一种隔膜耐热及机械强度的同步测试装置及测试方法与流程

1.本发明属于高分子材料检测技术领域，尤其涉及一种隔膜耐热及机械强度的同步测试装置及测试方法。


背景技术：

2.隔膜的结构稳定性直接决定了锂离子电池发生自放电乃至热失控等安全风险的门槛高低，隔膜的结构稳定性主要受其耐热能力和机械性能影响。因此隔膜的热和机械行为的评价对于电芯安全性能有强指导作用。隔膜的机械性能指运输或使用过程中抵抗外力、异物等防止变形、断裂、刺穿等的能力，常规通过拉伸试验机、穿刺试验机等进行提前独立测试；热行为指的是隔膜耐热形变能力，包括收缩、破膜等行为，常规通过热箱、热机械分析试验机等独立测试。但需要强调的是，隔膜为高分子材料，高分子的粘弹性本质决定了其应力-应变的机械行为规律将显著受到温度的影响（《高分子物理第三版》，化学工业出版社），而恰恰在电芯的实际全使用周期中，隔膜通常同时面临热和机械的风险，如面临异物穿刺、机械力等安全风险时，温度同时会存在较大差异，包括但不限于如当下环境温度不同，电芯内部微产热导致温度不同（尤其是充电或大倍率放电）等，此时若遭受外力，机械和热将会同时或连锁交互式影响隔膜，尤其发展到电芯微短路瞬间，隔膜或隔膜/电极复合结构的局部短路区域是同时遭受热和机械的破坏，最终隔膜发生结构异变导致热失控，因此针对隔膜或隔膜/电极复合结构，提供一种可评价在热和机械交互作用下的行为的装置和方法，可以更真实的预模拟电池性能。
3.专利申请公布号为cn 105445313 a的专利文献公开了一种电池隔膜的热稳定性检测方法，采用200℃以上（300-600℃）的烙铁刺穿平铺在金属导体板/玻璃板上的隔膜并静止1s以上的时间，通过二次元影像测量隔膜刺穿孔的直径来评测隔膜的热稳定性。该方法是一种静态的测试方法，仅能反映在局部高温下，隔膜破孔面积的变化情况，且烙铁温度已远高于常规隔膜的破膜温度，隔膜接触到热针后也会发生显著热形变或扩散，与机械性能无强关联，因此该装置和测试方法仍相对单一和极端，仅仅考察了复合结构的高热稳定性。
4.专利申请公布号为cn 112557433 a公开了一种锂离子电池隔膜热稳定性测试方法，该方法包括：a、将待测隔膜与极片进行压合，得到隔膜/极片组件，其中，所述压合的条件包括：压力为0.2-1 .0mpa，温度为45-90
°
c；b、使用高温热针刺穿所述隔膜/极片组件，然后测量刺穿孔周围隔膜的热收缩面积；并且根据所述热收缩面积的大小判断所述待测隔膜的热稳定性的高低。该方法仅仅考察了隔膜/电极复合件被刺穿后的热扩散，热针温度200-450℃，已远高于常规隔膜的破膜温度，因此哪怕无施加明显应力，隔膜接触到热针后也会发生显著热形变或扩散。因此该装置和测试方法仍相对单一和极端，仅仅考察了复合结构的高热极端情况下的稳定性。
5.专利申请公布号为cn104048987 a一种锂离子电池隔膜热刺穿测试装置及其测试方法，通过观察隔膜穿刺口的横向和纵向宽度，进行定量比较。可以模拟不同温度下的隔膜
热穿刺能力，也能模拟测试隔膜拉伸状态下的耐穿刺能力。该技术方案同cn 105445313 a和cn 112557433 a类似，是基于短路既定前提，即或高温或常温下，隔膜被刺穿后，采用刻度尺对刺穿口的横向和纵向进行定量化测量，该技术方案考虑了不同使用温度对隔膜的影响，但是采用的烘箱罩体结构对于空间要求较高，且耐高温玻璃烘箱成本高、设计复杂，缺乏可实践性，该方案仍主要考察的是耐热能力，与机械性能无强关联。
6.专利申请公布号为cn 110926966 a公开了一种锂离子电池隔膜安全性的检测方法，包括中空圆柱体钢针穿透隔膜的步骤，所述中空圆柱体钢针穿透隔膜的速率为0.01～100mm/s；其中，所述中空圆柱体钢针内置热阻丝和温度探头，所述中空圆柱体钢针的针尖的圆锥角度为45
