测量前，通过可调节置物架将所述待测软包电池模块的上边缘与所述盛液容器中的溶液的液面相切。
19.作为本发明优选的技术方案，数据储存模块利用阿基米德原理实时计算并记录所述待测软包电池中产气量。
20.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
21.本发明提供的软包电池产气量的测量装置及其测量方法，利用阿基米德和力的平衡原理进行产气量的测量，不用实际测量排开液体的体积，只需要通过读取高精度电子拉力计的数值变化来计算出产气体积，测量装置易操作，测量过程简便易操作，提高了测量的准确度，且可以动态测量电池在化成全soc过程中的产气量；适用于各种材料体系，各种尺寸的软包电芯，测量成本低，适应性广。
附图说明
22.图1为实施例1所提供的软包电池产气量的测量装置。
23.其中，1-化成模块，2-拉力测量模块，3-待测软包电池模块，4-盛液容器，5-可调节置物架，6-温度测量模块，7-数据存储模块，8-置物台，31-待测软包电池，32-重物块。
具体实施方式
24.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
25.目前，对于电池产气量的测量，有研究人员提供了一种电池产气量测量装置。包括液体容槽、溢液收集容器及悬挂装置；悬挂装置包含悬梁和吊绳，吊绳包括两端，其第一端连接所述悬梁，另一端用于连接和吊挂待测软包电池。液体容槽设于该悬梁及吊绳下方，其设有用于取放待测软包电池的开口和溢流口。液体容槽内盛装的液体量以达到恰好不从该
溢流口溢出为限，所述溢流口连接溢液收集容器，用于收集从溢流口溢出的液体。通过测量化成前后从该液体容槽内溢流出来的液体体积之差，测得该待测软包电池因化成工序产生的产气量。该装置中，通过收集排开液体的体积来表征产气量，不够精确。首先，液体具有表面张力，容器口径越大，受到液体表面张力的影响，误差越大。其次，容器表面液体有残留，影响精度。再次，产气动态过程中的液面波动也会影响测量精度。尤其对于产气量较少的体系(比如铁锂体系)，这种测量装置严重影响测量精度。
26.因此，本发明提供了一种软包电池产气量的测量装置以及测量方法，以精确测量软包电池的产气量。
27.在一个具体实施方式中，本发明提供一种软包电池产气量的测量装置，所述装置包括化成模块、拉力测量模块、待测软包电池模块、盛液容器和可调节置物架；所述待测软包电池模块包括待测软包电池与待测软包电池表面附带的重物块；
28.其中，所述化成模块设置在所述可调节置物架的调节杆上，所述化成模块还与所述待测软包电池连接，以对所述待测软包电池进行化成；所述待测软包电池模块浸没于所述盛液容器的溶液中，所述拉力测量模块设置在所述调节杆上，所述拉力测量模块连接所述待测软包电池模块，以测量所述待测软包电池模块拉力值。
29.本发明中化成模块与待测软包电池间通过导线(无拉力的)连接(与电池的正负极耳相连接)，实现常规的化成过程。本发明中的拉力测量模块中的仪器可选用拉力计等可以精确测量物质的拉力的器件，本发明不做特殊限定。
30.本发明提供的装置，通过可调节置物架(高度可调节，且为十字形调节架，化成模块位于置物架与地面水平的调节杆上)连接化成模块与拉力测量模块，且可调节模块调节了待测软包电池模块在盛液容器中的位置；通过拉力测量模块对待测软包电池模块在化成过程中力的变化值进行展示，拉力测量模块可以得到准确的化成前与整个化成过程中的拉力值，化成过程中电池产气，导致其在液体中的浮力发生变化，从而可以依据已知物理性质的溶液准确的得到电池的产气量，可以动态测量电池在化成全soc过程中的产气量；适用于各种材料体系，各种尺寸的软包电芯，测量成本低，适应性广。
31.本发明中，可调节置物架起到了固定作用，同时还保证了化成模块的导线处于无拉力状态，以免影响测量结果，且本发明若不在待测软包电池中附带重物块，则会导致尺寸较小重量较轻的电芯，在产气过程中由于受到浮力，有浮出水面的可能性。待测软包电池中附带的重物块用于保证待测软包电池始终处于溶液中。
32.作为一个具体实施方式中优选的技术方案，所述拉力测量模块与所述可调节置物架之间通过吊绳连接。待测软包电池模块位于拉力测量模块下方，拉力测量模块的测量端子与拉力测量模块通过吊绳连接。
