UniVert力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)電池材料測試解決方案

從日用品到行業(yè)專用設(shè)備，各種電池產(chǎn)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(jī)、清潔機(jī)器人、無人機(jī)、新能源汽車等已越來越多的走進(jìn)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(yīng)用。其性能直接決定了設(shè)備的續(xù)航時(shí)間、載荷能力和安全性等因素。因而也形成了關(guān)于其提供可持續(xù)性電力的研究熱潮。電池每個(gè)部分應(yīng)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(gè)關(guān)鍵方面是依靠先進(jìn)的分析表征手段。

鋰離子電池主要由四個(gè)部分組成：陰極、陽極、隔膜和電解液。在工作電池內(nèi)，鋰離子在放電時(shí)從陽極流向陰極，充電時(shí)則流向相反。單個(gè)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(yīng)用中，如電動汽車和電網(wǎng)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(gè)主要性能特征：運(yùn)行時(shí)長、安全性、循環(huán)壽命、功率、能量密度和成本。

根據(jù)其不同的功能，測試驗(yàn)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(shí)心外殼或?qū)訅翰┑取?/span>

在生產(chǎn)過程中，材料在各個(gè)制造階段都要承受機(jī)械載荷，并且必須適應(yīng)這種載荷。在電池運(yùn)行期間，所使用的材料會受到電化學(xué)、熱和機(jī)械載荷的影響。因此，必須測定拉伸應(yīng)力、抗彎性、裂紋強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、密封接縫強(qiáng)度、粘合強(qiáng)度、抗穿刺性、彈性、溫度應(yīng)力或抗壓強(qiáng)度。此外，一些部件還必須通過功能試驗(yàn)，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(yàn)證集電器的焊縫強(qiáng)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(jī)械變形數(shù)據(jù)在電池環(huán)境的設(shè)計(jì)中非常重要。其他挑戰(zhàn)包括：寬溫度范圍（-40至+120℃）內(nèi)的耐溫性、抗振動性、循環(huán)載荷和受電化學(xué)影響而導(dǎo)致的老化過程。

• 電極膜：使用拉伸或穿刺試驗(yàn)

• 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(qiáng)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(qiáng)度，以及電池層之間的摩擦系數(shù)

• 隔膜：使用拉伸或穿刺試驗(yàn)

• 固態(tài)電池：機(jī)械性能，如鋰金屬陽極

隔膜是核心關(guān)鍵材料之一，是制約電池安全性、循環(huán)壽命、電性能的關(guān)鍵組件。CellScale材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)提供完整的力學(xué)性能測試，主要包括 抗拉強(qiáng)度、延伸率、穿刺強(qiáng)度，剝離強(qiáng)度（涂層復(fù)合膜）等。同時(shí)還可以完成高精度的鋰電池強(qiáng)制內(nèi)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(fù)手動操作夾緊的同時(shí)，極大的提高了測試速度；同時(shí)氣動夾緊排出了人為夾持過松導(dǎo)致的打滑現(xiàn)象，進(jìn)一步的提高了數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。腳踏式開關(guān)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(shí)為滿足不同人員的操作習(xí)慣，還可通過氣動輔具上的手動開關(guān)進(jìn)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(yàn)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(xué)設(shè)計(jì)；同時(shí)入料方向可旋轉(zhuǎn)，滿足不同操作人員的使用習(xí)慣。試驗(yàn)人員放置好隔膜后，可通過腳踏開關(guān)（或手動開關(guān)）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(yàn)，試驗(yàn)完畢后可快速安置好下一試驗(yàn)點(diǎn)，迅速完成5點(diǎn)或多點(diǎn)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(jī)復(fù)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(shí)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(qiáng)制內(nèi)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(nèi)部發(fā)生短路引起的。起火是由于電池在生產(chǎn)過程中內(nèi)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(fù)極隔膜，從而導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)生了短路，進(jìn)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?；烊耄?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(xiàn)的測試即為鋰離子電池的強(qiáng)制內(nèi)短路測試。

燃料電池可將化學(xué)能從氣態(tài)氫轉(zhuǎn)換為電、水和熱。因此，它們可為汽車等電子產(chǎn)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(shù)相比效率更高，無排放且非常安靜。根據(jù)使用的電解質(zhì)和電極將燃料電池分為不同的類別。其中，質(zhì)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?。另一方面，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(biāo)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(zhì)子交換膜(PEM)、催化劑層(CL)、氣體擴(kuò)散層(GDL)、雙極板和密封件。機(jī)械性能對于燃料電池系統(tǒng)中的每個(gè)部件而言都很重要。測試燃料電池時(shí)，將涉及拉伸、蠕變、粘附力、三點(diǎn)彎曲和裂紋增長等試驗(yàn)。

部件、組合部件或裝配后的機(jī)械特性研發(fā)對于了解在實(shí)際工作條件下的電池性能來說至關(guān)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(jī)械特性（厚度、電氣性能和透氣性）變化的影響。

裝配是一個(gè)復(fù)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(yīng)力分布不均勻，從而導(dǎo)致一定程度的變形。裝配工藝效率低下且不準(zhǔn)確時(shí)會導(dǎo)致制造成本增加。使用UniVert試驗(yàn)機(jī)進(jìn)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(diào)整裝配載荷，以及調(diào)整裝配自動化。