CN101398469A - 评估锂二次电池的寿命和安全性的方法 - Google Patents
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本发明评估锂二次电池的寿命和安全性的方法属于二次电池领域，特别是涉及锂二次电池的快速评估方法，先用3C以上的倍率对锂二次电池进行充放电循环，测试其循环寿命，然后对循环后的电池做安全测试，评估循环后的电池的安全性，能够快速获得锂二次电池的循环寿命和循环使用后的安全性能，本发明能快速有效地评判锂二次电池的循环寿命和循环后的安全性能，对保证电池的寿命和安全性有很大的作用。减少电池存库等待循环寿命测试和循环后的安全性能测试的时间。
Description
技术领域
本发明评估锂二次电池的寿命和安全性的方法属于二次电池领域，特别是涉及锂二次电池的快速评估方法。
背景技术
循环寿命和安全性是锂二次电池的重要指标，现行的电池标准都需要对锂二次电池的循环寿命和安全性进行测量。UL1642标准规定，安全性测试项目所用的电池，需要是新的和充放电循环过的，充放电循环的制度是按照制造商推荐的充放电制度，循环至标称循环寿命的25％周次时或连续循环90天终止。IEC标准规定，安全性测试项目所用的电池，需要是完全充电的和刚生产完的电池；循环测试的制度是1C充放。GB/18287《蜂窝电话用锂离子电池总规范》规定，试验所需电池或电池组的制造期限不应超过3个月；循环测试的制度是1C充放。QC/T 743—2006《电动道路车辆用锂离子蓄电池》规定，出厂检验，每一批产品出厂前应在该批产品中随机抽样进行出厂检验；循环测试的制度是，以1I3(A)恒流充电，至蓄电池电压达4.2V时转恒压充电，至充电电流降至0.1I3时停止充电，以1.5I3(A)电流放电。
现在的专利文献只有介绍如何做安全的锂电池，如何达到上述标准的安全性能，对于如何快速地测试和了解电池的安全性，没有报道。一般制造商推荐的充放电循环制度，是0.5~1C充放，也有2C恒流恒压充电，再按制造商设计的放电倍率放电，如10C放电，仅测试寿命，不测试循环后的安全性。
现行标准和做法的不足之处是：一、使用新电池做安全性测试，不能反映电池在使用过程中的安全性；二、按照现行的循环制度先循环再测试电池的安全性，需要很长的时间，正常生产条件下，不能及时了解电池在将来使用时的安全性能，货物已经出给客户。一般使用0.5C充放300周的25％即75周，也需要~20天时间。三、UL1642使用25％循环之后的电池做安全测试，不能反映电池使用中期和末期的安全性能，一般循环使用过程中，末期的安全性能较差。四、不同的循环制度，对电池的安全性影响不同，一般充放倍率大的制度循环之后，电池的安全性较差，现在的锂二次电池一般使用0.5~1C的倍率循环，不能体现大倍率充放循环之后的安全性能。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种快速简单的方法，评估锂二次电池的寿命和安全性，及时了解锂二次电池的循环寿命和循环后的安全性能。
随着快充电池的发展，现在已经有6~10C充放电的锂二次电池。我们在研究开发高安全性快充型聚合物锂离子电池过程中，发现：
1.循环后的电池安全性比新鲜的电池安全性差，并且循环多次数的电池安全性比循环少次数的电池安全性差：刚生产出来的锂二次电池，在生产过程中仅用小倍率进行充放电，没有经过反复多次的充放电循环，一般的设计都是负极容量比正极容量稍多，负极上不会产生金属锂析出，对新鲜的锂二次电池做安全性测试，其安全性能较好。锂二次电池经过多次充放电循环后，虽然正极片上正极活性物质分布是均匀的或在合适的分布范围之内，负极片上负极活性物质分布也是均匀的或在合适的分布范围之内，并且负极是适当过量的，但是，在反复多次的充放电循环过程中，电流的分布是不均匀的，在电流分布密集的地方，负极表面会产生金属锂析出，并且是累积的，对循环后的锂二次电池做安全性测试，其安全性能较差。
2.大倍率循环过的电池安全性比小倍率循环过的电池安全性差：由于电池内部结构不同和充放电倍率不同，电流在极片上的分布不同，电池经过大倍率充放电循环后，电池不适应大倍率充放电的地方就会表露出来，在电流分布密集的地方，容易发生析锂，使电池的安全性能变差。
