一种软包电池的多场原位应变表征方法及装置

本发明属于电池原位表征测试设备及，特别是涉及一种软包电池的多场原位应变表征方法及装置。

背景技术：

1、剪切增稠电解质是一种新型安全电池材料，具有特殊力学响应特征，能在冲击载荷下由液态转化为类固态，有效降低锂离子电池因机械滥用引起的热失控风险。研究显示，剪切增稠电解质粘度、临界剪切速率、储能模量、损失模量等参数都对温度具有显著的敏感性，电载荷的变化也会影响含有剪切增稠电解质电池的热稳定性及电化学性能。但服役工况下含有剪切增稠电解质电池的吸能缓冲效率、电化学性能等方面的影响因素尚不明确。如何通过实验方法直观、定量地分析含有剪切增稠电解质软包电池的热稳定性、机械稳定性和电化学特性，对剪切增稠电解质的实际应用起着至关重要的作用。

2、迄今为止，已有多种实验方法被应用于剪切增稠电解质及其电池的原位及非原位表征。目前针对含有剪切增稠电解质电池的安全性及可靠性研究，主要集中于热/机械/电化学等单一载荷下热稳定性、力学性能和电化学性能表征，例如，监测含有剪切增稠电解质电池在冲击条件下的开路电压稳定性；使用显色压敏纸间接表征冲击条件下含有剪切增稠电解质电池的压力分布；通过高速相机捕捉含有剪切增稠电解质在落球冲击下的形态变化。相比于传统的接触式机械应变测量方式，近年来新兴的基于数字图像相关法的原位表征技术，可以采用非接触式的测量方式为材料的全场应变提供实时的分析支持。已有一系列的研究利用该技术对充放电过程中的电极应变进行原位表征，如利用数字图像相关法技术实现对石墨负极因自身膨胀导致的应变进行原位表征。

3、上述对剪切增稠电解质的表征方法都能在一定程度上反映电解质的抗冲击性能，但仍存在以下问题和挑战：(1)依靠单一的电压波动、显色分布等分析方法仅能对电池的安全性进行定性评估，无法根据测试中的电池电压、表面温度、表面应变等多种安全特性参数的变化对电池安全性进行定量的评估和分级。(2)电池服役环境复杂，且在极端情况下通常伴随热、力、电化学等多种滥用条件。在现有研究中提供的单物理场测试条件下，无法系统分析含有剪切增稠电解质电池在热-力-电化学载荷多因素影响下的安全性能。(3)如果将多个单物理场作用下的测试结果进行组合，用于分析电池在多场作用下的力-化耦合行为，不仅需要多个电池、多次测试，费时费力，而且无法排除多次测试中电池的差异性，难以体现出在各物理场耦合下电池力学行为演化的准确性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种软包电池的多场原位应变表征方法及装置，解决了目前多物理场耦合下，含有剪切增稠电解质电池的安全性能分析方式单一、分析结果不连续且难以量化的问题。

2、为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

3、第一方面，本发明实施例提供了一种软包电池的多场原位应变表征方法，包括：

4、将含有剪切增稠电解质的软包电池散斑标记面朝上，置于原位观测平台凹槽处，正负极耳接出硬质板；

5、使用智能控温装置将环境温度调整至实验温度，开启红外热像仪，对准所述软包电池；

6、固定机械加载装置于所述原位观测平台冲击窗口下方，并将所述点动装置连接所述防爆罩外的可调电源；

7、将所述软包电池连接电池测试系统进行充放电测试；

8、将ccd相机连接电脑并对准所述原位观测平台观测窗口，启动拍摄；

9、调节所述防爆罩外可调电源参数，启动机械加载装置；

10、输出第一时刻和第二时刻所述软包电池对应的第一力学行为信息和第二力学行为信息；

11、根据所述第一力学行为信息和所述第二力学行为信息，得到所述软包电池的表面应变。

12、优选地，所述第一力学行为信息包括多场载荷在第一时刻的应变云图、表面平均应变及点应变，第二力学行为信息包括多场载荷在第二时刻的应变云图、表面平均应变及点应变。