°
～60
°
。该方案虽然考虑到不同温度下隔膜或有区别，但是将中空圆柱体钢针的温度直接等同为隔膜受应力风险时隔膜或电池整体的温度，存在实际偏差，也是先穿刺隔膜，后稳定停留，却忽略了隔膜在受热情况下本身穿刺过程的动态变化；此外，通过隔膜的破裂和变形情况来认定隔膜的机械强度，无法真正量化。
7.上述现有技术综合了温度和穿刺针，技术方案最终都是考察隔膜在既定的极端情况下，即隔膜已被刺穿后，对隔膜热收缩的面积定性或定量化，这种方案的核心仍是在单纯观察隔膜的热扩散行为。实际涉及和关联的还是隔膜耐热性质，而不是综合考量隔膜的耐热和机械双重作用。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种隔膜耐热及机械强度的同步测试装置及测试方法，可以模拟隔膜在不同环境温度变化以及承受机械外力改变条件下，测试筛选出兼具耐热能力和机械性能双重作用下结构稳定的隔膜。
9.本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种隔膜耐热及机械强度的同步测试装置，其特征是：包括中空圆柱体钢针、热电偶、温度控制器、驱动机构、力学传感器和实验台；所述中空圆柱体钢针内置有热电偶，所述热电偶外接温度控制器，中空圆柱体钢针与驱动机构连接，所述驱动机构与力学传感器连接；所述实验台横截面形状呈“凹”型，“凹”型实验台两侧对称的凸台上置有加热板机构，所述加热板机构包括上模板和下加热模板，上模板通过螺钉与下加热模板固定，下加热模板通过加热机构加热，所述上模板与下加热模板之间夹持测试隔膜，“凹”型实验台中间凹台设有中心螺孔，中间凹台内设有通过螺钉上下调节高度的中置钢板，所述测试隔膜水平支撑在中置钢板表面上；所述中空圆柱体钢针位于中心螺孔中心线上。
10.进一步地，所述中空圆柱体钢针长度为5mm-15mm，壁厚为1mm-5mm， 中空直径为1mm-10mm，所述中空圆柱体钢针下端螺接有球形针头，所述球形针头长度为1mm-10mm，端头的球形直径0.1mm-1mm。
11.进一步地，所述中空圆柱体钢针内置的热电偶选用调控温度范围为20℃-300℃的热电偶。
12.进一步地，所述驱动机构选用穿刺强度试验仪或穿刺力测试仪。
13.进一步地，所述驱动机构选用施加力为0.05-500kgf的穿刺强度试验仪或穿刺力
测试仪。
14.进一步地，所述加热机构采用市售的数显恒温加热台或分体式加热板。
15.进一步地，所述加热机构选用调控温度范围为20℃-60℃的数显恒温加热台或分体式加热板。
16.进一步地，所述实验台高度为100-300mm，长度200-500mm,宽度50-200mm，其中凹槽长度为50-150mm，高度为50-60mm。
17.进一步地，所述中置钢板的长度为50-150mm，中置钢板通过螺钉调节高度的范围为2-50mm。
18.进一步地，所述中置钢板采用耐热钢材制成。
19.一种采用测试装置的隔膜耐热及机械强度的同步测试方法，采用可调控隔膜温度的加热台及可调温的钢针作为外来热源和机械源的测试装置，创建隔膜整体和局部两部分位置的温度，模拟隔膜真实使用场景，同时满足了隔膜耐热能力和机械性能稳定性的两个条件，检测隔膜在常规使用或异常使用状态下的抗风险能力，筛选出兼具耐热及机械双重作用下结构稳定的隔膜，其具体检测步骤如下：第一种检测能力：预先调整中空圆柱体钢针中的热电偶温度以及下加热模板温度，温度为20℃-60℃，将待测隔膜置于上模板、下加热模板之间，压平固定后，静置时间