[发明专利]锂离子电池低温失效后的隔膜弹性模量测试系统及方法

说明书

本发明涉及一种锂离子电池低温失效后的隔膜弹性模量测试系统及方法，属于材料力学性能测试领域。通过在电池针刺试验机腔体内加装可降至‑40℃的低温、充放电系统，对锂离子电池单体进行低温、充放电复合加载，构建与调控力‑低温‑电复合多场测试模式，激发电池低温失效特性。然后，提取并分离出隔膜，对其施加多周期、循环递增交变载荷，进行点阵式纳米压痕测试，测得载荷‑深度响应曲线，根据压入响应和微区弹性回复行为分析，可获得隔膜表面弹性模量，也可定量或定性评估隔膜在电池低温失效后微区域、微尺度上弹塑性演化程度，为锂离子电池低温性能的提升、电学、力学参数的优化提供新颖的测量与评估方法。

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试领域，特别涉及一种锂离子电池低温失效后的隔膜弹性模量测试系统及方法。适用于在电池针刺试验机腔体内力-低温-电复合多场测试模式的构筑与调控、锂离子电池低温失效的激发及其内部隔膜多孔复合材料弹性模量的测试。本发明可为锂离子电池针刺实验提供原位测试，定量或定性分析电池单体低温内短路特性，评估电池单体低温安全性能及其内部组件材料力学性能和塑性演化行为，为提高锂离子电池的低温电学、力学性能提供依据。

背景技术

锂离子电池低温特性对于寒冷极端环境下的能量储存及动力转换至关重要，为研究锂离子电池低温容量衰减、循环使用寿命、低温充放电速率及安全性能等问题，电池内部各组件的低温特性成为该领域的研究热点。隔膜，作为电动汽车车用动力蓄电池重要组件之一，介于正、负电极之间，浸润于电解液之中，多孔介质结构，其低温物化性能、力学性能决定了锂离子电池在低温服役工况下的界面结构和内阻，亦影响电池容量、循环寿命和安全性能。

目前，研究隔膜弹性模量、硬度、穿刺强度等力学性能通常采用锂离子电池单体挤压、针刺方法，测试对象一般选用常温电池单体，或拆解出隔膜进行拉伸、穿孔测试，评估其宏观抗拉强度、穿刺强度、物理冲击与磨损。如果要模拟低温高寒环境下电池挤压、针刺安全性实验以及低温对隔膜微区域、微尺度弹性模量性能的影响，则需要在电池针刺试验机腔体内增加低温充放电系统，模拟电池低温工作环境及内短路情况，对电池单体及其组件材料的低温性能进行激活、调控与测量。电池挤压、针刺模拟内短路实验环境以常温腔体、静态单一测试环境为主，鲜见通过在电池针刺试验机腔体内加装低温、充放电系统，构筑电池力-低温-电复合多场，激发电池单体低温失效特性，因而，制约了电池模拟低温内短路实验的开展及其在该条件下电池内部组件材料力学性能的测试与评估。与此同时，模拟高寒地区环境温度需要达到-40℃，制冷方式常选用通用型恒温箱或个性化气体液化降温制冷，但此类方法受限于电池针刺试验机腔体空间尺寸、防爆等级及使用安全，不适用于加装在电池针刺试验机腔体内，鲜见选用半导体制冷片与低温防冻液组合制冷方式，达到电动汽车车用动力蓄电池安全工作极限温度。

对隔膜材料而言，其机械力学性能受温度影响很大，低温服役环境会导致其表面温度场动态变化范围变宽，并受电极充放电膨胀挤压、电解液粘度变化和因高分子聚合物基底与涂层间因温度变化差异而产生隔膜内部应力不均，即在承受力-低温-电复合载荷时，其表面形成复杂多变的应力场，从而会导致隔膜多孔结构骨架变形或坍塌，微区域、微尺度硬度和杨氏模量等力学性能发生改变，有异于其常温环境下的机械性能。为获取隔膜弹性模量表面力学性能，可运用纳米压痕技术在微尺度上观测多孔微结构弹塑性演化行为。此类技术常见单次恒应力或恒深度加/卸载方式，通过记录加载和卸载过程中的压入载荷和深度，得到纳米载荷响应曲线，从而取材料的弹性模量。鲜见采用多周期、动态递增载荷加载方式，作用于隔膜表面，记录载荷-深度曲线，获取隔膜弹性模量力学参数，适用于观测具有多孔复合材料表面弹性、蠕动变形和塑性性能的演化。

因此，截至目前，尽管有锂离子电池单体低温、充放电模拟高寒地区电池工作环境，且隔膜纳米压痕测试已用于电池材料微观力学性能的检测与评估，但鲜见在电池针刺试验机腔体内安装制冷和充放电装置对锂离子电池进行低温电学、力学性能的测试，即模拟电池单体低温高寒工况，激发电池低温失效特性，并利用参数的不同设置对电池单体及其材料的力-低温-电复合载荷进行调控，亦鲜见在隔膜纳米压痕测试中采用多周期、动态递增载荷加载方式，获得隔膜表面弹性模量，评估锂离子电池在低温失效后的隔膜力学性能的变化及其塑性演化行为。