3.循环寿命差的电池，循环后安全性差：经过大量测试，对循环后的电池分为循环寿命好的、中等的、差的，再对这些循环后的电池做安全性测试，结果是循环寿命好的电池，循环后安全性较好；循环寿命差的电池，循环后安全性较差。原因是极片均匀或组装良好，在反复多次的充放电循环过程中，负极表面不容易产生金属锂析出，循环寿命较好，循环后的安全性也较好；极片不均匀或组装不良，在反复多次的充放电循环过程中，电流的分布也是不均匀的，在负极不足的地方，或在电流分布密集的地方，负极表面会产生金属锂析出，这些析出的金属锂变得没有活性，不能返回正极，循环寿命变得较差，循环后的安全性也较差。
我们提出先用3C以上的倍率对锂二次电池进行充放电循环，测试其循环寿命，然后对循环后的电池做安全测试，评估循环后的电池的安全性，能够快速获得锂二次电池的循环寿命和循环使用后的安全性能，从而在出货前知道电池循环使用后的安全性，对是否出货做出判断。
对于高安全性快充型聚合物锂离子电池，如果设计放电倍率为10C，可以使用4C恒流充电到4.36V截止(也可以4C恒流恒压充电到4.2V，C/10截止)，搁置5min，10C放电到3V，搁置5min，循环200次，可以在大约5天之内了解电池的快速充放寿命；然后对循环后的电池做过充电、强制放电、短路、钉刺、热冲击、挤压和重物冲击的安全性能测试。
1. 循环寿命测试：使用合适量程的锂离子电池自动测试系统。
1.1 4C恒流充电到4.36V截止；
1.2 搁置5min；
1.3 10C放电到3V；
1.4 搁置5min；
1.5 循环1.1~1.4步骤200次；
1.6 结束。
2.安全性能测试：对循环后的电池做安全性能测试。下述试验都应在有强制排风条件、及防爆措施的装置内进行。在试验前所有电池都要按4C恒流充电到4.36V截止，并搁置24h后，再进行以下试验。
2.1过充电
电池先在23℃±2℃下以0.2C进行放电至终止电压，将接有热电偶的电池置于通风橱中，然后用不小于10V的电源以4C充电2.5C/4C h＝37.5min。试验过程中监视电池温度变化，当电池温度下降到比峰值低约10℃时，结束试验。
2.2强制放电
将电池充饱电后，以1C的电流对电池进行反向充电，要求充电时间不低于90min。该实验要求在环境温度为23℃±2℃下进行。
2.3短路：将接有热电偶的电池置于通风橱中，短路其正负极(线路总电阻不大于50mΩ)，试验过程中监视电池温度变化，当电池温度下降到比室温高约10℃时，结束试验。
2.4钉刺：将接有热电偶的电池置于通风橱中，要求电池平放于一木板上，然后用一直径为3-5mm的钢钉从其中部迅速钉透，试验过程中监视电池温度变化，当电池温度下降到比峰值温度低约10℃时，结束试验。
2.5热冲击：电池放置于热箱中，温度以(5℃±2℃)/min的速率升温至130℃±2℃并保温30min。
2.6挤压：将电池放置在两个平面间经受挤压，两侧木板厚度应不小于12.7mm，压力逐渐增加至13kN±1kN，在最大压力值时持续时间至少为1min。
2.7重物冲击：电池放置于冲击台上，将10kg重锤自1m高度自由落下，冲击已固定在夹具中的电池(电池的面积最大的面应与台面垂直)。
安全性能测试项目和条件可以适当增减或变更，可以参照现行的锂二次电池安全标准，也可以加严测试条件。
快速充放电评估锂二次电池的寿命和安全性的方法，是先用3C以上的倍率对锂二次电池进行恒流恒压充电，用3C以上的倍率放电，测试其循环寿命，然后对循环后的电池做安全测试，评估循环后的电池的安全性，也可以用6C以上的倍率对锂二次电池进行充放电循环，测试其循环寿命，再测试其安全性能。也可以用10C以上的倍率对锂二次电池进行充放电循环，测试其循环寿命，再测试其安全性能。
先用3C以上的倍率对锂二次电池进行恒流充电至比标准更高的电压，用3C以上的倍率放电。
先用3C以上的倍率对锂二次电池进行充放电循环，循环至标称循环寿命的30％周次以上时，再测试其安全性能。
是先用3C以上的倍率对锂二次电池进行充放电循环，测试其循环寿命，再测试其过充电、或强制放电、或过放电、或反向充电、或短路、或钉刺、或热冲击、或热循环、或低气压、或燃烧试验、或喷射试验、或挤压、或重物冲击的安全性能。