1-30min，驱动中空圆柱体钢针垂直下落，速度以1-20mm/s垂直方向刺穿测试隔膜后，通过力学传感器采集力学信号，作为特定温度情况下，测试隔膜的刺穿强度；第二种检测能力：预先调整下加热模板的温度20-60℃，调整中空圆柱体钢针中的热电偶温度60℃-130℃，将待测隔膜置于上模板、下加热模板之间，压平固定后，静置时间1-30min，驱动中空圆柱体钢针垂直下落，至待测隔膜表面时，再静置1-30min，此时待测隔膜的局部温度接近中空圆柱体钢针的温度，得到待测隔膜的局部热量聚集后，中空圆柱体钢针以1-20mm/s的速度垂直方向刺穿测试隔膜，通过力学传感器采集力学信号，作为模拟局部高热情况下，测试隔膜的刺穿强度；第三种检测能力：预先调整下加热模板温度20℃-60℃, 调整中空圆柱体钢针热电偶温度＞130℃，将待测隔膜置于上模板、下加热模板之间，压平固定后，静置1-30min，驱动中空圆柱体钢针垂直下落，至待测隔膜表面时，再静置1-30min，此时待测隔膜的局部温度接近中空圆柱体钢针的温度，得到待测隔膜的局部热量聚集后，中空圆柱体钢针以1-20mm/s的速度垂直方向刺穿测试隔膜后，通过力学传感器采集力学信号，作为模拟被刺穿后局部结构受损的热扩散情况下，测试隔膜的刺穿强度，同时用刻度尺或显微镜成像仪测量高温情况下待测隔膜刺穿后的热扩散面积。
20.进一步地，所述第一种检测能力、第二种检测能力或第三种检测能力均能独立完成测试，筛选出隔膜模拟在不同场景下的耐热及机械双重作用下结构稳定性，或者第一种检测能力、第二种检测能力或第三种检测能力任意组合测试，组合测试得到模拟隔膜全使用周期内的耐热及机械双重作用下结构稳定性。
21.进一步地，所述第一种检测能力的测试中，下加热模板与中空圆柱体钢针中的热电偶温度设置一致。
22.进一步地，所述测试隔膜为单一隔膜、隔膜/电极单侧复合体或正电极/隔膜/负电极复合体，所述隔膜包括但不限于聚烯烃基膜、聚酰亚胺基膜、陶瓷涂覆隔膜或涂胶隔膜。
23.进一步地，所述正电极包括但不限于三元电极、磷酸铁锂电极或钴酸锂电极，所述负电极包括但不限于石墨电极、硅碳复合电极或硅氧复合电极。
24.进一步地，所述第二种检测能力的测试中，下加热模板调整的温度是模拟电池使用时的真实温度，中空圆柱体钢针的热电偶调整温度是模拟电池出现局部异常产热，第二种检测能力的温度属于模拟电池处于尚不足以热失控的状态。
25.进一步地，所述第三种检测能力的测试中，测试高温情况下会导致待测隔膜熔融，热扩散带来显著的热破损面积。
26.有益效果：与现有技术相比，本发明的测试方法更贴近电池真实情况，可以模拟电池正常使用全周期内的情况，针对隔膜结构稳定性全面进行评价。包括隔膜在真实的不同环境温度下以及隔膜在局部高热时隔膜和局部结构受损（刺穿）后热扩散的三种情况的机械强度高低。
附图说明
27.图1是本发明一种实施方式提供的隔膜测试装置的结构示意图；图2是图1中放置隔膜后的工作状态示意图；图3是图1中放置隔膜/电极复合结构的工作状态示意图；图4是隔膜热针刺照片；图5-图6是电池损坏或爆炸状态照片；图7是电池针刺测试性能示意图。
28.图中：1、中空圆柱体钢针，2、热电偶，3、球形针头，4、温度控制器，5、驱动机构，6、力学传感器，7、实验台，8、下加热钢板，9、上模板，10、螺钉，11、中置钢板，12、第二螺钉，13、中心螺孔，14、正极电极，15、隔膜，16、负极电极。
具体实施方式
29.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
