【莱宝氦质谱检漏仪】探讨锂电池密封性检测

• 说到“密封”锂离子电池的从业者都不会陌生，对于锂离子电池无论如何强调密封的重要性都不为过。动力电池密封分为两个层次：首先是单体电池层面，空气中的水分会对锂离子电池的性能产生严重的影响，因此对于所有的锂离子电池厂家密封结构的设计绝对是重中之重，也是各家厂商结构设计的核心技术；其次是电池包层面，这主要是为了防止动力电池使用过程恶劣的外部环境（如水、盐雾、酸等）进入到电池包的内部，对单体电池、电路板等侵蚀破坏，引起电池包失效，同时如果电池包内部有水冷设备，还需要对水冷管路的密封性进行检测，防止水冷媒介泄漏引起的短路。两个层次的密封性检测具有不同的特性，因此也需要采用不同的设备，今天我们就从这两个层次来探讨一下锂离子电池的密封性检测。
• 单体电池密封性检测
• 锂离子电池的工作电压达到4V以上，传统的水溶液电解质在如此高的电位下会发生氧化分解，因此稳定性更好的有机电解液应运而生，目前的有机电解液以碳酸酯类溶剂为基础，向其中添加LiPF₆作为锂盐，大大提高了在高电压下电解液的抗氧化性，从而使得LCO等电压较高的正极材料的应用成为了可能，可以说没有有机电解液就没有锂离子电池今天的成功。虽然有机电解液的出现解决了锂离子电池在高电压下的稳定性，但是也带来了一个棘手的问题——水！
• 有机电解液中的LiPF₆在有水分的存在下会变的极不稳定，即便是在电解液中只存在微量的水分的情况下，也会引起LiPF₆分解成为HF、LiF和POF₃等产物^【1】，生成的HF还会继续对正极材料侵蚀，导致正极材料中的过渡金属元素的溶解，而这个反应还会继续产生H₂O，从而继续引起LiPF₆的分解，此外溶解的过渡金属元素还会迁移到负极的表面，破坏负极的SEI结构，引起SEI膜的持续生长，导致界面阻抗的增加和活性Li的消耗^【2】，这都会导致锂离子电池的性能快速衰降。
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• 水，对于锂离子电池的危害是破坏性的，然而非常不幸的是，水在环境中是非常普遍的，即便是在我们认为非常干燥的环境下，湿度也能够达到30%以上。如果不控制环境湿度，电极生产过程中引入的水分就足以对电池性能产生巨大的影响^【3】，因此为了控制生产过程中的水份，干燥间成为了锂离子电池生产过程中的标配，也是锂离子电池厂建设投入的重点，我们以一个年产10000组车用动力电池组的工厂为例，其干燥间的设备成本就达到了74,1000美元^【4】，其运行过程能耗更是达到了整个生产过程中能耗总量的43%左右^【5】，是典型的能耗大户。
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• 锂离子电池一旦生产完成，离开干燥间后就需要独立面对空气中水分的挑战，为了保证锂离子电池良好的循环性能，密封就成了关键，锂离子电池密封性主要体现在两个方面首先是壳与盖之间焊缝的密封可靠性，其次是极柱与外壳之间的密封可靠性。极柱与外壳的密封方式为压缩密封，也就是极柱与壳体之间通过可压缩塑料件进行隔离，并通过一定的方式挤压塑料密封件产生一定程度的压缩，实现极柱与壳体之间的密封与绝缘。然而任何密封方式都不是100%可靠的，随着时间的延迟，因为老化或路况复杂环境造成密封结构松动，会造成其气密性受影响。这些密封性受到影响的产品在短期内电池性能不会受到大的影响，但是在长期使用中随着空气中的水分缓慢的进入到电池内部，会严重的影响锂离子电池的性能，严重的情况下会导致整组电池发生失效，甚至是引起热失控的安全事故。因此，锂离子电池在注液和成组前都需要采用检测设备对锂离子电池的密封性进行检测，确保所有的产品在密封性上都满足要求。
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• 氦质谱检漏是常用的检漏方法，按照检漏的原理可以分为以下几种方式：
• 1、真空法氦质谱检漏仪，这种方法的原理是将待检元器件内部抽成真空，然后将待检元器件放入到氦气罩之中或者用喷吹的方法在被检元器件表面吹氦，此时如果元器件表面存在泄漏孔，则氦气就会沿着微孔进入到电池的内部，再进入的氦质谱仪中，从而实现检测被测试产品的漏率。这种方法的优点是检测灵敏度高，同时配合喷氦的方法可以实现对泄漏点的精确定位，能够实现对大容器和复杂结构产品的检漏。而其缺点是只能实现一个大气压差的漏率检测，不能准确反映带压被检产品的真实泄漏状态。
• 2、正压法氦质谱检漏，这种方法主要是通过在被检元器件中充入高于一个大气压的氦气，当元器件表面存在漏孔的时候，氦气就会从元器件内部泄漏到周围的大气环境之中，然后采用吸枪对容器周围的气体进行探查，就可以实现对泄漏孔位置的精确定位。或者也可以采用氦罩将被检产品整个罩住，检测内部气体中氦气浓度的变化，实现被检产品漏率的精确测量。该方法的优点是不需要真空系统，可以精确定位漏孔的位置，同时也能够实现多种压力下的漏率检测。缺点是灵敏度较低，检测结果波动大，受测量环境影响较大。
• 3、真空压力法氦质谱检漏，这种方法是将待检产品放入到真空室中，待检产品与氦气源相连，如果产品上存在泄漏孔，则氦气会从产品中泄漏出来，经过真空室进入到氦质谱仪中，这种方法的优点是检测灵敏度高，能实现任何压力下的漏率检测，缺点是检测系统结构复杂。
• 4、背压法氦质谱检漏，这种方法首先将待检产品放置于高压氦气室中，浸泡数小时或者数天，如果被检产品存在漏孔，则氦气会沿着漏孔进入到产品的内部，然后取出产品将表面的氦气吹尽后放入真空室中，产品内部的氦气则会通过微孔泄漏到真空室之中，再进入到氦质谱仪之中，从而实现被检产品总漏率的测量。
• 通过上述的一种或者几种方法结合，就能够基本实现降批量电池中密封性不合格的产品检出，保证产品的性能稳定、可靠。
• 电池包密封性检测
• 锂离子电池成组可能会在不同的环境中使用，如果在海边使用，电池组会面临盐雾的考验，如果在降水较多的环境下使用可能面临泡水的风险等等，为了防止使用环境中的腐蚀性气体、水分和恶劣环境对电池组内部电路板、电池等部件的损坏，因此电池包需要满足一定程度的密封性要求。此外，为了提高电池组的散热效率，电池包往往会使用散热效果较好的水冷散热，这就为电池组内引入了新的安全风险，一旦水冷管出现泄漏，泄漏的散热媒介可能会引起电池包短路，产生严重的安全问题。
• 相比于单体电池，电池包、水冷管等的体积通常比较大，结构也比较复杂，因此很难采用单体电池所采用的检漏手段对气密性进行检测。为了解决这一工程应用的问题，杭州固恒新能源科技有限公司推出了QMM便携式的气密性检漏测试仪，通过向密封腔内部压入一定体积的气体，测量容器保压过程内部压力的变化从而分析产品的气密性，防止电池包因为气密性不合格导致使用过程中被外部腐蚀性环境所侵蚀，或者水冷管因为密封性不达标，导致冷却液在电池组内部泄漏。
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