锂二次电池，包括钴酸锂电池、镍酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、二元正极锂电池、三元正极锂电池、单体电池、电池组。
本发明能快速有效地评判锂二次电池的循环寿命和循环后的安全性能，对保证电池的寿命和安全性有很大的作用。减少电池存库等待循环寿命测试和循环后的安全性能测试的时间，提高资金周转速度，对生产经营十分有利。
具体实施方式
下面结合具体例子对本发明作进一步说明。
实施例1
对于501417HS10C型3.7V50mAh高安全性快充型聚合物锂离子电池，设计放电倍率为10C，使用4C(200mA)恒流充电到4.36V截止，搁置5min，10C(500mA)放电到3V，搁置5min，循环200次，可以在5天之内了解电池的快速充放寿命；然后对循环后的电池做过充电、强制放电、短路、钉刺、热冲击、挤压和重物冲击的安全性能测试。具体测试过程如下：
1. 循环寿命测试：使用5V2A量程的锂离子电池自动测试系统。
1.1 4C(200mA)恒流充电到4.36V截止；
1.2 搁置5min；
1.3 10C(500mA)放电到3V；
1.4 搁置5min；
1.5 循环1.1~1.4步骤200次；
1.6 结束。
2.安全性能测试：对循环后的电池做安全性能测试。下述试验都应在有强制排风条件、及防爆措施的装置内进行。在试验前所有电池都要按4C(200mA)恒流充电到4.36V截止，并搁置24h后，再进行以下试验。
2.1过充电
电池先在23℃±2℃下以0.2C进行放电至终止电压，将接有热电偶的电池置于通风橱中，然后用不小于10V的电源以4C(200mA)充电2.5C/4C h＝37.5min。试验过程中监视电池温度变化，当电池温度下降到比峰值低约10℃时，结束试验。
2.2强制放电
将电池充饱电后，以1C的电流对电池进行反向充电，要求充电时间不低于90min。该实验要求在环境温度为23℃±2℃下进行。
2.3短路：将接有热电偶的电池置于通风橱中，短路其正负极(线路总电阻不大于50mΩ)，试验过程中监视电池温度变化，当电池温度下降到比室温高约10℃时，结束试验。
2.4钉刺：将接有热电偶的电池置于通风橱中，要求电池平放于一木板上，然后用一直径为3-5mm的钢钉从其中部迅速钉透，试验过程中监视电池温度变化，当电池温度下降到比峰值温度低约10℃时，结束试验。
2.5热冲击：电池放置于热箱中，温度以(5℃±2℃)/min的速率升温至130℃±2℃并保温30min。
2.6挤压：将电池放置在两个平面间经受挤压，两侧木板厚度应不小于12.7mm，压力逐渐增加至13kN±1kN，在最大压力值时持续时间至少为1min。
2.7重物冲击：电池放置于冲击台上，将10kg重锤自1m高度自由落下，冲击已固定在夹具中的电池(电池的面积最大的面应与台面垂直)。
实施例2
对于452026HS10C型3.7V130mAh高安全性快充型聚合物锂离子电池，设计放电倍率为10C，使用6C(780mA)恒流充电到4.20V转恒压充电至13mA截止，搁置5min，10C(1300mA)放电到3V，搁置5min，循环200次，可以在5天之内了解电池的快速充放寿命；然后对循环后的电池做过充电、强制放电、短路、钉刺、热冲击、挤压和重物冲击的安全性能测试。具体测试过程如下：
1. 循环寿命测试：使用5V2A量程的锂离子电池自动测试系统。
1.1 6C(780mA)恒流充电到4.20V，恒压充电至13mA截止；
1.2 搁置5min；
1.3 10C(1300mA)放电到3V；
1.4 搁置5min；
1.5 循环1.1~1.4步骤200次；
1.6 结束。
2.安全性能测试：对循环后的电池做安全性能测试。下述试验都应在有强制排风条件、及防爆措施的装置内进行。在试验前所有电池都要按6C(780mA)恒流充电到4.20V，恒压充电至13mA截止，并搁置24h后，再参照实施例1进行安全性能测试，安全性能测试项目和条件可以适当变更。
实施例3
