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[摘 要]密封性对于锂离子电池的性能至关重要。传统的检漏手段都存在一定的局限性，不能完整覆盖整个的检漏环节。本文通过理论结合实验的方式，论述了差压式检漏法在锂离子电池密封性检测中的应用。
[关键词]锂离子电池 密封性 差压式检漏法
中图分类号：P618.71 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0350-02
1 引言
随着航天技术的迅猛发展，无论是航空航天还是水下兵器，电源被誉为整机产品的“心脏”和“血液”，电源的供电安全可靠是第一位的，电源产品的安全性主要由安全设计、工艺保障和检验评估三个环节组成，其中检验是最后一条质量控制线。电池失效的主要形式是短路和开路，无论是航空航天用锂离子电池还是水下兵器用锂离子电池，电池一旦发生密封泄漏均可能造成电池失效。目前传统电池粗检漏方法主要有：水检、氟油检漏等，这些方法工艺复杂、效率低、成本高，其中有的方法还属于破坏性检验方法，影响电池性能，另外这些方法与背压法氦质谱细检值的数量衔接存在盲区。
2 失效原因分析
由于环境不同，空间工程和水下兵器用锂离子电池的泄漏引起电池失效的机理存在很大的差异。如果空间用锂离子电池存在泄漏，由于太空环境的高真空条件，电池内部电解液由于正内压的影响向太空加速挥发排出，使电池迅速进入贫液状态，从而电池内阻增大，极化迅速增大，使得电池的充电接受能力与放电能力显著降低，导致卫星供电失效。水下兵器用锂离子电池存在泄漏的条件下，由于其特定的工作环境，电池外部环境中的水或水蒸气进入电池内部。锂离子电池的电解液是非水性物质，水分的进入将发生电解液的迅速分解和负极上的锂碳化合物与水之间的化学反应，使得电池短路失效。如果泄漏率比较小，电池将先发生内部微短路，降低电池的充电接受能力，并使电池的荷电保持能力降低，性能衰降加快，不利于兵器的战略储备与管理维护。
锂离子电池的生产过程中涉及到焊接密封、挤压密封等多种密封方式，电池发生泄漏的部位以及泄漏的诱因也与密封方式紧密相关。泄漏的原因多种多样，比如焊接缺陷、应力形变、紧固松动等。电池发生泄漏的部位和时机还与应用环境紧密相关，所以对于电池的密封性能检验也必须与应用环境结合起来才能更科学，更有效。
3 锂离子电池的密封性检测手段
目前，对锂离子电池密封性的检测手段主要有氦质谱检测法、水检法、直压式检测法和差压式检测法几种。其中氦质谱背压法属于细检漏，其最大可检漏率有上限，约为1×10-4Pam3/s。对于大于此漏率的泄漏使用氦质谱进行检测会产生误差。其余三种检测方法属于粗检漏，用于和氦质谱配合使用，检测漏率大于1×10-4Pam3/s的泄漏。水检法由于受检验人员主观因素影响大，容易漏检，而且需要进行干燥等后续工序工作已基本不使用。直压式检漏法受限于直压传感器的分辨率较低，导致精度低，同时容易受环境干扰造成检测值可信度低。目前推荐使用差压式检测与氦质谱检测相结合的手段对锂离子电池密封性进行检测。
差压式检漏法具有维护成本低、无后续处理的优点，同时采用被测物与基准物对比检测压力差的方式，克服了直压式检漏分辨率低，容易受环境干扰影响的缺点。因为基准物和被测工件、测试状态相同，所以差压式检漏法可以抵消温度、形变等环境因素的影响，得到高精度的测量结果。差压式检漏作为一种新兴的检漏方法已经被汽车、燃气、电子、航天和军工等多个行业广泛采用。
4 差压式检漏法简介
