电芯的绝缘和耐电压测试

mg_LLyh_yc 2021-12-21

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如果我们比较新电池和梯次利用的电池有哪些差异，一个很重要的内容是电芯内部的锂沉积导致内部的特性差异。在本文中，我们根据现有的新电池在制造工艺层面的绝缘电阻和耐压Hi-Pot实验来探讨下可行性。

在《锂离子电池行业规范公告申请书》里面，单体层面和模组层面，都用Hi-Pot测试来检测电池单体的内短路情况。

图1 电池生产过程中

电池生产过程中的耐压测试主要分为两个部分：

1）电池芯半成品 (Jelly Roll)

卷绕或叠片组装之后，裸电芯需要进行热压处理，对极片和隔膜整形，使两者更加紧密接触，降低锂离子传输阻力。在热压地同时，往往会对裸电芯进行绝缘耐电压测试，主要判断电芯内部是否存在异物颗粒造成短路。电池芯正负极间距离相当重要，因为电场强度与电压及距离有关(E=V/d), 正负极之距离透过隔离膜来撑开，制程中因原材料裁切毛边或卷绕过程中异物飞入，导致两极间距离不足。主要能检测的问题包括：

a.隔膜存在破损点

b.在焊接和组装过程中存在异物（铜屑等）

c.极片在分切过程中产生的毛刺

如下图所示，当这些问题存在的时候，电芯内部的正负极就会处在接触或者半接触的状态。我们采用Hi-pot 测试的目的在于检测电芯半成品，是否存在的或潜在短路的风险。

图2 电池早期生产阶段的一些问题

当电池进行充电/放电后，两极间易产生树枝状结晶，影响电池芯品质。通过耐压测试(Hi-pot Test)可确认正极与负极材料间的距离，通过对于电晕放电侦测可以对电芯微距间的电晕放电，把这块的问题检测出来。 Hi-pot测试大部分为直流电绝缘测试，在裸电芯两极之间加上一定的电压通过两极间的漏电流来得到两极间的电阻，通过电阻的大小来判断电芯是否短路。在测试中，我们实际可控参数为：

a.耐压的电压值U

b.整个判定的不合格电流数值I

耐压U也与隔膜本身的耐电压强度有关，隔膜的特性很大的差异的，隔膜越薄，耐电压强度越低，测试电压U页应与之相当。

报警电流设定需要考虑电容充电电流，充电电流越大，报警电流也应该设定大些，否则会引起误判，将合格产品判定为不合格，影响产品合格率。

外部环境因素包括：

a.温度：不同公司的Hipot的环节不同，部分是在热压进行，温度越高，电芯内部的异物更容易刺穿隔离膜被检出

b.压力：对于电芯来说，往往在模组内采取加压，因此在后续的电芯成品中，压力也是hi-pot测试的关键因素，压力越大能检出更多的异物。

c.隔膜：如果采用涂布陶瓷（三氧化二铝），则需要考虑水分的影响，三氧化二铝本身容易吸收水分，当含量大时也容易形成较大的漏电流。

备注：使用陶瓷隔膜的时候，需要考虑这个陶瓷会带来的杂散电容的情况，与陶瓷隔膜相比，常规隔膜充电时间很短，而陶瓷隔膜会有较大的寄生和杂散电容，因此需要考虑加电压的时间，需要调整电压的上升时间，需要适当延长设备充电报警时间。

2）电芯

在完成注液以后，还要对电芯进行耐压测试。我们实际的测试情况，是需要考虑电芯成品与后续应用的差异性，所以在电芯成品上需要考虑隔膜效应，还有在电芯外壳带电的条件下，负极对于整个外壳的绝缘情况。在滇西内会考虑绝缘膜来进行隔绝，若电池芯外壳绝缘能力不足，可能发生放电或绝缘失效导致电池芯或模组损坏。

图3 电芯结构

3）电池模组

到了模组这一层级，其实把更多的内容连接起来，把电芯外壳的蓝膜绝缘、模组内的各个绝缘层都考虑耐压测试(Hi-pot Test) 可检测电池芯之组装不良或绝缘距离不足造成的绝缘失效，在这个层面可以参考法规IEC 62133。由于6-12个分摊整个电压，隔膜的绝缘耐压值不是瓶颈，可以考虑往车用的方向去靠。

话题回到我们的使用过程，随着充放电的过程，由于电池随着充放电的过程，对于隔膜对于极片都是由影响的，隔膜的问题电芯的如之前的三星手机的隔膜缩短的情况。为了追求能量密度，势必要求集流体变薄、隔膜也往薄了做。因此长久使用，势必对于整个电芯的这块的特性有很大的差异。