CN102593539B - 一种监控锂离子电池正负极电位的方法 - Google Patents

一种监控锂离子电池正负极电位的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种监控锂离子电池正负极电压的方法，包括以下步骤：将工作电芯和参比电芯封装在同一包装袋内，注入电解液，化成，老化，容量后制得四电极锂离子电池，所述工作电芯和参比电芯之间设有电子绝缘膜，所述工作电芯的前端设有正极极耳和负极极耳，所述参比电芯的前端设有第一极耳和第二极耳；将正极极耳和负极极耳分别与第一极耳和第二极耳中的任意一个连接，对锂离子电池正负极电位进行监控。相对于现有技术，本发明的优点是参比电芯在半充电状态下正负极均具有很稳定的电位、正负极电位漂移小、电位值随时间变化小；能够有效的监控电池在测试和工作中正负极各自的电位变化。

Description

一种监控锂离子电池正负极电位的方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种有效监控锂离子电池正负极电压的方法。
背景技术
自1991年日本索尼(Sony)公司率先将锂离子电池商业化以来，由于其具有高能量密度、高电压、低自放电率和重量轻等优点，已经在各种领域得到了广泛的应用。近年来，随着科技的进步，人们对锂离子电池的性能要求日益提高。
锂离子电池一般包括正极、负极、间隔于正极和负极之间的隔膜，以及电解液。其中，正极和负极对锂离子电池的性能有着较大的影响，为了找出电池性能与正极和负极之间的关系，有必要对锂离子电池的正极和负极进行分别研究，其中，正极和负极在测试或工作中的电位研究是一项比较重要的项目，一般需要对其进行长时间的准确监控。
目前，用于监控正极和负极电位的方法主要是使用三电极的方法。传统的三电极的制作方法是在电池的制作过程中，在正极膜片和负极膜片间加入第三根参比电极，并用隔膜将参比电极与工作电极隔开。其中，第三根参比电极一般采用锂片或镀锂铜丝等。该方法不仅制作过程繁琐、在中间加锂片的制作环境要求高、制作成功率低，并且由于第三电极容易受到外部因素影响，导致测得的结果存在电位漂移。所以使用三电极的方法难以长时间持续地准确监控正极和负极电位。
有鉴于此，确有必要提供一种能够准确有效且长时间监控锂离子电池正极和负极电位的方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种能够准确有效且长时间监控锂离子电池正极和负极电位的方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种监控锂离子电池正负极电位的方法，包括以下步骤：
第一步，四电极锂离子电池的制备：将工作电芯和参比电芯封装在同一包装袋内，注入电解液，注入电解液，化成，老化，容量后制得四电极锂离子电池，所述工作电芯和参比电芯之间设有电子绝缘膜，所述工作电芯的前端设有正极极耳和负极极耳，所述参比电芯的前端设有第一极耳和第二极耳；
第二步，锂离子电池正负极电位的监控：对参比电芯进行充放电，然后将正极极耳和负极极耳分别与第一极耳和第二极耳中的任意一个连接，对锂离子电池正负极电位进行监控。
其中，参比电芯的大小和位置可以任意变动，只要参比电芯与工作电芯在一个电解液体系中即可
具体的监控方式分为如下四种：
一是将正极极耳和负极极耳同时与第一极耳连接，用第一极耳监控锂离子电池正极和负极的电压变化；
二是将正极极耳和负极极耳同时与第二极耳连接，用第二极耳监控锂离子电池正极和负极的电压变化；
三是分别将正极极耳和负极极耳与第一极耳和第二极耳连接，用第一极耳监控锂离子电池正极的电位变化，用第二极耳监控锂离子电池负极的电位变化。
四是分别将正极极耳和负极极耳与第二极耳和第一极耳连接，用第二极耳监控锂离子电池正极的电位变化，用第一极耳监控锂离子电池负极的电位变化。
作为本发明监控锂离子电池正负极电位的方法的一种改进，所述正极极耳和负极极耳位于所述包装袋的一端，所述第一极耳和第二极耳位于所述包装袋的另一端，以防止极耳间的短路。
作为本发明监控锂离子电池正负极电位的方法的一种改进，所述工作电芯包括正极片、负极片和间隔于正极片和负极片之间的电子绝缘膜。
作为本发明监控锂离子电池正负极电位的方法的一种改进，所述参比电芯为正极片。