30.在本发明的各实施例中，为了便于描述而非限制本发明，本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、"下方"、"左"、"右"等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
31.详见附图，本实施例提供了一种隔膜耐热及机械强度的同步测试装置，包括中空圆柱体钢针1、热电偶2、温度控制器4、驱动机构5、力学传感器6和实验台7，所述中空圆柱体钢针内置有热电偶，所述热电偶外接温度控制器，中空圆柱体钢针与驱动机构连接，所述驱
动机构与力学传感器连接，所述实验台横截面形状呈“凹”型，“凹”型实验台两侧凸台上置有加热板机构，所述加热板机构包括上模板9和下加热模板8，上模板通过螺钉10与下加热模板固定，下加热模板通过加热机构加热，所述上模板与下加热模板之间夹持测试隔膜，“凹”型实验台中间凹台设有中心螺孔13，中间凹台内设有通过第二螺钉12上下调节高度的中置钢板11，所述测试隔膜水平支撑在中置钢板表面上，作用是将待测隔膜展平后平整放在中置钢板上，效果就是中心无孔，完整隔膜，隔膜可以刺穿，取决于针的直径和力的大小。所述实验台高度为100-300mm，长度200-500mm,宽度50-200mm，其中凹槽长度为50-150mm，高度为50-60mm。所述中置钢板的长度为50-150mm，中置钢板通过螺钉的调节高度为2-50mm。
32.本实施例的优选方案是，所述中空圆柱体钢针长度为5mm-15mm，壁厚为1mm-5mm， 中空直径为1mm-10mm，所述中空圆柱体钢针下端螺接有球形针头3，所述球形针头长度为1mm-10mm，端头的球形直径0.1mm-1mm。
33.本实施例的优选方案是，所述热电偶的调控温度范围为20℃-300℃。
34.本实施例的优选方案是，所述驱动机构选用穿刺强度试验仪或穿刺力测试仪。本实施例选用穿刺力测试仪ccy-02。对选用市售商品进行结构调整，更换内置有热电偶中空圆柱体钢针，再加上本案的试验台，组成隔膜耐热及机械强度的同步测试装置 。对穿刺力测试仪的结构改装属于本领域技术人员的常规技术手段，不再赘述。
35.本实施例的优选方案是，所述驱动机构的施加力为0.05-500kgf。
36.本实施例的优选方案是，所述加热机构采用市售的数显恒温加热台或分体式加热板。本实施例选用jr系列高精度数显恒温加热台，如jr-2020或et-13030f分体式加热板。所述下加热模板的调控温度范围为20℃-60℃。
37.本技术方案更贴近电池真实情况，模拟正常使用全周期内的情况，全面的针对隔膜结构稳定性进行评价，包括隔膜在真实的不同环境温度下的机械性能，以及隔膜在局部高热时隔膜的机械强度高低，以及局部结构受损（刺穿）后热扩散的程度。
38.因多种使用情况下隔膜所处的温度不同，为真实模拟使用场景，同时考虑了隔膜整体和局部位置两部分的温度设置。而如果将隔膜夹具与穿刺针、甚至力学电子元器件全部放置在同一加热罩内，对高精度的仪器或硅胶垫等零部件的耐热性能要求太高，高温下使用易导致安全风险，以及对仪器零部件的精密度和寿命有损伤，同时也难以模拟本方案中预期的隔膜和中空圆柱体钢针独立异步温度的情况。因此本技术方案设置了一个可调控隔膜温度的加热台，以及可调温的中空圆柱体钢针作为外来热机械源，可以将两部分独立设置温度。
39.该技术方案可实现的第一种检测能力：通过调节加热台在20-60℃实现隔膜加热，调节中空圆柱体钢针的温度至等温，通过机械穿刺测试，可识别出隔膜在不同温度下真实的力学强度，从而可以对比出隔膜在受热时与常规室温独立测试机械性能的差别，可评估隔膜耐热机械稳定性能力，该方法更符合电池在常规使用中的实际情况。
