文章來源：萬向一二三股份公司

電芯內(nèi)部存在短路是引起鋰離子電池安全問題的原因之一。針對電池內(nèi)部短路風(fēng)險，絕緣耐電壓（Hi-pot）測試是一項重要的質(zhì)量檢測篩選手段，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。
鋰離子電池生產(chǎn)制造過程中，通常采用疊片或卷繞方式將正、負(fù)極片和隔膜組裝在一起，該過程制成的半成品通常被稱為裸電芯。隔膜將正負(fù)極片間隔開，但隔膜中的孔隙可以允許Li+自由通過。Hi-pot測試主要是檢測電芯內(nèi)部是否存在顆粒異物、隔膜是否存在破損點或極片邊緣是否存在嚴(yán)重毛刺等質(zhì)量問題，一般采用絕緣電阻測量儀進(jìn)行測試。
為了確保Hi-pot測試有效地檢出裸電芯內(nèi)部可能潛在的短路問題，本文作者重點探究了Hi-pot測試的測試時間、壓力和測試電壓等關(guān)鍵因素對結(jié)果的影響，以期指導(dǎo)生產(chǎn)時設(shè)定更有效的測試參數(shù)。

1實驗

1.1實驗設(shè)備及原理實驗采用HIOKI5520絕緣電阻測試儀（日本產(chǎn)）。測試開始時，測試儀給裸電芯施加一個電壓，該電壓持續(xù)一段規(guī)定的時間后，檢測器檢測漏電流的電流值并轉(zhuǎn)化為絕緣阻值，根據(jù)絕緣阻值是否在設(shè)定規(guī)定范圍內(nèi)，判斷裸電芯正負(fù)極之間有無短路。一般測試過程中施加電壓的流程見圖1。

在一定時間t1內(nèi)，對裸電芯從0開始加電壓，至設(shè)定值U；電壓U保持一段時間至t2；測試完成，切斷測試電壓，裸電芯正負(fù)極形成的雜散電容短接放電。
1.2實驗樣品實驗樣品采用本公司同一批次制作的常規(guī)疊片式裸電芯（308.5mm×102.5mm×9.9mm），標(biāo)稱電壓3.2V，額定容量31Ah，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實驗方法重復(fù)測試：采用兩種方式對同一批電芯進(jìn)行Hi-pot測試,測試條件為延遲時間1.5s，測試時間4.0s，測試壓力200N，測試電壓250V。方式1：測試后，不進(jìn)行正負(fù)極短接處理，連續(xù)測試，兩次測試時間間隔3s以內(nèi)；方式2：測試后將正負(fù)極進(jìn)行短接處理，再進(jìn)行重復(fù)測試。

不同延遲時間：當(dāng)前所使用的測試設(shè)備升壓到設(shè)置電壓U的時間t1為0.5s，延遲時間設(shè)置的一般要求需要大于該升壓時間，t2為測試時間。為避免測試時間過短對不同延遲時間測試結(jié)果的影響，測試時間采用相對充足的10.5s，然后采用1~10s的延遲時間進(jìn)行測試。測試壓力為200N，測試電壓為250V。
不同測試時間：為避免延遲時間過短對不同測試時間測試結(jié)果的影響，采用1.5s和2.5s兩種延遲時間進(jìn)行測試，測試時間為3~10s。測試壓力為200N，測試電壓為250V。
不同測試壓力：受限于設(shè)備所能提供的測試壓力最大為600N，選取200N、450N和600N等3個壓力參數(shù)進(jìn)行對比測試。延遲時間為1.5s、測試時間為4.0s、測試電壓為250V。不同測試電壓：絕緣電阻測試設(shè)備的測試電壓為0~1000V，在100V、250V、500V和1000V等4個電壓參數(shù)下進(jìn)行對比測試。延遲時間為1.5s、測試時間為4.0s、測試壓力為200N。
測試壓力和測試電壓對Hi-pot測試不良（NG）品檢出率影響的測試方法：實際生產(chǎn)中，Hi-pot測試NG電芯比例很低，為了避免大批量電芯實驗，首先人為制造了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)極片的中放入3顆負(fù)極銅金屬焊渣。針對10只人為NG異物電芯，對比了250V電壓下，200N和600N不同壓力下的NG電芯檢出率；對比了450N壓力下，250V、500V和1000V不同電壓下的NG電芯檢出率。最后，選取250V、450N，250V、600N，500V、450N等3種測試條件，在生產(chǎn)線進(jìn)行了批量驗證。
2結(jié)果與討論
2.1重復(fù)測試采用兩種方式對同一批電芯進(jìn)行Hi-pot重復(fù)測試，兩種方式的測試結(jié)果見圖2。

從圖2可知，方式1重復(fù)測試，隨測試次數(shù)的增加，結(jié)果逐漸增大，8次連續(xù)測試后，結(jié)果趨于相對穩(wěn)定；方式2重復(fù)測試，結(jié)果相對穩(wěn)定。這是因為：正極/隔膜/負(fù)極構(gòu)成的雜散電容在測試時進(jìn)行了充電，測試后，若不進(jìn)行正負(fù)極短接，仍會殘留電量；重復(fù)測試時，因極化導(dǎo)致的極化電流減小，測得的結(jié)果絕緣阻值會變大；正負(fù)極短接后，可以放掉首次測試時充入的電量，因此測試結(jié)果相對穩(wěn)定。將電芯放置更長時間讓其緩慢放電，也可以使重復(fù)測試結(jié)果保持相對穩(wěn)定。
2.2測試時間Hi-pot測試的時間設(shè)置，主要包括測試時間和延遲時間。分別驗證兩個時間的變化對結(jié)果的影響。首先，固定測試時間為10.5s，然后，調(diào)整延遲時間為1~10s，測試結(jié)果見圖3。