33.本发明中提供的吊绳，无弹性，无拉力，避免其对拉力测量模块的数值准确性的影响。
34.作为一个具体实施方式中优选的技术方案，所述重物块位于所述待测软包电池的中间位置处。
35.本发明中，重物块应夹在待测软包电池的中间位置，以免影响受力平衡。
36.作为一个具体实施方式中优选的技术方案，所述测量装置还包括温度测量模块，测量所述盛液容器中的溶液的温度。
37.本发明中，温度测量模块用于测量当前液体的温度。化成过程电池会产热导致液体温度变化，本发明中的测量装置设置了温度测量模块，用于实时测量液体的温度，以便精确地使用该液体在该温度下的密度，更加精确地根据浮力变化计算出气体体积，提升了测量的准确性。
38.作为一个具体实施方式中优选的技术方案，所述装置还包括数据存储模块，所述数据存储模块与所述拉力测量模块连接；所述数据存储模块还连接所述温度测量模块。
39.本发明中的数据存储模块可以实时记录化成过程中待测软包电池模块的力的变化值以及化成过程中不同阶段下盛液容器中的溶液的温度。
40.作为一个具体实施方式中优选的技术方案，所述可调节置物架包括支撑杆，所述调节杆设置在所述支撑杆上，并可沿竖直方向调节高度，所述支撑杆固定于置物台表面，所述盛液容器设置在所述置物台上，并位于所述调节杆的下方。
41.需要特殊说明的是，导线应该保持松弛，无拉力，待测软包电池气袋大小足够大，产生的气体体积不受到压强的影响，整个置物台置于平整的台面上，无振动影响；且盛液容器中的溶液一般为去离子水，或者是其他不导电的液体(密度已知)。
42.在另一个具体实施方式中，本发明还提供一种软包电池产气量的测量方法，所述测量方法通过上述一个具体实施方式所述的软包电池产气量的测量装置进行测量。
43.测量方法包括：拉力测量模块测量待测软包电池模块未进行化成前的拉力值；然后采用化成模块对所述待测软包电池进行化成，记录所述待测软包电池化成中或化成后所述拉力测量模块的拉力值，依据化成阶段拉力测量模块的拉力与化成前的拉力的变化值计算得到所述待测软包电池的产气量。
44.本发明提供的测量方法，通过测量装置进行待测软包电池在化成前后的拉力值变化，拉力值的变化即为待测软包电池在液体中的浮力变化值，从而可以准确的计算得到待测软包电池的产气量。
45.作为另一个具体实施方式中优选的技术方案，所述待测软包电池的产气量体积为化成阶段所述盛液容器中排开液体的体积；所述盛液容器中排开液体的体积利用阿基米德原理计算得到。
46.本发明中，利用阿基米德原理和力的平衡原理进行待测软包电池在化成过程中的产气量的测量，不需要实际地测量排开液体的体积，而是通过拉力的变化间接地表征排开液体体积的变化，也就是产气量的变化；利用本发明提供的装置，拉力测量模块(如高精度拉力计)对待测软包电池的拉力f拉加上电池所受的浮力f浮等于待测软包电池自身的重力(g1)与重物块的重力之和(g2)，重物块用于增加待测软包电池的重力，防止待测软包电池重力过小，导致待测软包电池浮出液面，影响测量结果；在上述力的测量体系中，力的平衡可以表达为：
47.f拉+f浮＝g1+g2；
48.当待测软包电池产气膨胀时，其所受浮力(f浮)变大，根据质量守恒原则，待测软包电池的重力(g1)不变，重物块的重量(g2)不变，从而使得拉力测量模块(如高精度拉力计)的拉力(f拉)减小；产气前后高精度电子拉力计上显示的数值差也就是产气前后待测软包电池所受到的浮力变化(δf浮)。因此可以根据阿基米德原理，计算出软包电芯化成过程中产生的气体量，公式如下：
49.δf浮＝f拉1-f拉2＝ρ液gδv排
50.v气＝δv排＝δf浮/ρ液g；
51.(f拉1为待测软包电池未产气时的初始拉力；f拉2为待测软包电池产气之后的拉力；δf浮是待测软包电池产气前后受到的浮力变化值；v气为待测软包电池产生的气体体积；δv排为待测软包电池产气前后排开的液体体积；g为重力加速度；ρ液是液体的密度)
52.利用本发明提供的装置可以准确地获取不同温度下的液体的密度值，同时还不用实际测量排开液体的体积，即，不用真正地将液体排出，只需要通过读取高精度电子拉力计的数值变化即可计算出排出的液体体积，也就是该待测软包电池在化成过程的产气体积，从而可以精准地得出待测软包电池的产气量。