40.该技术方案可实现的第二种检测能力：隔膜整体仍在常规使用温度20-60℃，通过调控中空圆柱体钢针温度60-130℃，模拟因局部异常焦耳热高温的情况，且在该技术方案中，首次提出了高温中空圆柱体钢针在隔膜接触表面停留1-10min的步骤，保证隔膜局部高热下进行机械穿刺测试，可识别隔膜在局部受到异常产热时的机械性能，该方法更符合电
池在局部异常时的实际情况。
41.该技术方案可实现的第三种检测能力：隔膜整体仍在常规使用温度20-60℃，通过调控中空圆柱体钢针温度＞130℃，模拟因电池异常局部产生高热的情况，从而观察隔膜机械性能及热扩散行为，可识别隔膜在极端条件下热机械受损程度，该方法更符合电池在被异物穿刺等受损后短路，发生连锁产热的实际情况。
42.参考对比例中选定的隔膜a和b，采用常规穿刺试验机测试，其穿刺强度分别为465gf和468gf，基本一致，拉伸强度、90℃/150℃热收缩测试也并无明显区别，因此难以评价其耐热能力和机械强度优劣；而采用本技术方案的热机械测试，将a和b分别进行不同温度条件下的机械强度测试，发现自25℃升温至60℃，两者的穿刺强度分别降低至305gf（
∆
=160gf）和220gf（
∆
=248gf），同时在隔膜维持35℃，局部温度达85℃时，穿刺又分别降低至262gf和165gf，显而易见通过该方法证明隔膜a相比隔膜b具有更高的热机械稳定性，在电池中将具有更好的结构维持能力和更高的抗安全风险能力。
43.参考对比例中选定的隔膜c和d，c具有较低的机械强度，但是又具有比较高的热稳定性，130℃无收缩，d具有较高的机械强度，但是热收缩性较c差，因此该常规测试项目难以评估在实际使用中两者性能优劣。采用本技术方案中的装置和方法，将c和d在局部高热达160℃时，进行热穿刺测试，发现c隔膜仍具有一定穿刺强度120gf，而d隔膜接触高温后直接破膜形成4.8mm的孔，未检出力学强度，该结果证明c具有更高的热机械稳定性，其应用电池将具有更优异的安全性能。
44.为了验证该测试方法和实际应用的差异，将c和d分别组装成6ah小软包和100ah方壳电池进行针刺安全测试，结果在软包电池测试中，应用了c隔膜的电池可以通过针刺测试，同时虽然因方壳电池具有比较高的容量和产热量，两者均未通过针刺，但c方案的起火时间延迟了14s（提升效果＞50%），综上说明c具有更优异的稳定性，完全符合本技术方案的结论。
45.因此，通过本技术方案，可同时实现考察隔膜在常规、或局部异常使用状态下的抗风险能力，筛选出具有应用价值的兼具热机械双重作用下结构稳定的隔膜。进而能更进一步对比不同隔膜的性能优劣，实现快速筛选评估隔膜原材料的技术手段。
实施例
46.预设测试装置下加热模板和中空圆柱体钢针温度为25℃，选取不同隔膜样品a和b，分别裁成样品条200mm
×
50mm，将装置实验台上中置钢板上移至下加热模板平面位置，将隔膜样品固定于上模板、下加热模板之间，旋紧上下模板间螺钉，下移中置钢板10mm深度，静置20分钟后，驱动1mm直径的球形中空圆柱体钢针以10mm/s的速度垂直刺穿隔膜。
47.收集力学信号数据见表一。
实施例
48.预设测试装置下加热模板和中空圆柱体钢针温度为60℃，选取不同隔膜样品a和b，分别裁成样品条200mm
×
50mm，将装置实验台上中置钢板上移至下加热模板平面位置，将隔膜样品固定于上、下加热模板之间，旋紧上模板、下加热模板间螺钉，下移中置钢板10mm深度，静置30分钟后，驱动1mm直径的球形中空圆柱体钢针以10mm/s的速度垂直刺穿隔膜。
49.收集力学信号数据见表一。
实施例
50.预设测试装置下加热模板温度为35℃，中空圆柱体钢针温度85℃，选取不同隔膜样品a和b，分别裁成样品条200mm
