趙星星，饒紹建，張 富，郭 浪

（萬向一二三股份公司，浙江 杭州 311215）

電芯內(nèi)部存在短路是引起鋰離子電池安全問題的主要原因之一。絕緣耐電壓（Hi-pot）測(cè)試是一項(xiàng)重要的針對(duì)電池內(nèi)部短路風(fēng)險(xiǎn)的質(zhì)量檢測(cè)篩選手段，廣泛應(yīng)用于鋰離子電池生產(chǎn)制造過程中，具有十分重要的作用[1-4]。

鋰離子電池生產(chǎn)制造過程中，通常采用疊片或卷繞的方式將正、負(fù)極片和隔膜組裝在一起，該過程制成的半成品一般被稱為裸電芯。隔膜將正、負(fù)極片間隔開，但是隔膜中的孔隙可以允許Li+自由通過。Hi-pot測(cè)試主要是檢測(cè)電芯內(nèi)部是否存在顆粒異物、隔膜是否存在破損點(diǎn)，或者極片邊緣是否存在嚴(yán)重的毛刺等質(zhì)量問題，一般采用絕緣電阻測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)試。

為了確保Hi-pot測(cè)試有效地檢測(cè)出裸電芯內(nèi)部可能潛在的短路問題，本文作者重點(diǎn)探究了Hi-pot測(cè)試的測(cè)試時(shí)間、測(cè)試壓力和測(cè)試電壓等關(guān)鍵因素對(duì)結(jié)果的影響，以期指導(dǎo)生產(chǎn)時(shí)更準(zhǔn)確地設(shè)定測(cè)試參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理

實(shí)驗(yàn)采用HIOKI 5520絕緣電阻測(cè)試儀（日本產(chǎn)）。測(cè)試開始時(shí)，測(cè)試儀給裸電芯施加一個(gè)電壓，該電壓持續(xù)一段規(guī)定的時(shí)間后，檢測(cè)器檢測(cè)漏電流的電流值，并轉(zhuǎn)化為絕緣阻抗，根據(jù)絕緣阻抗是否在設(shè)定規(guī)定范圍內(nèi)，判斷裸電芯正負(fù)極之間有無短路。

一般測(cè)試過程中施加電壓的流程見圖1。

圖1 Hi-pot測(cè)試過程示意圖Fig.1 Diagram of high potential（Hi-pot）test process

在一定時(shí)間t1內(nèi)，對(duì)裸電芯從0開始加電壓，至設(shè)定值U;電壓U保持一段時(shí)間至t2;測(cè)試完成，切斷測(cè)試電壓，裸電芯正負(fù)極形成的雜散電容短接放電。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品采用本公司同一批次制作的常規(guī)疊片式裸電芯（308.5 mm×102.5 mm×9.9mm），標(biāo)稱電壓3.2 V，額定容量31 Ah，正極活性物質(zhì)為磷酸鐵鋰，負(fù)極活性物質(zhì)為石墨，隔膜為聚乙烯（PE）基膜。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

當(dāng)前所使用的測(cè)試設(shè)備升壓到設(shè)置電壓U的時(shí)間t1為0.5 s，延遲時(shí)間設(shè)置的一般要求是大于該升壓時(shí)間，t2為測(cè)試時(shí)間。

重復(fù)測(cè)試:采用兩種方式對(duì)同一批電芯進(jìn)行Hi-pot測(cè)試，測(cè)試條件為延遲時(shí)間1.5 s，測(cè)試時(shí)間4.0 s，測(cè)試壓力200 N，測(cè)試電壓250 V。方式1:測(cè)試后，不進(jìn)行正負(fù)極短接處理，連續(xù)測(cè)試，兩次測(cè)試時(shí)間間隔3 s以內(nèi)。方式2:測(cè)試后將正負(fù)極進(jìn)行短接處理，再進(jìn)行重復(fù)測(cè)試。