53.作为另一个具体实施方式中优选的技术方案，测量过程中，化成结束后，拉力测量模块进行测量前，通过可调节置物架将所述待测软包电池模块的上边缘与所述盛液容器中的溶液的液面相切。
54.本发明中进行化成过程中的拉力值测量时，化成流程结束之后，由于待测软包电池产气后受到的浮力变大，其将浮出液面，故待软包电芯稳定后，再次调节可调节置物架的高度，使待测软包电池上边缘与盛液容器中液面相切，以免吊绳的重力和体积影响测量结果。
55.作为另一个具体实施方式中优选的技术方案，利用数据储存模块利用阿基米德原理实时计算并记录所述待测软包电池中产气量。
56.在动态测量不同soc状态的产气量时，可以通过控制化成流程来控制待测软包电芯的soc状态。然后，依次测量不同soc状态的拉力值，并进行相应的计算，数据储存模块中安装温度记录仪管理软件和拉力管理软件，可以将温度测量模块的数据和拉力测量模块的数据实时输出，实时拉力结合实时温度计算出实时气体体积，可以得到电池化成阶段产气体积与电池的soc状态的对应关系图，从而可以得到较优的化成时间。
57.实施例1
58.本实施例提供一种软包电池产气量的测量装置，基于具体实施方式提供的装置：
59.如图1所示，本发明提供一种软包电池产气量的测量装置，所述装置包括化成模块1、拉力测量模块2(高精度拉力计)、待测软包电池模块3、盛液容器4、可调节置物架5、温度测量模块6(温度计)、数据存储模块7(计算机)和置物台8；所述待测软包电池模块3包括待测软包电池31与待测软包电池31表面附带的重物块32；
60.其中，所述化成模块1通过可调节置物架5支撑，所述化成模块1还与所述待测软包电池31连接；所述可调节置物架5连接拉力测量模块2；所述拉力测量模块2连接所述待测软包电池模块3；所述待测软包电池模块3位于所述盛液容器4的溶液中；所述拉力测量模块2与所述可调节置物架5之间通过吊绳连接；所述重物块32位于所述待测软包电池31的中间位置处；温度测量模块6用于测量所述盛液容器4中的溶液的温度；所述数据存储模块7与所述拉力测量模块2连接；所述数据存储模块7还连接所述温度测量模块6；所述可调节置物架5固定于所述置物台8表面，所述盛液容器4也位于所述置物台8表面。
61.同时，本实施例还提供一种软包电池产气量的测量方法，基于另一个具体实施例方式提供的测量方法：
62.测量过程开始之前，调节可调节置物架5的高度使待测软包电池31上边缘与盛液
溶器4中液面相切，以免吊绳的重力和体积影响测量结果，同时读取高精度电子拉力计读数f拉1为5.520n；
63.测量过程开始后，打开数据存储模块7中的温度记录软件和拉力管理软件，使用化成模块依据表1中提供的化成流程，对待测软包电池31进行充电，其中待测软包电池31的正负极耳使用连接片焊接并且伸出液面以便与导线相连；
64.化成流程结束之后，由于待测软包电池31产气后受到的浮力变大，其将浮出液面，故待待测软包电池31稳定后，再次调节可调节置物架5的高度，使待测软包电池31上边缘与盛液溶器4中液面相切，以免吊绳的重力和体积影响测量结果，待整个装置稳定后，读取高精度电子拉力计读数f拉2为5.380n，化成流程结束之后读取温度记录仪中的温度值为24.2℃，查找该温度值对应的液体水的密度ρ液为0.9972499g/cm3，计算出气体体积为：v气＝δv排＝(f拉1-f拉2)/ρ液g＝(5.520-5.380)/0.9972499*9.8＝14.0386ml，即得到了10ah软包电芯充电至25％soc过程中的产气量；
65.进一步地通过数据存储模块，可以动态测量不同soc状态的产气量。通过控制化成流程，可以调整待测软包电池的soc状态，可以依次测量不同soc状态时的拉力值，结合数据存储模块记录的实时温度值，通过计算得到不同soc状态时的气体体积，从而得到电池化成阶段产气体积与soc的对应关系图。
66.表1
67.步骤名称步骤时间/min电流/ma电压/mvsoc状态休眠15———— 恒流充电2300.05c29002.5％soc休眠35———— 恒流充电467.50.2c350025％soc休眠65———— 68.综上所述，本发明提供的装置以及测量方法，利用阿基米德和力的平衡原理进行产气量的测量，不用实际测量排开液体的体积，只需要通过读取高精度电子拉力计的数值变化来计算出产气体积，测量装置易操作，测量过程简便易操作，提高了测量的准确度，且可以动态测量电池在化成全soc过程中的产气量；适用于各种材料体系，各种尺寸的软包电芯，测量成本低，适应性广。
