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          電池氣密性檢測技術研究

          發布時間:2018-11-04      點擊次數:2026

          一、鋰離子電池氣密性檢測方法介紹

          各行各業中產品的泄漏問題危害巨大,在鋰離子電池行業,產品密封不良會導致電池性能嚴重下降、電解液滲漏、電池鼓脹甚至爆炸等嚴重后果,致使產品信譽嚴重受損,當今社會越來越重視產品的安全性,因此,鋰離子電池密封性的優劣至關重要。

          市場上的鋰離子電池根據殼體的不同,主要分為塑料殼體鋰離子電池、金屬殼體鋰離子電池和鋁塑膜軟包裝鋰離子電池三種,前期鋰離子電池行業多采用正壓氣泡檢漏法,該種檢測方法容易導致電池殼體發生難以恢復的形變,尤其對于金屬殼體和鋁塑膜軟包裝鋰離子并不適用,再加上檢測效率和準確率低下,因此盡快探尋一種合適的檢漏方法迫在眉睫。

          當前鋰離子電池行業采用的檢漏方式主要有以下幾種:水檢目視檢漏、氦質譜檢漏、直壓檢漏、流量檢漏、差壓檢漏等。由于氣體之間的作用力以排斥力為主,從泄漏機理上來講,氣密性檢漏技術是完全可行的[1],市場上檢漏設備總體分為三類:正壓檢漏儀、負壓檢漏儀和氦質譜檢漏儀。氦質譜檢漏儀精度,在密封性要求嚴格的產品應用甚廣,但是對檢測管路的密封性和工裝夾具也要求極高,需要頻繁維護,其高額的檢測成本也讓很多行業望而卻步,因此,需要通過反復實踐尋找一種經濟可行的檢測方式,并確保檢測效果能完全滿足生產需要。

          二、氣密性檢測技術概述

          想要獲得有效的檢漏方法要了解泄漏產生的原因。泄漏是由產品自身存在漏孔導致的,分為物理漏孔和分子漏孔兩大類,物理漏孔指裂紋或氣泡,分子漏孔指由于分子間存在間隙所造成的泄漏,例如利用氦氣對石英玻璃的微穿透作用可做成氦質譜檢漏儀用的標準漏孔。根據漏孔的種類,泄漏可以分為以下兩種:一種是由于工件殼體有貫穿的裂紋或微小的孔,流體在容器內外壓力差的作用下,向外泄漏,此種泄漏是多數產品的主要泄漏源;一種是由于被測工件有較多不貫穿的裂紋和氣泡,同時材料的存放氣性能差,造成檢漏時抽不到要求的低真空度或加壓后壓力下降過快、水檢時無氣泡等。鋰離子電池內部電芯即可判定產品密封性能是否達標。

          圖1 氣密檢測儀結構示意圖

          其中,1為氣源;2為減壓閥;3為測試壓力傳感器;4為加壓排氣閥;5為平衡閥;6為差壓傳感器;7為球閥;8為基準物;9為被測物;10為球閥;11為容積校正器;12為平衡閥。

          具體檢測過程共分4個階段:抽氣階段,平衡階段,測試階段和泄壓階段,如圖2所示。

          圖2 測試過程圖示

          1、抽氣階段。閥門4、5、12同時打開,真空源接入,對被測物、基準物、氣路抽真空,直至達到設定壓力。

          2、平衡階段。閥門4關閉,切斷真空源,閥門5和12保持打開狀態。此階段的時間設定至關重要,要保證該階段結束時被測物和基準物內的壓力是相等的。

          3、測試階段。閥門4、5、12同時關閉,達到設定時間后,計算機根據被測物和基準物的壓差,自動判定結果。

          4、泄壓階段。閥門4、5、12同時打開,被測物和基準物與大氣相通,達到設定時間后即完成整個檢測過程,將工件卸下即可。

          三、負壓氣密檢漏技術在鋰電行業中的應用

          目前,市場上鋰電行業采用的檢漏方式有很多種,其中負壓氣密檢漏技術檢測后被檢產品殼體無形變、對檢測氣路密封性能要求低、維護簡單、技術是由多達上百層的正負極片疊放在一起構成的,結構致密,因此檢漏時第二種泄漏所產生的泄漏量也必須重視。檢漏時,這兩種泄漏所產生的泄漏量之和是否滿足標準即為氣密性檢漏結果。