×
50mm，将装置实验台上中置钢板上移至下加热模板平面位置，将隔膜样品固定于上模板、下加热钢板之间，旋紧上下模板间螺钉，下移中置钢板，静置20分钟后，驱动1mm直径的球形中空圆柱体钢针以10mm/s的速度垂直下落，接触至隔膜样品表面时，保持静置时间2min，局部热量聚集后，以10mm/s的速度垂直刺穿隔膜。
51.收集力学信号数据见表一。
实施例
52.预设测试装置下加热模板温度为35℃，中空圆柱体钢针温度160℃，选取不同隔膜样品c和d，分别裁成样品条200mm
×
50mm，将装置实验台上中置钢板上移至下加热模板平面位置，将隔膜样品固定于上模板、下加热钢板之间，旋紧上模板、下加热模板间螺钉，下移中置钢板，静置20分钟后，驱动1mm直径的球形中空圆柱体钢针以10mm/s的速度垂直下落，接触至隔膜样品表面时，保持静置时间2min，局部热量聚集后，以10mm/s的速度垂直刺穿隔膜。
53.收集力学信号数据见表一，同时用显微镜测量隔膜热扩散面积的大小，如图4。
实施例
54.预设测试装置下加热模板温度为60℃，中空圆柱体钢针温度60℃，选取不同隔膜样品a和b，选取高镍正极14、石墨负极电极片16，分别裁成样品条200mm
×
50mm，组成正极/隔膜15/石墨的组合测试结构，将装置实验台上中置钢板上移至下加热模板平面位置，将测试组合结构固定于上模板、下加热模板之间，旋紧上模板、下加热模板间螺钉，下移中置钢板10m收集力学信号数据见表一。
实施例
55.选取隔膜a和b组装成电池进行循环测试，45℃充放电循环100圈后，进行电池拆解取出隔膜，对隔膜进行溶剂清洁处理后，同样进行如实施例2的测试过程。
56.收集力学信号数据见表一。
57.表一 各实施例力学强度隔膜样品穿刺强度实施例1-a458gf实施例1-b462gf实施例2-a305gf实施例2-b220gf实施例3-a262gf实施例3-b165gf
实施例4-c120gf实施例4-d
‑‑
实施例5-a2.85kgf实施例5-b2.84kgf实施例6-a299gf实施例6-b198gf对比例1选取隔膜样品a和b，采用隔膜穿刺试验机和万能试验机分别测试隔膜的机械强度，同时进行90℃和105℃的烘箱热收缩测试，测试数据见表二。
58.对比例2选取隔膜样品c和d，采用隔膜穿刺试验机和万能试验机分别测试隔膜的机械强度，同时进行105℃和130℃的烘箱热收缩测试。测试数据见表二。
59.测试例1选取隔膜样品c和d，采用高镍活性材料涂布于10μm铝箔、硅碳复合负极涂布于6μm铜箔，进行组合装配，分别组装成6ah小软包cell-1、cell-2,和100ah方壳电池cell-3、cell-4，进行针刺实验测试，实验效果见图6。
60.表二 对比例测试数据隔膜样品对比例1-a对比例1-b对比例2-c对比例2-d穿刺强度（gf）465468280450md抗拉强度(kgf/cm2)2400230010801600td抗拉强度(kgf/cm2)23002500850180090℃热收缩率（md/td）1.2%/0.1%1.4%/0.2%————105℃热收缩率（md/td）3.2%/0.8%3.5%/1.0%无收缩/无收缩0.8%/0.5%130℃热收缩率（md/td）————无收缩/无收缩1.6%/1.4%通过表一和表二数据对比，说明在单独测试隔膜的力和热性能时，经常会出现数据差异规律不明显，或力和热的性能有相反的趋势，对隔膜筛选或应用无明确指导意义，而通过该申请测试装置及方法，可以明确对比出隔膜间的热机械综合性能，尤其是随着温度的提升，其机械性能差异更加明显，因此可以明确出不同隔膜的热机械稳定性高低。
