一种锂离子电池用不同材质隔膜浸润性的测试方法
阅读说明：本技术 一种锂离子电池用不同材质隔膜浸润性的测试方法 (Method for testing wettability of diaphragms made of different materials for lithium ion battery ) 是由 李现红 左晨东 宋然 郭少军 孙大强 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明属于电池领域,尤其涉及一种锂离子电池用不同材质隔膜浸润性的测试方法。该方法包括以下步骤：a)将待测电池隔膜固定在支撑工装上,使其中间位置处于悬空状态；b)将添加有显色剂的电解液滴加到所述待测电池隔膜的悬空区域,之后静置；c)静置一定时间后,采用影像测量仪测量所述电解液在隔膜悬空区域形成的浸润图形,并计算浸润面积；d)根据所述静置的时间和浸润面积,计算得到电解液在对应隔膜上的浸润速率。本发明提供的测试方法可提高测试不同材质锂离子电池隔膜对电解液浸润速率结果的精确度,为锂离子电池开发和性能改善在选择不同材质隔膜或电解液的选择上提供有效的数据支持。(The invention belongs to the field of batteries, and particularly relates to a method for testing wettability of diaphragms made of different materials for a lithium ion battery. The method comprises the following steps: a) fixing the battery diaphragm to be tested on a supporting tool, and enabling the middle position of the battery diaphragm to be in a suspended state; b) dropwise adding the electrolyte added with the color developing agent to the suspended area of the battery diaphragm to be tested, and then standing; c) after standing for a certain time, measuring an infiltration graph formed by the electrolyte in the diaphragm suspended area by using an image measuring instrument, and calculating an infiltration area; d) and calculating the infiltration rate of the electrolyte on the corresponding diaphragm according to the standing time and the infiltration area. The testing method provided by the invention can improve the accuracy of testing the results of different lithium ion battery diaphragms on the electrolyte infiltration rate, and provides effective data support for the lithium ion battery development and performance improvement on the selection of different diaphragms or electrolytes.)
技术领域
本发明属于电池领域，尤其涉及一种锂离子电池用不同材质隔膜浸润性的测试方法。
背景技术
锂离子电池与其它传统二次电池相比具有比能高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应、绿色环保等一系列独特优点。而相比于其他锂离子体系，因磷酸铁锂体系锂离子电池在安全性能方面优势，更适合于大规模电能储存，在可再生能源发电站发电安全并网、电网调峰、分布式电站、UPS电源、应急电源系统以及新能源汽车等领域有着良好的应用前景。
而隔膜作为锂离子电池的重要组成部分，在电池中起着隔离正负极并使电池内的电子不能自由穿过，而让电解液中的离子在正负极间自由通过的作用，它的锂离子传导能力直接关系到锂离子电池的整体性能。
市场化的锂离子电池用隔膜主要聚乙烯、聚丙烯为主的聚烯烃隔膜，包括单层PE，PE加涂层(陶瓷或勃姆石)，单层PP，三层PP/PE/PP复合膜，这主要是因为聚乙烯、聚丙烯微孔膜具有较高孔隙率、较低的电阻、较好的抗酸碱能力，且在有机溶剂的锂离子电解液中具有化学性能和电化学性能稳定性，但同一电解液对不同材质的隔膜，不同型号的电解液对同一规格的隔膜其浸润性和浸润速率会有差异。在研发和制造锂离子电池过程中不同材质的隔膜对电解液的浸润速率、吸液保液能力均对锂离子电池开发设计、制造工艺以及锂离子电池性能有重要影响，因此不同材质的隔膜对电解液的浸润速率表征测试至关重要。