          影響泄漏的因素很多,包括壓力、溫度、沖擊振動、化學腐蝕和臟堵等等。其中,檢測壓力、漏率、內容積和節拍稱為檢漏四要素。檢測壓力是指被測物所承受的差力壓。檢測壓力和泄漏量的關系用公式(1)表示:

          (1)其中,Q表示漏率,單位ml/min;VW表示內容積,單位ml;ΔP表示檢測壓力,單位Pa;t表示檢測時間,單位s。

          其中溫度對差壓的影響較大,可用公式(2)[2]表示:

          (2)其中,ΔPt表示差壓,單位Pa;t表示室溫,單位℃;Δt表示內溫變化,單位℃;P表示檢測壓力,單位kPa。

          根據經驗,通常情況下溫度T上升10℃,泄漏量增加3~5%,但是從公式可以看出,對于負壓檢漏方式,溫度對差壓的影響相對要小的多。

          “壓力衰減法”是現在世界上的測漏儀普遍采用的測試方法,以差壓傳感器為感應元件檢測被測物和基準物之間壓力差來確定被測物是否存在泄漏和漏率大小的儀器或裝置叫差壓式氣密檢漏儀。按測試壓力分為正壓檢漏設備和負壓檢漏設備,負壓檢漏又包括三種測試方式,即收集式、壓降式和差壓式,其中差壓式應用。

          負壓差壓式氣密性檢漏儀主要由計算機測量顯示系統、壓力傳感器、平衡閥、球閥、真空源、對比容器、通訊接口和氣路模塊等主要部件組成。下圖1為結構示意圖。檢測時必須選擇密封性好且測漏時無形變發生的物體作為基準物,通過外接壓縮機或真空泵向被測物和基準物同時沖正壓或抽負壓,達到設定壓強后[3]關斷氣源的氣路閥門,被測物和基準物氣壓差會隨著時間發生變化,保持一段時間后檢測氣壓下降值成熟、精度高,是鋰電行業的選擇。

          生產實踐發現,負壓氣密檢漏儀在使用中需要從氣路密封性能穩定性、真空源穩定性、配套夾具易操作性、檢測儀檢測參數的設定等方面進行重點考慮。

          檢測過程中,密封嘴和各氣路接口處的密封狀況[4]會對檢測結果產生極大影響,如果檢測設備自身密封效果就很差,檢漏結果將毫無參考意義,同時配套工裝的加工精度也會影響到檢漏系統的氣密性好壞,檢漏儀要求有專用的配套檢漏工裝。實驗發現,氣源不穩定會導致數據重復性較差,不同壓強下漏孔形變不同,檢測出的被測品泄漏量也不同,建議在氣源輸出端增加穩壓閥,在檢測設備氣路入口端增加儲氣罐;此外,檢測儀參數設置對于檢測結果影響巨大,各階段時間參數不同,泄漏量、檢測結果的可靠性、檢測效率等都會相應改變,設置時需要綜合考慮各類因素,進行大量實驗進行參數優化,以達到最佳檢測效果。在氣密性檢測中,泄漏判定標準是經驗值,將直接影響檢測結果的可靠性,在實際生產中需要積累大量數據以判定標準。

          生產實踐證明采用真空差壓式氣密檢漏儀代替鋰電池行業常用的水檢目視判定的方法,電池殼體不會產生形變,表面不會銹蝕,且能提高生產效率,檢測準確率高,應用方便,真空差壓式氣密檢漏儀在鋰電池行業具有的使用價值。

          電池殼體的密封性直接決定了電池的安全性能,密封不良的電池會發生電解液滲漏和電池性能下降等問題,在潮濕環境下使用的電池如果密封不良,外界潮濕氣體容易進入電池內部,造成極片水分超標進而引發殼體鼓脹,嚴重時甚至發生爆炸。當前可供選擇的檢漏方式多種多樣,使用前一定要充分進行理論分析和生產驗證,綜合考慮產品的外觀、材質和結構特性,確保選擇一種完全滿足生產需要且經濟可行的檢漏方法。

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