61.详见附图5、6、7，而通过测试例1的结果显示，隔膜c组装的电池cell-1未发生起火爆炸，通过针刺测试，隔膜d组装的电池cell-2发生起火爆炸，发生严重热失控；c组装的电池cell-3相比d组装的cell-4热失控时间延长了16s，具有充分的效果证明，c相比d具有显著的安全方面的应用优势，这一结论与实施例4的结论完全吻合，说明该申请的装置和方法可以真实、高效、准确得预模拟电池性能发挥。
62.本技术更贴近电池真实情况，对正常使用全周期内隔膜安全性的评价，包括隔膜在真实的不同环境温度下的机械强度的高低，以及隔膜在局部高热时隔膜的机械强度高低，以及结构受损（刺穿）后热扩散的程度，最终目的是考察在常规使用和异常使用状态下隔膜的抗风险能力、筛选出具有应用价值的兼具热机械双重作用下结构稳定的隔膜。
63.上述参照实施例对一种隔膜耐热及机械强度的同步测试装置及测试方法的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离
本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种隔膜耐热及机械强度的同步测试装置，其特征是：包括中空圆柱体钢针、热电偶、温度控制器、驱动机构、力学传感器和实验台；所述中空圆柱体钢针内置有热电偶，所述热电偶外接温度控制器，中空圆柱体钢针与驱动机构连接，所述驱动机构与力学传感器连接；所述实验台横截面形状呈“凹”型，“凹”型实验台两侧对称的凸台上置有加热板机构，所述加热板机构包括上模板和下加热模板，上模板通过螺钉与下加热模板固定，下加热模板通过加热机构加热，所述上模板与下加热模板之间夹持测试隔膜，“凹”型实验台中间凹台设有中心螺孔，中间凹台内设有通过螺钉上下调节高度的中置钢板，所述测试隔膜水平支撑在中置钢板表面上；所述中空圆柱体钢针位于中心螺孔中心线上。2.根据权利要求1所述的隔膜耐热及机械强度的同步测试装置，其特征是：所述中空圆柱体钢针长度为5mm-15mm，壁厚为1mm-5mm，中空直径为1mm-10mm，所述中空圆柱体钢针下端螺接有球形针头，所述球形针头长度为1mm-10mm，端头的球形直径0.1mm-1mm；优选地，所述中空圆柱体钢针内置的热电偶选用调控温度范围为20℃-300℃的热电偶。3.根据权利要求1所述的隔膜耐热及机械强度的同步测试装置，其特征是：所述驱动机构选用穿刺强度试验仪或穿刺力测试仪；优选地，所述驱动机构选用施加力为0.05-500kgf的穿刺强度试验仪或穿刺力测试仪；优选地，所述加热机构采用市售的数显恒温加热台或分体式加热板；优选地，所述加热机构选用调控温度范围为20℃-60℃的数显恒温加热台或分体式加热板。4.根据权利要求1所述的隔膜耐热及机械强度的同步测试装置，其特征是：所述实验台高度为100-300mm，长度200-500mm,宽度50-200mm，其中凹槽长度为50-150mm，高度为50-60mm；优选地，所述中置钢板的长度为50-150mm，中置钢板通过螺钉调节高度的范围为2-50mm；优选地，所述中置钢板采用耐热钢材制成。5.