中国专利CN112461713A中公布了一种锂离子电池隔膜浸润性的测试装置及方法，该方法中采用3个支架片呈“H”形，将隔膜固定，调节放大镜焦距，使图像分析系统上显示隔膜图像，区分出图像中隔膜的MD、TD方向，然后将电解液滴到隔膜表面，一定时间后，采用图像显示分析系统，拍摄电解液刚接触隔膜时的形态，测量电解液滴分别沿隔膜MD、TD方向的尺寸，并静置一段时间，进一步测试出电解液分别隔膜MD方向和TD方向的单边扩散距离，进而来表征电解液在隔膜上的浸润性能。该方法首先要制作“H”形固定架，固定架的平整度很难保证，这样对电解液滴在隔膜MD、TD方向的浸润结果影响很大，另外，该方法采用放大镜加图像显示系统来区分隔膜的MD、TD方向，该方法仅对于PP材质干法基膜来说相对容易区分，但对PE材质或PE加涂层(陶瓷或胶类或陶瓷加胶类)隔膜来说，通过放大镜加图像显示系统是无法区分隔膜的MD、TD方向的，另外，更关键的是电解液滴在隔膜上，其浸润图形是无规则，而该方法描述仅通过计算隔膜的MD、TD方向浸润尺寸，是无法精确得到电解液在隔膜上的浸润性，本质上只能传统性的表征隔膜浸润性的优劣，无法精确定量的比较不同规格隔膜的浸润速率大小。
综上所述，如何提高测试不同材质隔膜对电解液浸润速率结果的精确度，为锂离子电池开发和性能改善在选择不同材质隔膜或电解液的选择上提供有效的数据支持，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锂离子电池用不同材质隔膜浸润性的测试方法，该方法能够准确测定不同锂离子电池隔膜的电解液浸润速率，为锂离子电池开发和性能改善在选择不同材质隔膜或电解液的选择上提供有效的数据支持。
本发明提供了一种锂离子电池用不同材质隔膜浸润性的测试方法，包括以下步骤：
a)将待测电池隔膜固定在支撑工装上，使其中间位置处于悬空状态；
b)将添加有显色剂的电解液滴加到所述待测电池隔膜的悬空区域，之后静置；
c)静置一定时间后，采用影像测量仪测量所述电解液在隔膜悬空区域形成的浸润图形，并计算浸润面积；
d)根据所述静置的时间和浸润面积，计算得到电解液在对应隔膜上的浸润速率。
优选的，步骤a)中，所述支撑工装为中空圆柱体、中空正方体或中空长方体。
优选的，步骤a)中，所述支撑工装的上边沿和下边沿的不平整度均≤0.5mm。
优选的，步骤a)中，所述固定的方式为皮筋固定或胶带固定。
优选的，步骤b)中，所述显色剂为溴百里香酚蓝或甲基红。
优选的，步骤b)中，所述电解液的滴加量为2～50μL。
优选的，步骤b)中，所述静置的温度为15～35℃。
优选的，步骤b)中，所述静置的时间为5～30s。
优选的，步骤c)中，所述影像测量仪为光学影像测量仪。
优选的，步骤d)中，所述浸润速率的计算公式为：
式(I)中，表示电解液在隔膜上的浸润速率；S表示电解液在隔膜上的浸润面积；t表示静置时间。
与现有技术相比，本发明提供了一种锂离子电池用不同材质隔膜浸润性的测试方法。本发明提供的测试方法包括以下步骤：a)将待测电池隔膜固定在支撑工装上，使其中间位置处于悬空状态；b)将添加有显色剂的电解液滴加到所述待测电池隔膜的悬空区域，之后静置；c)静置一定时间后，采用影像测量仪测量所述电解液在隔膜悬空区域形成的浸润图形，并计算浸润面积；d)根据所述静置的时间和浸润面积，计算得到电解液在对应隔膜上的浸润速率。本发明提供的测试方法，采用简单的支撑工装和常规影像测量仪测量计算出一定时间内电解液在锂离子电池用不同材质隔膜上浸润的不规则二维图形面积，然后计算电解液的浸润速率，解决了传统采用接触角测试和简单的MD、TD两方向测量不能得出精确隔膜浸润速率的问题。该方法可提高测试不同材质锂离子电池隔膜对电解液浸润速率结果的精确度，为锂离子电池开发和性能改善在选择不同材质隔膜或电解液的选择上提供有效的数据支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的支撑工装的剖面结构示意图；
图2是本发明实施例提供的电池隔膜浸润性测试示意图；
图3是本发明实施例1提供的PP隔膜的浸润测试结果图；
图4是本发明实施例1提供的PE加涂陶瓷隔膜的浸润测试结果图；
图5是本发明实施例2提供的PP隔膜的浸润测试结果图；
图6是本发明实施例2提供的PE加涂勃姆石隔膜的浸润测试结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种锂离子电池用不同材质隔膜浸润性的测试方法，包括以下步骤：
a)将待测电池隔膜固定在支撑工装上，使其中间位置处于悬空状态；
b)将添加有显色剂的电解液滴加到所述待测电池隔膜的悬空区域，之后静置；
c)静置一定时间后，采用影像测量仪测量所述电解液在隔膜悬空区域形成的浸润图形，并计算浸润面积；
d)根据所述静置的时间和浸润面积，计算得到电解液在对应隔膜上的浸润速率。
在本发明提供的测试方法中，步骤a)中，所述待测电池隔膜包括但不限于PP材质隔膜、PE加涂陶瓷隔膜和PE加涂勃姆石隔膜中的一种或多种；所述待测电池隔膜的厚度优选为6～30μm，具体可为6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm、21μm、22μm、23μm、24μm、25μm、26μm、27μm、28μm、29μm或30μm。