用于锂离子电池粗检漏的差压式检漏仪，它的原理与一般差压式检漏仪一样，只是在安装被检电池和基准物与电池形状、材料、大小完全相同又不漏的基准物的位置连接了两个可以打开和关闭的密闭容器，它的检测程序分两步进行。第一步作小漏率检测。将被检电池与基准物分别放入检漏仪的两个容器内，加盖密封。启动检漏仪，向两个容器内同时充气加压，停止加压后，等待一定时间，如果被检件有比较小的漏孔，容器内的气体就会逐渐流进被检件内腔，导致放被检件的容器内压力逐渐降低。这样，两个容器就形成了压力差，差压传感器就能测量出来。如果被检电池上有较大的漏孔，在充压过程，压力较高的气体会比较快的进入被检电池内腔，导致充压停止以后，被检电池内腔的压力与所处容器压力相同，虽然被检电池有漏也不再有气体流进被检电池，容器压力保持不变；放置基准件的容器，压力也保持不变，差压传感器就没有信号输出。也就是说，检漏仪没有泄漏信号显示时，被检电池可能是不漏的，也可能是有大漏的。为了解决这一问题，所以要进行第二步大漏率检测。第二步大漏率检测。在第一步小漏率检测完毕以后，自动打开仪器上的两个阀门，使放置被检电池和基准件的容器与分压罐相通（见图1） 。如果被检电池有大漏，其内腔的气体加上所在容器的气体总量，比放置基准物的容器内的气体量要多，当阀门打开与分压罐连通以后，被检电池一端的最终平衡压力要高于基准物一端的最终平衡压力，差压传感器有信号输出，说明被检电池有大漏。第一、二两步都作完以后，检漏仪会根据所得到的两组数据综合判断，给出合格或不合格的结论。差压式检漏可以用于锂离子电池较大泄漏率的检漏，与氦质谱背压检漏得到的数据一起来判断被检件合格与否。另外它也可以用于允许漏率不太严格的锂离子电池检漏，不作氦质谱背压检漏而直接作一次差压式检漏就可以满足检漏要求。锂离子电池采用这种差压检漏，比气泡法等其它检漏方法的效率要高，一个检测循环只需几十秒。
5 差压式检漏法性能实验
5.1 检测准备
5.1.1 最小可检漏率校准
使用安装在实验设备上的校正器进行最小可检漏率校准。将被测物容器和基准物容器中都放入无泄漏的样件，将测试压力调整到实验状况。在小泄漏检测状态，调整校正器模拟泄漏。当检漏仪上差压显示值达到最小分辨率的10倍时，记录校正器容积改变量，并通过仪器配套的软件计算最小可检漏率。本次实验的实验设备最小可检漏率为1×10-5Pam/s.
5.1.2 检测参数设定
根据锂离子电池的工作环境及内部容积等条件参数，通过软件模拟计算出适合的实验条件。本次检测的实验参数为：测试压力150kPa，充气时间8s，平衡时间3s，小泄漏检测时间20s，大泄漏检测时间5s，排气时间3s。
5.2 检漏程序
检漏程序如下：
a）开启锂离子电池差压式检漏仪设备，调节气源，使之处于正常检漏状态，测试压力为150kPa，空机操作3次-5次以上。
b）在检漏仪上设置该被检件校准时确定的加压时间、平衡时间、检测时间等参数，设置小漏率检测时不合格品对应的差压值为40Pa，大漏率检测时不合格品对应的差压值为450Pa。
c）将被检元器件和基准件分别放入相应的检漏测试容器。
d）按照检漏仪操作规程开始进行检漏。
对32只锂离子电池进行检测的实验数据：
数据中S-DET为小泄漏检测阶段的差压，L-DET为大泄漏检测阶段的差壓，单位为Pa（表1）。
从实验结果可以看出，差压式检漏法在合格品检测时重复性良好，同时对于超过预定漏率的不合格品可以明显区分出来。
6 结束语
在锂离子电池领域，差压式检漏法不但具有传统干式检漏的简便、高效、低成本及无后续工序的特点，同时还有抗干扰能力强，精度高的特点，实现与氦质谱的无缝衔接，保证了不出现检漏盲点。差压式检漏法大大提高了检测能力，降低了检测成本，所以不单用于实验室的小批量测试而且在大规模生产厂家也受到了欢迎。这种检漏仪可实现体积从几个mm3到数百cm3的密封元器件的粗检；最小检出漏率可达1E-6Pa.m3/s（空气）。在检测时间上通过对多个检测回路集成使单个器件检测时间达到0.5s/个。此外，从实用角度出发在差压式检漏仪上配备有相应的校正器，即避免了用户做繁杂的计算工作又便于使用者随时对检测结果进行在线标定。