不同延遲時(shí)間:為避免測(cè)試時(shí)間過短對(duì)不同延遲時(shí)間測(cè)試結(jié)果的影響，測(cè)試時(shí)間采用相對(duì)充足的10.5 s，然后采用1～10 s的延遲時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試壓力為200 N，測(cè)試電壓為250 V。

不同測(cè)試時(shí)間:為避免延遲時(shí)間過短對(duì)不同測(cè)試時(shí)間測(cè)試結(jié)果的影響，采用1.5 s和2.5 s兩種延遲時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為3～10 s。測(cè)試壓力為200 N，測(cè)試電壓為250 V。

不同測(cè)試壓力:受限于設(shè)備所能提供的測(cè)試壓力最大為600 N，用 200 N、450 N和600 N等3個(gè)壓力進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。延遲時(shí)間為1.5 s，測(cè)試時(shí)間為4.0 s，測(cè)試電壓為250 V。

不同測(cè)試電壓:絕緣電阻測(cè)試設(shè)備的測(cè)試電壓為0～1 000 V，在 100 V、250 V、500 V和1 000 V等4個(gè)電壓下進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。延遲時(shí)間為1.5 s，測(cè)試時(shí)間為4.0 s，測(cè)試壓力為200 N。

測(cè)試壓力和測(cè)試電壓對(duì)Hi-pot測(cè)試不良（NG）品檢出率影響的測(cè)試方法:實(shí)際生產(chǎn)中，Hi-pot測(cè)試NG電芯比例很低。為了避免大批量電芯實(shí)驗(yàn)，首先人為制造10只含金屬異物的缺陷裸電芯樣件，異物為焊接工序負(fù)極銅金屬焊渣，焊渣形貌不一，尺寸為50～200μm。異物引入方式為用鑷子向裸電芯第5層正負(fù)極片的間隙放入3顆負(fù)極銅金屬焊渣。針對(duì)10只人為NG異物電芯，對(duì)比了250 V電壓下，200 N和600 N不同壓力下的NG電芯檢出率;對(duì)比了450 N壓力下，250 V、500 V和1 000 V不同電壓下的NG電芯檢出率。最后，選取250 V、450 N，250 V、600 N，500 V、450 N等3種測(cè)試條件，在生產(chǎn)線上進(jìn)行了批量驗(yàn)證。

2 結(jié)果與討論

2.1 重復(fù)測(cè)試

采用兩種方式對(duì)同一批電芯進(jìn)行Hi-pot重復(fù)測(cè)試，兩種方式的測(cè)試結(jié)果見圖2。

圖2 重復(fù)測(cè)試方式的測(cè)試結(jié)果Fig.2 Test results of repeated test methods

從圖2可知，方式1重復(fù)測(cè)試，隨測(cè)試次數(shù)的增加，結(jié)果逐漸增大，8次連續(xù)測(cè)試后，結(jié)果趨于相對(duì)穩(wěn)定;方式2重復(fù)測(cè)試，結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定。這是因?yàn)?正極/隔膜/負(fù)極構(gòu)成的雜散電容在測(cè)試時(shí)進(jìn)行了充電，測(cè)試后，若不進(jìn)行正負(fù)極短接，仍會(huì)殘留電量;重復(fù)測(cè)試時(shí)，因極化導(dǎo)致的極化電流減小，測(cè)得的絕緣阻抗會(huì)變大;正負(fù)極短接后，可以放掉首次測(cè)試時(shí)充入的電量，因此測(cè)試結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定。將電芯放置更長(zhǎng)時(shí)間以緩慢放電，也能使重復(fù)測(cè)試結(jié)果保持相對(duì)穩(wěn)定。

2.2 測(cè)試時(shí)間

Hi-pot測(cè)試的時(shí)間設(shè)置，主要包括測(cè)試時(shí)間和延遲時(shí)間。分別驗(yàn)證兩個(gè)時(shí)間的變化對(duì)結(jié)果的影響。

首先，固定測(cè)試時(shí)間為10.5 s，然后，調(diào)整延遲時(shí)間為1～10 s，測(cè)試結(jié)果見圖3。

圖3 延遲時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響Fig.3 Effects of delay time on test results