对于502026HS20C型3.7V130mAh高安全性快充型聚合物锂离子电池，设计放电倍率为20C，使用10C(1300mA)恒流充电到4.40V截止，搁置5min，20C(2600mA)放电到3V，搁置5min，循环200次，可以在3天之内了解电池的快速充放寿命；然后对循环后的电池做过充电、强制放电、短路、钉刺、热冲击、挤压和重物冲击的安全性能测试。具体测试过程如下：
1. 循环寿命测试：使用5V2A量程的锂离子电池自动测试系统。
1.1 10C(1300mA)恒流充电到4.40V截止；
1.2 搁置5min；
1.3 20C(2600mA)放电到3V；
1.4 搁置5min；
1.5 循环1.1~1.4步骤200次；
1.6 结束。
2.安全性能测试：对循环后的电池做安全性能测试。下述试验都应在有强制排风条件、及防爆措施的装置内进行。在试验前所有电池都要按10C(1300mA)恒流充电到4.40V截止，并搁置24h后，再参照实施例1进行安全性能测试，安全性能测试项目和条件可以适当变更。
Claims (7)
1、一种评估锂二次电池的寿命和安全性的方法，对锂二次电池进行充放电循环，测试其循环寿命，然后对循环后的电池做安全测试，其特征是用3C以上的倍率对锂二次电池进行充放电循环，然后对循环后的电池做安全测试。
2、根据权利要求1所述的评估锂二次电池的寿命和安全性的方法，其特征是用3C以上的倍率对锂二次电池进行恒流恒压充电，用3C以上的倍率放电。
3、根据权利要求1所述的评估锂二次电池的寿命和安全性的方法，其特征是用6C以上的倍率对锂二次电池进行充放电循环。
4、根据权利要求1所述的评估锂二次电池的寿命和安全性的方法，其特征是用10C以上的倍率对锂二次电池进行充放电循环。
5、根据权利要求1所述的评估锂二次电池的寿命和安全性的方法，其特征是用3C以上的倍率对锂二次电池进行恒流充电至比标准更高的电压，用3C以上的倍率放电。
6、根据权利要求1所述的评估锂二次电池的寿命和安全性的方法，其特征是对循环后的电池做过充电、强制放电、过放电、反向充电、短路、钉刺、热冲击、热循环、低气压、燃烧试验、喷射试验、挤压、重物冲击测试。
7、根据权利要求1所述的评估锂二次电池的寿命和安全性的方法，其特征是；
1循环寿命测试：使用合适量程的锂离子电池自动测试系统；
1.1.14C恒流充电到4.36V截止；
1.1.2搁置5min；
1.1.310C放电到3V；
1.1.4搁置5min；
1.1.5循环7.1.1~7.1.4步骤200次；
1.1.6结束；
2.2安全性能测试：对循环后的电池做安全性能测试，下述试验都应在有强制排风条件、及防爆措施的装置内进行；在试验前所有电池都要按4C恒流充电到4.36V截止，并搁置24h后，再进行以下试验；
2.2.1过充电；
电池先在23℃±2℃下以0.2C进行放电至终止电压，将接有热电偶的电池置于通风橱中，然后用不小于10V的电源以4C充电2.5C/4C，h＝37.5min，试验过程中监视电池温度变化，当电池温度下降到比峰值低约10℃时，结束试验；
2.2.2强制放电；
将电池充饱电后，以1C的电流对电池进行反向充电，要求充电时间不低于90min；该实验要求在环境温度为23℃±2℃下进行；
2.2.3短路：将接有热电偶的电池置于通风橱中，短路其正负极，线路总电阻不大于50mΩ，试验过程中监视电池温度变化，当电池温度下降到比室温高约10℃时，结束试验；
2.2.4钉刺：将接有热电偶的电池置于通风橱中，要求电池平放于一木板上，然后用一直径为3-5mm的钢钉从其中部迅速钉透，试验过程中监视电池温度变化，当电池温度下降到比峰值温度低约10℃时，结束试验；
2.2.5热冲击：电池放置于热箱中，温度以5℃±2℃/min的速率升温至130℃±2℃并保温30min；
2.2.6挤压：将电池放置在两个平面间经受挤压，两侧木板厚度应不小于12.7mm，压力逐渐增加至13kN±1kN，在最大压力值时持续时间至少为1min；
2.2.7重物冲击：电池放置于冲击台上，将10kg重锤自1m高度自由落下，冲击已固定在夹具中的电池。
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