[关键词]锂离子电池 密封性 差压式检漏法
中图分类号：P618.71 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0350-02
1 引言
随着航天技术的迅猛发展，无论是航空航天还是水下兵器，电源被誉为整机产品的“心脏”和“血液”，电源的供电安全可靠是第一位的，电源产品的安全性主要由安全设计、工艺保障和检验评估三个环节组成，其中检验是最后一条质量控制线。电池失效的主要形式是短路和开路，无论是航空航天用锂离子电池还是水下兵器用锂离子电池，电池一旦发生密封泄漏均可能造成电池失效。目前传统电池粗检漏方法主要有：水检、氟油检漏等，这些方法工艺复杂、效率低、成本高，其中有的方法还属于破坏性检验方法，影响电池性能，另外这些方法与背压法氦质谱细检值的数量衔接存在盲区。
2 失效原因分析
由于环境不同，空间工程和水下兵器用锂离子电池的泄漏引起电池失效的机理存在很大的差异。如果空间用锂离子电池存在泄漏，由于太空环境的高真空条件，电池内部电解液由于正内压的影响向太空加速挥发排出，使电池迅速进入贫液状态，从而电池内阻增大，极化迅速增大，使得电池的充电接受能力与放电能力显著降低，导致卫星供电失效。水下兵器用锂离子电池存在泄漏的条件下，由于其特定的工作环境，电池外部环境中的水或水蒸气进入电池内部。锂离子电池的电解液是非水性物质，水分的进入将发生电解液的迅速分解和负极上的锂碳化合物与水之间的化学反应，使得电池短路失效。如果泄漏率比较小，电池将先发生内部微短路，降低电池的充电接受能力，并使电池的荷电保持能力降低，性能衰降加快，不利于兵器的战略储备与管理维护。
锂离子电池的生产过程中涉及到焊接密封、挤压密封等多种密封方式，电池发生泄漏的部位以及泄漏的诱因也与密封方式紧密相关。泄漏的原因多种多样，比如焊接缺陷、应力形变、紧固松动等。电池发生泄漏的部位和时机还与应用环境紧密相关，所以对于电池的密封性能检验也必须与应用环境结合起来才能更科学，更有效。
3 锂离子电池的密封性检测手段
目前，对锂离子电池密封性的检测手段主要有氦质谱检测法、水检法、直压式检测法和差压式检测法几种。其中氦质谱背压法属于细检漏，其最大可检漏率有上限，约为1×10-4Pam3/s。对于大于此漏率的泄漏使用氦质谱进行检测会产生误差。其余三种检测方法属于粗检漏，用于和氦质谱配合使用，检测漏率大于1×10-4Pam3/s的泄漏。水检法由于受检验人员主观因素影响大，容易漏检，而且需要进行干燥等后续工序工作已基本不使用。直压式检漏法受限于直压传感器的分辨率较低，导致精度低，同时容易受环境干扰造成检测值可信度低。目前推荐使用差压式检测与氦质谱检测相结合的手段对锂离子电池密封性进行检测。
差压式检漏法具有维护成本低、无后续处理的优点，同时采用被测物与基准物对比检测压力差的方式，克服了直压式检漏分辨率低，容易受环境干扰影响的缺点。因为基准物和被测工件、测试状态相同，所以差压式检漏法可以抵消温度、形变等环境因素的影响，得到高精度的测量结果。差压式检漏作为一种新兴的检漏方法已经被汽车、燃气、电子、航天和军工等多个行业广泛采用。
4 差压式检漏法简介