從圖3可知，在固定的10.5 s測(cè)試時(shí)間條件下，延遲時(shí)間從1 s增加到10 s，絕緣阻抗基本保持穩(wěn)定，延遲時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較小。

為驗(yàn)證測(cè)試時(shí)間對(duì)Hi-pot測(cè)試結(jié)果的影響，分別固定延遲時(shí)間為1.5 s、2.5 s，調(diào)整測(cè)試時(shí)間，測(cè)試結(jié)果見圖4。

圖4 測(cè)試時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響Fig.4 Effects of test time on test results

從圖4可知，在固定的延遲時(shí)間下，隨測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，測(cè)試結(jié)果逐漸增大。這是因?yàn)?在Hi-pot測(cè)試過程中，設(shè)備檢測(cè)到的電流主要包括電容電流、極化電流和漏電流等，電壓達(dá)到最大值后，電容電流快速消失;剩余極化電流和漏電流，隨著測(cè)試時(shí)間增加，極化電流逐漸減小，漏電流基本保持不變，絕緣阻抗結(jié)果也就隨之逐漸增大。

相同測(cè)試時(shí)間下不同延遲時(shí)間的絕緣阻抗見表1。

表1 相同測(cè)試時(shí)間下不同延遲時(shí)間的絕緣阻抗Table 1 Insulation impedance of different delay time at the same test time

從表1可知，在相同的測(cè)試時(shí)間下，2.5 s和1.5 s延遲時(shí)間下的絕緣阻抗結(jié)果接近。該數(shù)據(jù)同樣可以驗(yàn)證，延遲時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較小。

2.3 測(cè)試壓力

Hi-pot測(cè)試時(shí)，對(duì)裸電芯施加一定的外部壓力，能使正、負(fù)極和隔膜的接觸更緊密，讓內(nèi)部可能存在的異物擠壓隔膜，以便更容易地檢測(cè)出存在的異物。采用相同的測(cè)試電壓（250 V）將裸電芯用不同的壓力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見圖5。

圖5 不同測(cè)試壓力下的測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results at different test pressures

從圖5可知，在測(cè)試壓力為200～600 N時(shí)，提升測(cè)試壓力對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較小。

2.4 測(cè)試電壓

裸電芯的耐電壓擊穿能力與隔膜本身的耐電壓強(qiáng)度有關(guān)，隔膜越薄，耐電壓強(qiáng)度越低。測(cè)試電壓應(yīng)根據(jù)隔膜的耐電壓強(qiáng)度設(shè)定，最高不能高于隔膜本征擊穿電壓，否則會(huì)對(duì)正常電芯的隔膜造成損壞。絕緣電阻測(cè)試設(shè)備的測(cè)試電壓為0～1 000 V，而裸電芯Hi-pot測(cè)試所用常規(guī)測(cè)試電壓為250 V。實(shí)驗(yàn)在相同的測(cè)試壓力（450 N）下，分別測(cè)試100 V、250 V、500 V和1 000 V下的絕緣阻抗，結(jié)果見圖6。

圖6 不同測(cè)試電壓下的絕緣阻抗結(jié)果Fig.6 Insulation resistance results at different test voltages

從圖6可知，隨著測(cè)試電壓的升高，絕緣阻抗呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，電壓升高到1 000 V，也未發(fā)生擊穿。這說明，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)樣品使用的隔膜耐擊穿電壓高于1 000 V。

