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锂电池芯在高压激励下的击穿机制

  锂电电芯的隔膜是一种多孔的聚烯烃膜,具有电子绝缘性,保证了正负极的机械隔离而不致短路,同时因隔膜具有一定的孔隙率和透气率而又可以让离子自由通过。

  正常隔膜的结构如上图所示。孔的大小及分布应是均匀的。在装配电芯的过程中,可能会发生如下一些情况:

  针对a,b这种已经短路的情况,使用常规仪器检测即可检出,而针对c、d这种所谓“微短路”的情况则相对复杂,需要下面讨论。而e的情况比较特殊,在当前的电测试方法下,现阶段来看是无能为力的。

  面对a ~ e的情况,电测方案中采用的激励源大多是直流高电压,即以本征击穿和电离击穿的方式来检测隔膜中的是否有孔洞、穿刺,过程监测仪器也不例外,只不过通过过程波形的检测参数更先进,以微秒级的采样速度来采集激励电压并以波形的方式显示出来,激励期间的若有瞬间的击穿放电亦可被清晰的捕捉到。

  温度较低、电压作用时间较短时,纯净、均匀固体电介质由绝缘状态突变为良导电状态的过程被称为本征击穿,表征某种绝缘材料本身耐强电场的性能。

  对于良好的聚烯烃膜来说,是有其自身本征击穿电压的,依结构不同,击穿电压值几百伏到上千伏不等。一旦发生本征击穿,其绝缘性能将不可恢复。

  所谓电离击穿是指气体介质在电场作用下发生碰撞电离而导致电极间贯穿性放电的现象。气体介质击穿有时是连续的,有时为断续,这和很多因素有关,其中主要的影响因素为作用电压、电极形状、气体的性质及状态等,符合下图中的帕邢定律(p为气压,d为距离)

  一般来说,在大气压下,如果要击穿1mm的空气,大概需要3KV的电场强度气体电离击穿后是可恢复的,即电场撤去后,两极之间仍为绝缘状态。

  案例1:某电芯隔膜厚约35um,膜上出现有一穿孔,但正负极未真正短路。经过试验,正常隔膜本征击穿电压值在600~800V之间。试制定激励电压及分析测试结果。

  解:激励电压的设定原则是,在不发生隔膜本征击穿的情况下,尽量提高激励电压,以发现隔膜的各种隐患。最大设定值以小于本征击穿电压值的50%为宜。本案例中激励电压拟设定为300V。根据隔膜的厚度估算在压紧的情况下正负极间的间距应小于100um,而这么近的距离,在300V的激励电压下空气将被电离击穿。激励电压的设定符合测试目的。

  测试过程:某仪器RJ69输出300V的直流电压,首先对被测的容性电芯进行充电,至300V时保持电压不变,在充电期间和电压保持期间,因隔膜穿孔的存在,这个穿孔空隙处承受了由外加电压建立起来的大部分高场强,以及空间电荷建立起来的内部场强。内外场强的叠加造成空隙处的场强发生严重畸变,畸变的场强将会远大于原外加场强,这样空隙处发生局部放电所需的阈值场强被轻易的建立起来,在电、极端不断注入电荷(初始粒子)的情况下,穿孔处的气体分子被激发碰撞电离,形成电子崩,最终出现断续的或持续的电离击穿。

  与此同时RJ69监视的电压波形,会以瞬间的电压跌落或者持续的电压跌落方式来体现这种击穿现象,而绝缘测试仪器则以漏电流的突然增加来体现。在有些情况下RJ69的测试结果和绝缘电阻测试的漏电流(绝缘电阻)则略有区别,以下图为例来说明:

  进一步来说,绝缘电阻测试仪数值结果的刷新周期在百毫秒级,如200ms,即上述计算出来的320uA也要放到200ms的周期内再做平均。

  案例2:35um的隔膜被导电颗粒或正负极尖刺刺入约20um,没有完全刺穿,正负极仍为绝缘状态,在350V的激励电压下,隔膜的损伤机理是怎样的?

  解:同上述案例1,正常隔膜本征击穿电压值在600~800V,尖刺和对应极片之间的剩余隔膜厚度仅为15um,其本征击穿电压降到最低257V,如果对应极片和隔膜之间存有空间间隙,则整体击穿电压为气体和隔膜两者的累计。在350V下15um的剩余隔膜将发生本征击穿,一般此击穿时不可恢复的,再测试会发现正负极完全短路,如果极片和隔膜存有一定的空气间隙,则现象为,加很低的电压即发生电离击穿。

  此案例还可解释不均匀隔膜的击穿现象,即如果隔膜本身的厚度是不均匀的,最薄处15um,则相关的分析结果同上,(基本同规格中的穿刺强度)

  解:导电颗粒已属于正极片或负极片的一部分,在此情况下应用高压击穿方案进行检测,这种案例将被识别为绝缘良好的合格品。

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