13、优选地，所述方法还包括：

14、将ccd相机对准所述原位观测平台观测窗口，连接至电脑并调焦至所述软包电池表面散斑图案显示清晰，开启ccd相机快速捕捉模式。

15、优选地，所述将含有剪切增稠电解质的软包电池散斑标记面朝上之前，包括：

16、采用热塑性丙烯酸气雾漆在含有剪切增稠电解质软包电池表面均匀喷涂散斑图案。

17、第二方面，本发明实施例提供了一种软包电池的多场原位应变表征装置，包括：

18、(1)机械加载装置，所述机械加载装置包括l型底座、冲杆、冲头、可调电源及点动装置；所述l型底座上开有定位孔，使用螺栓连接将机械加载装置固定在隔振平台上；所述冲杆行程可调，冲头与冲杆为螺纹连接，冲头具有可拆卸性；所述可调电源可调整机械加载装置冲杆的冲击力；

19、(2)原位观测系统，所述原位观测系统包括aramis测试系统、ccd相机和原位观测平台，获取任一时刻或任一时间段内所述软包电池的表面温度、充放电曲线及力学行为实况信息；观测平台由上硬质板、下硬质板、长螺杆和六角螺母固定于机械加载装置上方，硬质板间放置电池样品；原位观测平台和机械加载装置均置于防爆罩内；

20、(3)智能控温装置，所述智能控温装置包括智能温控设备、红外热像仪，所述智能温控设备嵌在防爆罩内；

21、(4)电池测试系统，所述电池测试系统通过导线与锂离子电池的正负极连接；

22、(5)防爆罩，所述防爆罩的上方开有一透明观测口，透明观测口为电池提供原位表征观测通道；防爆罩的侧面设置有出线嘴口，用于防爆罩内外装置的连接；防爆罩顶部侧角安装有补光灯。

23、优选地，所述上硬质板中心位置开圆形孔作为ccd相机观测窗口，所述下硬质板中心位置开圆形孔作为冲击窗口，所述下硬质板的上表面中心位置开设一浅凹槽，用于固定所述软包电池；所述上硬质板、所述下硬质板分别设有四个通孔，用于长螺杆穿过；所述长螺杆为上、下两端带有螺纹的实心圆柱，且标记有标尺刻度，所述上硬质板、所述下硬质板通过六角螺母固定在长螺杆上端，所述长螺杆下端使用螺栓与所述隔振平台固定。

24、本发明实施例提供了一种软包电池的多场原位应变表征方法，包括：采用热塑性丙烯酸气雾漆在含有剪切增稠电解质软包电池表面均匀喷涂散斑图案；使用智能控温装置将环境温度调整至实验温度；将所述软包电池散斑面朝上置于原位观测平台凹槽处，正负极耳接出硬质板；开启红外热像仪，对准所述软包电池，记录电池的表面实时温度；固定机械加载装置于所述原位观测平台冲击窗口下方，并将所述点动装置连接防爆罩外的可调电源；将所述软包电池连接电池测试系统进行充放电测试；机械加载装置连接防爆罩外的可调电源，输出所述软包电池在不同温度场、机械载荷作用及充放电条件下的表面温度、充放电曲线及力学行为信息。相较于现有技术，具有以下有益效果：

25、1)能够提供集热、力、电化学场加载功能于一体的测试系统，以模拟电池服役中的复杂工况；

26、2)可以实现对电池表面温度、放电电压、表面应变等多个关键参数在测试全过程中任一时间节点或任一时间段内的耦合数据监测及定量分析；

27、3)该方法可应用于含有剪切增稠电解质软包电池的热-力-电化学耦合特性研究领域，灵活适应不同类型的耦合特性原位表征需求；

28、4)该方法的操作简单、高效、应用范围广，为高性能含有剪切增稠电解质软包电池的设计优化以及锂离子软包电池的安全评价提供了理论支持。