2.5 測(cè)試壓力和測(cè)試電壓對(duì)Hi-pot測(cè)試檢出率的影響

測(cè)試壓力實(shí)驗(yàn)表明，壓力在200～600 N時(shí)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較小，但根據(jù)理論分析，如果正負(fù)極之間存在一定尺寸的異物，增大測(cè)試壓力，正負(fù)極之間的間距減小，隔膜被異物擠壓，正負(fù)極之間的隔膜被擊穿，電壓會(huì)下降。如果加載相同的電壓，漏電流可能增大到超過設(shè)定的警報(bào)值，從而更有效地識(shí)別異物;測(cè)試電壓也是如此。異物擠壓隔膜，增大測(cè)試電壓，可使低電壓下不足以擊穿隔膜的異物，在高電壓下發(fā)生擊穿，表現(xiàn)出較大的漏電流，從而更有效地識(shí)別出異物。為了研究測(cè)試壓力和測(cè)試電壓對(duì)Hi-pot測(cè)試檢出率的影響，人為向裸電芯內(nèi)部添加少量金屬異物，制作NG電芯，通過對(duì)比不同測(cè)試壓力和測(cè)試電壓下的測(cè)試結(jié)果（見表2），評(píng)估增大測(cè)試壓力和測(cè)試電壓對(duì)NG裸電芯檢出情況的影響。

表2 不同Hi-pot測(cè)試條件下NG電芯檢出結(jié)果Table 2 Not good（NG）cell detection results at different Hipot test conditions

從表2可知，當(dāng)測(cè)試電壓為250 V時(shí)，在200 N和600 N的測(cè)試壓力下，NG電芯檢出率無明顯區(qū)別。當(dāng)測(cè)試壓力為450 N時(shí)，在250 V的測(cè)試電壓下，10只人為異物NG電芯檢測(cè)出5只;當(dāng)測(cè)試電壓升高到500 V和1 000 V時(shí)，分別檢測(cè)出6只和7只。這表明，增大測(cè)試電壓可以提高NG裸電芯檢出率。有一定數(shù)量的添加少量金屬異物的電芯無法通過Hi-pot測(cè)試檢測(cè)出來，原因是:添加金屬異物的顆粒大小和形貌不同，若異物顆粒過小或形貌偏片狀，測(cè)試時(shí)對(duì)隔膜的擠壓或損傷較小，無法體現(xiàn)出較大的漏電流。

基于上述人為NG電芯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為了進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)試壓力和測(cè)試電壓的影響，分別進(jìn)行放大批量測(cè)試實(shí)驗(yàn)，考察測(cè)試壓力和測(cè)試電壓對(duì)正常批量電芯檢出率的影響，對(duì)相鄰時(shí)間點(diǎn)生產(chǎn)的同一批次電芯進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，結(jié)果見表3。

表3 不同測(cè)試條件下NG電芯檢出率Table 3 NG cell detection rate at different test conditions

從表3可知，測(cè)試壓力由450 N提高到600 N，NG 率變化不大;測(cè)試電壓由250 V提高到500 V，NG率由0.13%提高到0.31%，明顯增大。假設(shè)該時(shí)間段該批次電芯的異物控制水平相近，測(cè)試電壓增大，NG電芯檢出率明顯提高。Hi-pot測(cè)試檢出的NG裸電芯拆解后，在隔膜上可發(fā)現(xiàn)金屬異物導(dǎo)致的擊穿點(diǎn)。

3 結(jié)論

綜上所述，Hi-pot測(cè)試時(shí)間對(duì)絕緣阻抗大小有影響，測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng)，檢測(cè)出來的電流越小，測(cè)試結(jié)果越大;延遲時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果影響很小，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)來確定測(cè)試時(shí)間，建議延時(shí)時(shí)間至少為0.5 s，測(cè)試時(shí)間至少為1.0 s。

實(shí)驗(yàn)對(duì)比了壓力為200～600 N時(shí)測(cè)試電壓對(duì)結(jié)果的影響，結(jié)果顯示，該壓力范圍內(nèi)壓力對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響很小;測(cè)試電壓是影響Hi-pot測(cè)試的關(guān)鍵因素。當(dāng)電壓為100～1 000 V時(shí)，測(cè)試絕緣阻抗隨測(cè)試電壓的增大而減小，電壓升高，可提高NG電芯的檢出率，需要設(shè)定合理的電壓來保證測(cè)試的有效性，但不能無限制地增大電壓，否則會(huì)導(dǎo)致正常電芯被誤判為不良品。建議測(cè)試電壓以不超過隔膜本征擊穿電壓的50%為宜。