從圖3可知，在固定的10.5s測試時間條件下，延遲時間從1s增加到10s，耐電壓絕緣阻值基本保持穩(wěn)定，延遲時間對測試結(jié)果影響較小。為驗證測試時間對Hi-pot測試結(jié)果的影響，固定延遲時間為1.5s、2.5s，調(diào)整測試時間，測試結(jié)果見圖4。

從圖4可知，在固定的延遲時間下，隨測試時間的延長，測試結(jié)果逐漸增大。這是因為：在Hi-pot測試過程中，設(shè)備檢測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，隨著測試時間增加，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。相同測試時間下不同延遲時間的絕緣阻抗見表1。

從表1可知，在相同的測試時間下，2.5s和1.5s延遲時間下的絕緣阻抗結(jié)果接近。該數(shù)據(jù)可以同樣印證，延遲時間對測試結(jié)果的影響較小。
2.3測試壓力Hi-pot測試時，對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，以便更容易地檢測出存在異物。采用相同的測試電壓（250V）將裸電芯放置于不同的測試壓力下，測試結(jié)果見圖5。

從圖5可知，在測試壓力為200~600N時，提升測試壓力對測試結(jié)果的影響較小。
2.4測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。測試電壓應(yīng)根據(jù)隔膜的耐電壓強(qiáng)度設(shè)定，測試電壓最高不能高于隔膜本征擊穿電壓，否則會對正常電芯的隔膜造成損壞。絕緣電阻測試設(shè)備的測試電壓為0~1000V，當(dāng)前行業(yè)內(nèi)裸電芯Hi-pot測試常規(guī)采用的測試電壓為250V。實驗在相同的測試壓力（450N）下，分別測試100V、250V、500V和1000V下的絕緣阻值，結(jié)果見圖6。

從圖6可知，隨著測試電壓的升高，絕緣阻值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，電壓升高到1000V，也未發(fā)生擊穿。這說明，當(dāng)前實驗樣品使用的隔膜耐擊穿電壓高于1000V。
2.5測試壓力和測試電壓對Hi-pot測試檢出率的影響測試壓力試驗表明，測試壓力在200~600N時對測試結(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，電壓會下降。如果加載相同的電壓，漏電流可能增大超過設(shè)定的警報值，從而更有效識別出異物。測試電壓也是如此。異物擠壓隔膜，增大測試電壓，可以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，從而更有效地識別出異物。為了研究測試壓力和測試電壓對Hi-pot測試檢出率的影響，人為向裸電芯內(nèi)部添加少量金屬異物，制作NG電芯，通過對比不同測試壓力和測試電壓下的測試結(jié)果（見表2），評估增大測試壓力和測試電壓對NG裸電芯檢出情況的影響。

從表2可知，當(dāng)測試電壓為250V時，在200N和600N的測試壓力下，NG電芯檢出率無明顯區(qū)別。當(dāng)測試壓力為450N時，在250V的測試電壓下，10只人為異物NG電芯檢測出5只；當(dāng)測試電壓升高到500V和1000V時，都檢測出6只。這表明，增大測試電壓可以提高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測試檢測出來，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，測試時異物對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電芯的實驗結(jié)果，為了進(jìn)一步驗證測試壓力和測試電壓的影響，分別進(jìn)行放大批量測試實驗，考察測試壓力和測試電壓對正常批量電芯檢出率的影響，對相鄰時間點生產(chǎn)的同一批次電芯進(jìn)行測試對比，結(jié)果見表3。

從表3可知，測試壓力由450N提高到600N，NG率變化不大；測試電壓由250V提高到500V，NG率由0.13%提高到0.31%，明顯增大。假設(shè)該時間段該批次電芯的異物控制水平相近，測試電壓增大，NG電芯檢出率明顯提高，Hi-pot測試檢出的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。

3結(jié)論

綜上所述，Hi-pot測試時間對絕緣阻值大小有影響，測試時間越長，檢測出來的電流越小，測試結(jié)果越大；延遲時間對測試結(jié)果影響很小，根據(jù)實際生產(chǎn)來確定測試時間，建議延時時間至少為0.5s，測試時間至少為1.0s。實驗對比了壓力為200~600N時測試電壓對結(jié)果的影響，結(jié)果顯示，該壓力范圍內(nèi)壓力對測試結(jié)果的影響很?。粶y試電壓是影響Hi-pot測試的關(guān)鍵因素。當(dāng)電壓為100~1000V時，測試絕緣阻值隨測試電壓的增大而減小，電壓提高，可提高不良電芯的檢出率，需要設(shè)定合理的電壓來保證測試的有效性，但不能無限制的增大電壓，否則會導(dǎo)致正常電芯被誤判為不良品。建議測試電壓以不超過隔膜本征擊穿電壓的50%為宜。