作为本发明监控锂离子电池正负极电位的方法的一种改进，所述参比电芯为负极片。
作为本发明监控锂离子电池正负极电位的方法的一种改进，所述参比电芯包括正极片、负极片和间隔于正极片和负极片之间的电子绝缘膜。
其中，所述参比电芯的正负极极片可以为任一具有充放电平台并能嵌脱锂离子的活性材料，例如：正极活性物质可选自LiXO2(X＝Ni、Co、Mn等)、LiMn2O4、LiNiaCobMncO2(a+b+c＝1)和LiNiaCobAlcO2(a+b+c＝1)等；负极活性物质可选自石墨、软碳、硬碳、Li4Ti5O12和合金等。
作为本发明监控锂离子电池正负极电位的方法的一种改进，第二步所述对参比电芯进行充放电为将参比电芯充放电至半充状态。
作为本发明监控锂离子电池正负极电位的方法的一种改进，所述包装袋为铝塑薄膜、钢壳或铝壳。
作为本发明监控锂离子电池正负极电位的方法的一种改进，所述电子绝缘膜的材质为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，这些材质具有导离子不导电子的功能。
相对于现有技术，本发明的优点在于：
一是由于参比电芯具有很平的充放电平台，所以在半充状态下其正负极电位几乎没有变化，具有很稳定的作为参比电极的绝对电位，因此不存在三电极的电位飘移的问题；
二是参比电芯的电位只与其本身容量状态相关，即使考虑到电芯本身很小的自放电，参比电芯的电位在相当长一段时间都不会有变化，这对于监控长时间测试项目如循环和存储等过程中锂离子电池的正负极电位有很大的帮助，能长时间准确的监控工锂离子电池的正负极电位；
三是参比电芯制作简单，对制作环境无特殊要求，无需另准备材料，可以直接将一个工作电芯作为参比和工作电芯封装在一个封装膜中。
四是本发明的四电极锂离子电池在其中一个电极发生损毁的情况下，另一电极能够继续监控工作电芯的正负极电位，为长久分析正负极分别对电池性能的影响程度提供数据支持。
附图说明
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明四电极锂离子电池的正面结构示意图；
图2为图1中A-A’面的剖面图；
图3为本发明实施例1的工作原理示意图；
图4为本发明实施例2的工作原理示意图；
图5为本发明实施例3的工作原理示意图；
图6为本发明实施例4的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，详细说明本发明提供的监控锂离子电池正负极电位的方法，对本发明不构成任何限制。
一种监控锂离子电池正负极电位的方法，包括以下步骤：
第一步，四电极锂离子电池的制备：将工作电芯1和参比电芯2封装在同一包装袋3内，注入电解液，所述工作电芯1和参比电芯2之间设有电子绝缘膜4，所述工作电芯1的前端设有正极极耳11和负极极耳12，所述参比电芯2的前端设有第一极耳21和第二极耳22，制得四电极锂离子电池(如图1和2所示)；
第二步，锂离子电池正负极电位的监控：对参比电芯2进行充放电，然后将正极极耳11和负极极耳12分别与第一极耳21和第二极耳22中的任意一个连接(如图3、图4、图5和图6所示)，对锂离子电池正负极电位进行监控。
实施例1
工作电芯1的制备：
正极片的制备：
将正极活性材料钴酸锂(LiCoO2)，导电剂乙炔黑，粘接剂聚偏氟乙烯(PVDF)按照质量比例96∶1.5∶2.5加入溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中分散均匀，制得正极浆料。然后将正极浆料涂覆在Al箔(厚度为12μm)上，然后进行辊压、切片、烘干焊焊接正极极耳11等操作，制得正极片。
负极片的制备：
将负极活性物质石墨、导电剂乙炔黑、粘接剂丁苯橡胶乳液和增稠剂羧甲基纤维素钠按照质量比例94∶1.5∶2.5∶2加入溶剂水中混合均匀，搅拌均匀后制得负极浆料。然后将负极浆料涂覆在Cu箔(厚度为16μm)上，然后进行辊压、切片、烘干和焊接负极极耳12等操作，制得负极片。
电子绝缘膜采用厚度为16μm的聚丙烯(PP)微孔膜。
参比电芯2的制备，参比电芯2为正极片，其制备方法如下：