69.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

技术特征：
1.一种软包电池产气量的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括化成模块、拉力测量模块、待测软包电池模块、盛液容器和可调节置物架；所述待测软包电池模块包括待测软包电池与待测软包电池表面附带的重物块；其中，所述化成模块设置在所述可调节置物架的调节杆上，所述化成模块与所述待测软包电池连接，以对所述待测软包电池进行化成；所述待测软包电池模块浸没于所述盛液容器的溶液中，所述拉力测量模块设置在所述调节杆上，所述拉力测量模块连接所述待测软包电池模块，以测量所述待测软包电池模块拉力值。2.根据权利要求1所述的软包电池产气量的测量装置，其特征在于，所述待测软包电池模块位于所述拉力测量模块下方，所述拉力测量模块的测量端子与所述拉力测量模块通过吊绳连接。3.根据权利要求1或2所述的软包电池产气量的测量装置，其特征在于，所述重物块位于所述待测软包电池的中间位置处。4.根据权利要求1-3任一项所述的软包电池产气量的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括温度测量模块，所述温度测量模块测量所述盛液容器中的溶液的温度。5.根据权利要求4所述的软包电池产气量的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括数据存储模块，所述数据存储模块分别与所述拉力测量模块和所述温度测量模块连接，以存储所述拉力测量模块所测得的拉力值以及所述温度测量模块所测得的温度值。6.根据权利要求1-5任一项所述的软包电池产气量的测量装置，其特征在于，所述可调节置物架包括支撑杆，所述调节杆设置在所述支撑杆上，并可沿竖直方向调节高度，所述支撑杆固定于置物台表面，所述盛液容器设置在所述置物台上，并位于所述调节杆的下方。7.一种软包电池产气量的测量方法，其特征在于，所述测量方法通过如权利要求1-6任一项所述的软包电池产气量的测量装置进行测量；所述测量方法包括：所述拉力测量模块测量待测软包电池模块化成前的拉力值；然后采用化成模块对所述待测软包电池进行化成；记录所述待测软包电池化成中或化成后所述拉力测量模块的拉力值，依据化成阶段所述拉力测量模块的拉力与化成前的拉力的变化值计算得到所述待测软包电池的产气量。8.根据权利要求7所述的软包电池产气量的测量方法，其特征在于，所述待测软包电池的产气量体积为化成阶段所述盛液容器中排开液体的体积；所述盛液容器中排开液体的体积利用阿基米德原理计算得到。9.根据权利要求7或8所述的软包电池产气量的测量方法，其特征在于，化成结束后，拉力测量模块进行测量前，通过可调节置物架将所述待测软包电池模块的上边缘与所述盛液容器中的溶液的液面相切。10.根据权利要求7-9任一项所述的软包电池产气量的测量方法，其特征在于，数据储存模块利用阿基米德原理实时计算并记录所述待测软包电池中产气量。

技术总结
本发明提供了一种软包电池产气量的测量装置及其测量方法。测量装置包括化成模块、拉力测量模块、待测软包电池模块、盛液容器和可调节置物架；待测软包电池模块包括待测软包电池与待测软包电池表面附带的重物块；其中，化成模块设置在可调节置物架的调节杆上，化成模块与待测软包电池连接，以对待测软包电池进行化成；待测软包电池模块浸没于盛液容器的溶液中，拉力测量模块设置在调节杆上，拉力测量模块连接待测软包电池模块，以测量待测软包电池模块拉力值。本发明提供的测量装置，可以动态测量电池在化成全SOC过程中的产气量，测量精确，适用于各种材料体系，各种尺寸的软包电芯，测量成本低，适应性广。适应性广。适应性广。


技术研发人员：李玉 温盼 纪影 刘峰
受保护的技术使用者：天津市捷威动力工业有限公司
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/22