UniVert力学试验系统电池材料测试解决方案

从日用品到行业专用设备，各种电池产品一直在我们的生活中随处可见。随着科技的发展，智能手机、清洁机器人、无人机、新能源汽车等已越来越多的走进人们的日常生活。作为能量与动力的重要载体，电池也在被越来越多的应用。其性能直接决定了设备的续航时间、载荷能力和安全性等因素。因而也形成了关于其提供可持续性电力的研究热潮。电池每个部分应该选择什么样的材料，从而可以优化电池的性能特征，一个关键方面是依靠先进的分析表征手段。

锂离子电池主要由四个部分组成：阴极、阳极、隔膜和电解液。在工作电池内，锂离子在放电时从阳极流向阴极，充电时则流向相反。单个的电池芯输出的能量是有限的，它通常会与其他电池芯组合形成电池组。电池组则可以组合成电池模块，用于能量输出要求更高的储能应用中，如电动汽车和电网储能。阴极、阳极、隔膜和电解液各自的组成材料共同决定了电池的六个主要性能特征：运行时长、安全性、循环寿命、功率、能量密度和成本。

根据其不同的功能，测试验证过程中会对这些部件和材料施加大量载荷。包括由铝膜和铜膜制成的电极材料、聚合物隔膜(PE/PP)、石墨或钛酸盐电极涂层、锂金属氧化物涂层、铝基外壳（实心外壳或层压箔）等。

在生产过程中，材料在各个制造阶段都要承受机械载荷，并且必须适应这种载荷。在电池运行期间，所使用的材料会受到电化学、热和机械载荷的影响。因此，必须测定拉伸应力、抗弯性、裂纹强度、剪切强度、密封接缝强度、粘合强度、抗穿刺性、弹性、温度应力或抗压强度。此外，一些部件还必须通过功能试验，例如终端处的剪切力或方形蓄电池安全阀的抗穿刺性，或简单验证集电器的焊缝强度。还必须了解锂离子电池的性能周期，为此，获取在充电过程中因膨胀引起的电池机械变形数据在电池环境的设计中非常重要。其他挑战包括：宽温度范围（-40至+120℃）内的耐温性、抗振动性、循环载荷和受电化学影响而导致的老化过程。

• 电极膜：使用拉伸或穿刺试验

• 电极涂层：测定活性材料涂层与电极（铝膜或铜膜）之间的粘合强度、活性材料涂层的硬度/刚度/压缩性、活性材料涂层的弯曲强度，以及电池层之间的摩擦系数

• 隔膜：使用拉伸或穿刺试验

• 固态电池：机械性能，如锂金属阳极

隔膜是核心关键材料之一，是制约电池安全性、循环寿命、电性能的关键组件。CellScale材料力学试验机提供完整的力学性能测试，主要包括 抗拉强度、延伸率、穿刺强度，剥离强度（涂层复合膜）等。同时还可以完成高精度的锂电池强制内短路测试，确保锂电池更加安全。

1.拉伸

采用气动夹具夹紧，在避免操作人员往复手动操作夹紧的同时，极大的提高了测试速度；同时气动夹紧排出了人为夹持过松导致的打滑现象，进一步的提高了数据稳定性。脚踏式开关可解放出操作人员的双手，以更方便和轻松的放置试样。同时为满足不同人员的操作习惯，还可通过气动辅具上的手动开关进行闭合、松开操作，为用户提供极大的便利性。

2.穿刺

气动穿刺工装夹具是专门为提高电池隔膜穿刺试验效率和稳定性开发的一款气动辅具。采用双杠升降，可定制前后隔膜入料或左右入料，符合人体工程学设计；同时入料方向可旋转，满足不同操作人员的使用习惯。试验人员放置好隔膜后，可通过脚踏开关（或手动开关）快速操作完成夹持，夹持完毕后，只需按手控盒的开始键即可开始试验，试验完毕后可快速安置好下一试验点，迅速完成5点或多点测试。

3.剥离

以锂离子电池聚乙烯(PE)等隔膜为基体，在其表面均匀的涂覆厚度为1-２μｍ混有纳米氧化铝粉末及胶凝剂浆体，可以制成无机复合陶瓷涂层锂离子电池隔膜。陶瓷涂层隔膜可以有效的提高锂离子电池的热安全性，同时对电解液具有良好的润湿性及保液性能，可以有效的提高锂离子电池的容量保持性能。

4.强制内短路测试

从每年在世界各地发生的电池安全事故的失效初步分析来看，大部分是由于电池内部发生短路引起的。起火是由于电池在生产过程中内部混入了微小的金属颗粒，此颗粒在电池充放电、温度变化和外部撞击的过程中穿刺了正负极隔膜，从而导致内部发生了短路，进而引起热失控，以致发生起火。 但此类偶然混入无法避免， 所以对锂电池提出了新的测试要求，即电池即使有微小颗粒混入， 需要依然能够安全的使用， 而测试电池混入微小颗粒后表现的测试即为锂离子电池的强制内短路测试。

燃料电池可将化学能从气态氢转换为电、水和热。因此，它们可为汽车等电子产品中的系统甚至固定式发电厂提供能量。与能源或汽车行业中所使用的传统技术相比效率更高，无排放且非常安静。根据使用的电解质和电极将燃料电池分为不同的类别。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)尤其适用于汽车行业（中型和重型车辆），发展潜力。另一方面，固体氧化物燃料电池(SOFC)主要用于固定式储能。

燃料电池的主要研发目标包括提高成本效益、提高性能和延长使用寿命。PEMFC由膜电极组件(MEA)组成，包括质子交换膜(PEM)、催化剂层(CL)、气体扩散层(GDL)、双极板和密封件。机械性能对于燃料电池系统中的每个部件而言都很重要。测试燃料电池时，将涉及拉伸、蠕变、粘附力、三点弯曲和裂纹增长等试验。

部件、组合部件或装配后的机械特性研发对于了解在实际工作条件下的电池性能来说至关重要。CellScale提供了燃料电池系列测试解决方案，可帮助客户了解装配压力对燃料电池部件机械特性（厚度、电气性能和透气性）变化的影响。

装配是一个复杂的工艺。装配力与工作温度的相互作用会使部件之间的应力分布不均匀，从而导致一定程度的变形。装配工艺效率低下且不准确时会导致制造成本增加。使用UniVert试验机进行燃料电池测试有助于优化装配工艺，了解装配力与其他载荷之间相互作用的影响，动态调整装配载荷，以及调整装配自动化。