在本发明提供的测试方法中，步骤a)中，所述支撑工装优选为中空圆柱体、中空正方体或中空长方体；所述支撑工装的上边沿和下边沿的不平整度优选为均≤0.5mm。在本发明提供的一个实施例中，所述支撑工装的结构如图1所示，图1是本发明实施例提供的支撑工装的剖面结构示意图。
在本发明提供的测试方法中，步骤a)中，所述固定的方式优选为皮筋固定或胶带固定。
在本发明提供的测试方法中，步骤b)中，所述电解液中添加的显色剂优选为溴百里香酚蓝或甲基红；所述电解液的滴加量优选为2～50μL，具体可为2μL、3μL、4μL、5μL、6μL、7μL、8μL、9μL、10μL、12μL、15μL、17μL、20μL、23μL、25μL、27μL、30μL、32μL、35μL、37μL、40μL、42μL、45μL、47μL或50μL。
在本发明提供的测试方法中，步骤b)中，所述静置的温度优选为15～35℃，具体可为15℃、16℃、17℃、18℃、19℃、20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃(室温)、26℃、27℃、28℃、29℃、30℃、31℃、32℃、33℃、34℃或35℃；所述静置的时间优选为5～30s，具体可为5s、6s、7s、8s、9s、10s、11s、12s、13s、14s、15s、16s、17s、18s、19s、20s、21s、22s、23s、24s、25s、26s、27s、28s、29s或30s。
在本发明提供的测试方法中，步骤c)中，所述影像测量仪优选为光学影像测量仪，所述光学影像测量仪可测量不规则二维图形的面积。
在本发明提供的测试方法中，步骤d)中，所述浸润速率的计算公式为：
式(I)中，表示电解液在隔膜上的浸润速率；S表示电解液在隔膜上的浸润面积；t表示电解液在隔膜上的浸润时间，即静置时间。
本发明提供的测试方法，采用简单的支撑工装和常规影像测量仪测量计算出一定时间内电解液在锂离子电池不同材质隔膜上浸润的不规则二维图形面积，然后计算电解液的浸润速率，解决了传统采用接触角测试和简单的MD、TD两方向测量不能得出精确隔膜浸润速率的问题。该方法可提高测试不同材质锂离子电池隔膜对电解液浸润速率结果的精确度，为锂离子电池开发和性能改善在选择不同材质隔膜或电解液的选择上提供有效的数据支持。
为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1
按照图2所示方法测试不同电池隔膜的浸润性。图2是本发明实施例提供的电池隔膜浸润性测试示意图，其中，1为支撑工装，2为隔膜，3为影像测试探头，4为图像显示及数据计算装置。具体测试过程如下：
分别取厚度16μm的PP材质隔膜和16μm的PE加涂陶瓷隔膜剪裁成100mm×100mm大小尺寸，然后分别用橡皮筋固定在中空圆柱体(支撑工装)上，所述中空圆柱体的上边沿和下边沿的不平整度均≤0.5mm；
取一定量的电解液(LiPF6，1M)，向其中滴加一滴甲基红溶液(浓度0.05wt％)使其带色，然后先向PP材质隔膜上滴加3μL电解液；
室温下静置10s后，利用影像测试探头采集电解液在PP隔膜上扩散的图像，并通过配套的图像显示及数据计算装置得出电解液在PP隔膜上扩散的面积；电解液在PP隔膜上形成的扩散图像如图3所示，扩散面积的计算结果为S＝5.0183mm2；
根据公式，计算电解液在PP隔膜上的扩散速率为：
同样，取3uL电解液滴加到PE加涂陶瓷的隔膜上；
室温下静置10s后，利用影像测试探头采集电解液在PE加涂陶瓷隔膜上扩散的图像，并通过配套的图像显示及数据计算装置得出电解液在PE加涂陶瓷隔膜上扩散的面积；电解液在PE加涂陶瓷隔膜上形成的扩散图像如图4所示，扩散面积的计算结果为S＝29.5679mm2；
根据公式，计算电解液在PE加涂陶瓷隔膜上的扩散速率为：
通过以上测试可知，PE加涂陶瓷隔膜的浸润性要明显优于PP材质隔膜的浸润性。
实施例2
按照图2所示方法测试不同电池隔膜的浸润性，具体测试过程如下：
分别取厚度20μm的PP材质隔膜和16μm的PE加涂勃姆石隔膜剪裁成100mm×100mm大小尺寸，然后分别用橡皮筋固定在中空的圆柱体(支撑工装)上，所述中空圆柱体的上边沿和下边沿的不平整度均≤0.5mm；
取一定量的电解液(LiPF6，1M)，向其中滴加一滴溴百里香酚蓝溶液(浓度0.05wt％)使其带色，然后先向PP材质隔膜上滴加20μL电解液；
室温下静置30s后，利用影像测试探头采集电解液在PP隔膜上扩散的图像，并通过配套的图像显示及数据计算装置得出电解液在PP隔膜上扩散的面积；电解液在PP隔膜上形成的扩散图像如图5所示，扩散面积的计算结果为S＝46.7419mm2；
根据公式，计算电解液在PP隔膜上的扩散速率为：
同样，取20μL电解液滴加到PE加涂勃姆石的隔膜上；
室温下静置30s后，利用影像测试探头采集电解液在PE加涂勃姆石隔膜上扩散的图像，并通过配套的图像显示及数据计算装置得出电解液在PE加涂勃姆石隔膜上扩散的面积；电解液在PE加涂勃姆石隔膜上形成的扩散图像如图6所示，扩散面积的计算所得结果为S＝145.4299mm2；
根据公式，计算电解液在PE加涂勃姆石隔膜上的扩散速率为：
通过以上测试可知，PE加涂勃姆石隔膜的浸润性明显优于PP材质隔膜的浸润性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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