用于锂离子电池粗检漏的差压式检漏仪，它的原理与一般差压式检漏仪一样，只是在安装被检电池和基准物与电池形状、材料、大小完全相同又不漏的基准物的位置连接了两个可以打开和关闭的密闭容器，它的检测程序分两步进行。第一步作小漏率检测。将被检电池与基准物分别放入检漏仪的两个容器内，加盖密封。启动检漏仪，向两个容器内同时充气加压，停止加压后，等待一定时间，如果被检件有比较小的漏孔，容器内的气体就会逐渐流进被检件内腔，导致放被检件的容器内压力逐渐降低。这样，两个容器就形成了压力差，差压传感器就能测量出来。如果被检电池上有较大的漏孔，在充压过程，压力较高的气体会比较快的进入被检电池内腔，导致充压停止以后，被检电池内腔的压力与所处容器压力相同，虽然被检电池有漏也不再有气体流进被检电池，容器压力保持不变；放置基准件的容器，压力也保持不变，差压传感器就没有信号输出。也就是说，检漏仪没有泄漏信号显示时，被检电池可能是不漏的，也可能是有大漏的。为了解决这一问题，所以要进行第二步大漏率检测。第二步大漏率检测。在第一步小漏率检测完毕以后，自动打开仪器上的两个阀门，使放置被检电池和基准件的容器与分压罐相通（见图1） 。如果被检电池有大漏，其内腔的气体加上所在容器的气体总量，比放置基准物的容器内的气体量要多，当阀门打开与分压罐连通以后，被检电池一端的最终平衡压力要高于基准物一端的最终平衡压力，差压传感器有信号输出，说明被检电池有大漏。第一、二两步都作完以后，检漏仪会根据所得到的两组数据综合判断，给出合格或不合格的结论。差压式检漏可以用于锂离子电池较大泄漏率的检漏，与氦质谱背压检漏得到的数据一起来判断被检件合格与否。另外它也可以用于允许漏率不太严格的锂离子电池检漏，不作氦质谱背压检漏而直接作一次差压式检漏就可以满足检漏要求。锂离子电池采用这种差压检漏，比气泡法等其它检漏方法的效率要高，一个检测循环只需几十秒。
5 差压式检漏法性能实验
5.1 检测准备
5.1.1 最小可检漏率校准
使用安装在实验设备上的校正器进行最小可检漏率校准。将被测物容器和基准物容器中都放入无泄漏的样件，将测试压力调整到实验状况。在小泄漏检测状态，调整校正器模拟泄漏。当检漏仪上差压显示值达到最小分辨率的10倍时，记录校正器容积改变量，并通过仪器配套的软件计算最小可检漏率。本次实验的实验设备最小可检漏率为1×10-5Pam/s.
5.1.2 检测参数设定
根据锂离子电池的工作环境及内部容积等条件参数，通过软件模拟计算出适合的实验条件。本次检测的实验参数为：测试压力150kPa，充气时间8s，平衡时间3s，小泄漏检测时间20s，大泄漏检测时间5s，排气时间3s。
5.2 检漏程序
检漏程序如下：
a）开启锂离子电池差压式检漏仪设备，调节气源，使之处于正常检漏状态，测试压力为150kPa，空机操作3次-5次以上。
b）在检漏仪上设置该被检件校准时确定的加压时间、平衡时间、检测时间等参数，设置小漏率检测时不合格品对应的差压值为40Pa，大漏率检测时不合格品对应的差压值为450Pa。
c）将被检元器件和基准件分别放入相应的检漏测试容器。
d）按照检漏仪操作规程开始进行检漏。
对32只锂离子电池进行检测的实验数据：
数据中S-DET为小泄漏检测阶段的差压，L-DET为大泄漏检测阶段的差壓，单位为Pa（表1）。
从实验结果可以看出，差压式检漏法在合格品检测时重复性良好，同时对于超过预定漏率的不合格品可以明显区分出来。
6 结束语
在锂离子电池领域，差压式检漏法不但具有传统干式检漏的简便、高效、低成本及无后续工序的特点，同时还有抗干扰能力强，精度高的特点，实现与氦质谱的无缝衔接，保证了不出现检漏盲点。差压式检漏法大大提高了检测能力，降低了检测成本，所以不单用于实验室的小批量测试而且在大规模生产厂家也受到了欢迎。这种检漏仪可实现体积从几个mm3到数百cm3的密封元器件的粗检；最小检出漏率可达1E-6Pa.m3/s（空气）。在检测时间上通过对多个检测回路集成使单个器件检测时间达到0.5s/个。此外，从实用角度出发在差压式检漏仪上配备有相应的校正器，即避免了用户做繁杂的计算工作又便于使用者随时对检测结果进行在线标定。