一种采用权利要求1-4之一所述的隔膜耐热及机械强度的同步测试装置的测试方法，其特征是：所述测试方法包括如下检测步骤：第一种检测能力：预先调整中空圆柱体钢针中的热电偶温度以及下加热模板温度，温度为20℃-60℃，将待测隔膜置于上、下加热模板之间，压平固定后，静置时间1-30min，驱动中空圆柱体钢针垂直下落，速度以1-20mm/s垂直方向刺穿测试隔膜后，通过力学传感器采集力学信号，作为特定温度情况下，测试隔膜的刺穿强度；第二种检测能力：预先调整下加热模板的温度20-60℃，调整中空圆柱体钢针中的热电偶温度60℃-130℃，将待测隔膜置于上、下加热模板之间，压平固定后，静置时间1-30min，驱动中空圆柱体钢针垂直下落，至待测隔膜表面时，再静置1-30min，此时待测隔膜的局部温度接近中空圆柱体钢针的温度，得到待测隔膜的局部热量聚集后，中空圆柱体钢针以1-20mm/s的速度垂直方向刺穿测试隔膜，通过力学传感器采集力学信号，作为模拟局部高热情况下，测试隔膜的刺穿强度；
第三种检测能力：预先调整下加热模板温度20℃-60℃, 调整中空圆柱体钢针热电偶温度＞130℃，将待测隔膜置于上模板、下加热模板之间，压平固定后，静置1-30min，驱动中空圆柱体钢针垂直下落，至待测隔膜表面时，再静置1-30min，此时待测隔膜的局部温度接近中空圆柱体钢针的温度，得到待测隔膜的局部热量聚集后，中空圆柱体钢针以1-20mm/s的速度垂直方向刺穿测试隔膜后，通过力学传感器采集力学信号，作为模拟被刺穿后局部结构受损的热扩散情况下，测试隔膜的刺穿强度，同时用刻度尺或显微镜成像仪测量高温情况下待测隔膜刺穿后的热扩散面积。6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征是：所述第一种检测能力、第二种检测能力或第三种检测能力均能独立完成测试，筛选出隔膜模拟在不同场景下的耐热及机械双重作用下结构稳定性，或者第一种检测能力、第二种检测能力或第三种检测能力任意组合测试，组合测试得到模拟隔膜全使用周期内的耐热及机械双重作用下结构稳定性。7.根据权利要求5或6所述的测试方法，其特征是：所述第一种检测能力的测试中，下加热模板与中空圆柱体钢针中的热电偶温度设置一致。8.根据权利要求5-7之一所述的测试方法，其特征是：所述测试隔膜为单一隔膜、隔膜/电极单侧复合体或正电极/隔膜/负电极复合体，所述隔膜包括但不限于聚烯烃基膜、聚酰亚胺基膜、陶瓷涂覆隔膜或涂胶隔膜；优选地，所述正电极包括但不限于三元电极、磷酸铁锂电极或钴酸锂电极，所述负电极包括但不限于石墨电极、硅碳复合电极或硅氧复合电极。9.根据权利要求5-8之一所述的测试方法，其特征是：所述第二种检测能力的测试中，下加热模板调整的温度是模拟电池使用时的真实温度，中空圆柱体钢针的热电偶调整温度是模拟电池出现局部异常产热，第二种检测能力的温度属于模拟电池处于尚不足以热失控的状态。10.根据权利要求5-9之一所述的测试方法，其特征是：所述第三种检测能力的测试中，测试高温情况下会导致待测隔膜熔融，热扩散带来显著的热破损面积。

技术总结
本发明涉及一种隔膜耐热及机械强度的同步测试装置及测试方法，测试装置包括钢针、热电偶、温控器、驱动机构、传感器和实验台，所述钢针内置有热电偶，热电偶外接温度控制器，钢针与驱动机构连接，驱动机构与传感器连接，实验台上置有加热板机构，加热板机构包括上模板和下加热模板，下加热模板通过加热机构加热，上模板与下加热模板之间夹持测试隔膜。本发明的测试装置及测试方法同时满足了隔膜耐热能力和机械性能稳定性的两个条件，检测隔膜在常规使用或异常状态下的抗风险能力，筛选出兼具耐热及机械双重作用下结构稳定的隔膜，更贴近电池真实情况，可以模拟电池正常使用全周期内的情况，针对隔膜结构稳定性全面进行评价。针对隔膜结构稳定性全面进行评价。针对隔膜结构稳定性全面进行评价。


技术研发人员：姚晓辉 刘笑迪 马洪运 戴敬霖
受保护的技术使用者：力神（青岛）新能源有限公司
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/14