UniVert力學試驗系統(tǒng)電池材料測試解決方案

從日用品到行業(yè)專用設備，各種電池產品一直在我們的生活中隨處可見。隨著科技的發(fā)展，智能手機、清潔機器人、無人機、新能源汽車等已越來越多的走進人們的日常生活。作為能量與動力的重要載體，電池也在被越來越多的應用。其性能直接決定了設備的續(xù)航時間、載荷能力和安全性等因素。因而也形成了關于其提供可持續(xù)性電力的研究熱潮。電池每個部分應該選擇什么樣的材料，從而可以優(yōu)化電池的性能特征，一個關鍵方面是依靠先進的分析表征手段。

鋰離子電池主要由四個部分組成：陰極、陽極、隔膜和電解液。在工作電池內，鋰離子在放電時從陽極流向陰極，充電時則流向相反。單個的電池芯輸出的能量是有限的，它通常會與其他電池芯組合形成電池組。電池組則可以組合成電池模塊，用于能量輸出要求更高的儲能應用中，如電動汽車和電網儲能。陰極、陽極、隔膜和電解液各自的組成材料共同決定了電池的六個主要性能特征：運行時長、安全性、循環(huán)壽命、功率、能量密度和成本。

根據其不同的功能，測試驗證過程中會對這些部件和材料施加大量載荷。包括由鋁膜和銅膜制成的電極材料、聚合物隔膜(PE/PP)、石墨或鈦酸鹽電極涂層、鋰金屬氧化物涂層、鋁基外殼（實心外殼或層壓箔）等。

在生產過程中，材料在各個制造階段都要承受機械載荷，并且必須適應這種載荷。在電池運行期間，所使用的材料會受到電化學、熱和機械載荷的影響。因此，必須測定拉伸應力、抗彎性、裂紋強度、剪切強度、密封接縫強度、粘合強度、抗穿刺性、彈性、溫度應力或抗壓強度。此外，一些部件還必須通過功能試驗，例如終端處的剪切力或方形蓄電池安全閥的抗穿刺性，或簡單驗證集電器的焊縫強度。還必須了解鋰離子電池的性能周期，為此，獲取在充電過程中因膨脹引起的電池機械變形數據在電池環(huán)境的設計中非常重要。其他挑戰(zhàn)包括：寬溫度范圍（-40至+120℃）內的耐溫性、抗振動性、循環(huán)載荷和受電化學影響而導致的老化過程。

• 電極膜：使用拉伸或穿刺試驗

• 電極涂層：測定活性材料涂層與電極（鋁膜或銅膜）之間的粘合強度、活性材料涂層的硬度/剛度/壓縮性、活性材料涂層的彎曲強度，以及電池層之間的摩擦系數

• 隔膜：使用拉伸或穿刺試驗

• 固態(tài)電池：機械性能，如鋰金屬陽極

隔膜是核心關鍵材料之一，是制約電池安全性、循環(huán)壽命、電性能的關鍵組件。CellScale材料力學試驗機提供完整的力學性能測試，主要包括 抗拉強度、延伸率、穿刺強度，剝離強度（涂層復合膜）等。同時還可以完成高精度的鋰電池強制內短路測試，確保鋰電池更加安全。

1.拉伸

采用氣動夾具夾緊，在避免操作人員往復手動操作夾緊的同時，極大的提高了測試速度；同時氣動夾緊排出了人為夾持過松導致的打滑現象，進一步的提高了數據穩(wěn)定性。腳踏式開關可解放出操作人員的雙手，以更方便和輕松的放置試樣。同時為滿足不同人員的操作習慣，還可通過氣動輔具上的手動開關進行閉合、松開操作，為用戶提供極大的便利性。

2.穿刺

氣動穿刺工裝夾具是專門為提高電池隔膜穿刺試驗效率和穩(wěn)定性開發(fā)的一款氣動輔具。采用雙杠升降，可定制前后隔膜入料或左右入料，符合人體工程學設計；同時入料方向可旋轉，滿足不同操作人員的使用習慣。試驗人員放置好隔膜后，可通過腳踏開關（或手動開關）快速操作完成夾持，夾持完畢后，只需按手控盒的開始鍵即可開始試驗，試驗完畢后可快速安置好下一試驗點，迅速完成5點或多點測試。

3.剝離

以鋰離子電池聚乙烯(PE)等隔膜為基體，在其表面均勻的涂覆厚度為1-２μｍ混有納米氧化鋁粉末及膠凝劑漿體，可以制成無機復合陶瓷涂層鋰離子電池隔膜。陶瓷涂層隔膜可以有效的提高鋰離子電池的熱安全性，同時對電解液具有良好的潤濕性及保液性能，可以有效的提高鋰離子電池的容量保持性能。

4.強制內短路測試

從每年在世界各地發(fā)生的電池安全事故的失效初步分析來看，大部分是由于電池內部發(fā)生短路引起的。起火是由于電池在生產過程中內部混入了微小的金屬顆粒，此顆粒在電池充放電、溫度變化和外部撞擊的過程中穿刺了正負極隔膜，從而導致內部發(fā)生了短路，進而引起熱失控，以致發(fā)生起火。 但此類偶然混入無法避免， 所以對鋰電池提出了新的測試要求，即電池即使有微小顆粒混入， 需要依然能夠安全的使用， 而測試電池混入微小顆粒后表現的測試即為鋰離子電池的強制內短路測試。

燃料電池可將化學能從氣態(tài)氫轉換為電、水和熱。因此，它們可為汽車等電子產品中的系統(tǒng)甚至固定式發(fā)電廠提供能量。與能源或汽車行業(yè)中所使用的傳統(tǒng)技術相比效率更高，無排放且非常安靜。根據使用的電解質和電極將燃料電池分為不同的類別。其中，質子交換膜燃料電池(PEMFC)尤其適用于汽車行業(yè)（中型和重型車輛），發(fā)展?jié)摿ΑＡ硪环矫?，固體氧化物燃料電池(SOFC)主要用于固定式儲能。

燃料電池的主要研發(fā)目標包括提高成本效益、提高性能和延長使用壽命。PEMFC由膜電極組件(MEA)組成，包括質子交換膜(PEM)、催化劑層(CL)、氣體擴散層(GDL)、雙極板和密封件。機械性能對于燃料電池系統(tǒng)中的每個部件而言都很重要。測試燃料電池時，將涉及拉伸、蠕變、粘附力、三點彎曲和裂紋增長等試驗。

部件、組合部件或裝配后的機械特性研發(fā)對于了解在實際工作條件下的電池性能來說至關重要。CellScale提供了燃料電池系列測試解決方案，可幫助客戶了解裝配壓力對燃料電池部件機械特性（厚度、電氣性能和透氣性）變化的影響。

裝配是一個復雜的工藝。裝配力與工作溫度的相互作用會使部件之間的應力分布不均勻，從而導致一定程度的變形。裝配工藝效率低下且不準確時會導致制造成本增加。使用UniVert試驗機進行燃料電池測試有助于優(yōu)化裝配工藝，了解裝配力與其他載荷之間相互作用的影響，動態(tài)調整裝配載荷，以及調整裝配自動化。