将正极活性材料镍钴锰酸锂(LiNi0.3Co0.4Al0.3O2)，导电剂乙炔黑，粘接剂聚偏氟乙烯(PVDF)按照质量比例96∶1.5∶2.5加入溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中分散均匀，制得正极浆料。然后将正极浆料涂覆在Al箔(厚度为12μm)上，然后进行辊压、切片、烘干、焊接第一极耳21和第二极耳22等操作，制得正极片，也就是参比电芯2。
四电极锂离子电池的制备：
如图1和2所示，将工作电芯1和参比电芯2封装在同一包装袋3内，所述包装袋3为铝塑薄膜，然后注入电解液，化成，老化，容量后制得四电极锂离子电池，所述工作电芯1和参比电芯2之间设有电子绝缘膜4，所述正极极耳11和负极极耳12位于所述包装袋3的一端，所述第一极耳21和第二极耳22位于所述包装袋3的另一端，所述电子绝缘膜4的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，厚度为16μm。
将参比电芯2充电至半充状态，然后将正极极耳11和负极极耳12同时与第一极耳21连接，对锂离子电池正负极电位进行监控，如图3所示。
实施例2
工作电芯1的制备同实施例1。
参比电芯2的制备，参比电芯2为负极片，其制备方法如下：
将负极活性物质软碳、导电剂乙炔黑、粘接剂丁苯橡胶乳液和增稠剂羧甲基纤维素钠按照质量比例94∶1.5∶2.5∶2加入溶剂水中混合均匀，搅拌均匀后制得负极浆料。然后将负极浆料涂覆在Cu箔(厚度为16μm)上，然后进行辊压、切片、烘干和焊接第一极耳21和第二极耳22等操作，制得负极片，即参比电芯2。
四电极锂离子电池的制备：
如图1所示，将工作电芯1和参比电芯2封装在同一包装袋3内，所述包装袋3为钢壳，然后注入电解液，化成，老化，容量后制得四电极锂离子电池，所述工作电芯1和参比电芯2之间设有电子绝缘膜4，所述正极极耳11和负极极耳12位于所述包装袋3的一端，所述第一极耳21和第二极耳22位于所述包装袋3的另一端，所述电子绝缘膜4的材质为聚碳酸酯(PC)，厚度为16μm。
将参比电芯2充电至半充状态，然后将正极极耳11和负极极耳12同时与第二极耳22连接，对锂离子电池正负极电位进行监控，如图4所示。
实施例3
工作电芯1的制备同实施例1。
参比电芯2的制备：
正极片的制备：
将正极活性材料镍钴锰酸锂(LiNi0.4Co0.4Al0.2O2)，导电剂乙炔黑，粘接剂聚偏氟乙烯(PVDF)按照质量比例96∶1.5∶2.5加入溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中分散均匀，制得正极浆料。然后将正极浆料涂覆在Al箔(厚度为12μm)上，然后进行辊压、切片、烘干、焊接第一极耳21等操作，制得正极片。
负极片的制备：
将负极活性物质硬碳、导电剂乙炔黑、粘接剂丁苯橡胶乳液和增稠剂羧甲基纤维素钠按照质量比例94∶1.5∶2.5∶2加入溶剂水中混合均匀，搅拌均匀后制得负极浆料。然后将负极浆料涂覆在Cu箔(厚度为16μm)上，然后进行辊压、切片、烘干和焊接第二极耳22等操作，制得负极片.
电子绝缘膜采用聚碳酸酯(PC)，厚度为20μm。
四电极锂离子电池的制备：
如图1所示，将工作电芯1和参比电芯2封装在同一包装袋3内，所述包装袋3为铝壳，然后注入电解液，化成，老化，容量后制得四电极锂离子电池，所述工作电芯1和参比电芯2之间设有电子绝缘膜4，所述正极极耳11和负极极耳12位于所述包装袋3的一端，所述第一极耳21和第二极耳22位于所述包装袋3的另一端，所述电子绝缘膜4的材质为聚乙烯(PE)，厚度为16μm。
将参比电芯2充电至半充状态，然后将正极极耳11和负极极耳12分别与第一极耳21和第二极耳22连接，对锂离子电池正负极电位进行监控，如图5所示。
实施例4
工作电芯1的制备同实施例1。
参比电芯2的制备：
正极片的制备：
将正极活性材料锰酸锂(LiMn2O4)，导电剂乙炔黑，粘接剂聚偏氟乙烯(PVDF)按照质量比例96∶1.5∶2.5加入溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中分散均匀，制得正极浆料。然后将正极浆料涂覆在Al箔(厚度为12μm)上，然后进行辊压、切片、烘干、焊接第一极耳21等操作，制得正极片。
负极片的制备：
将负极活性物质钛酸锂、导电剂乙炔黑、粘接剂丁苯橡胶乳液和增稠剂羧甲基纤维素钠按照质量比例94∶1.5∶2.5∶2加入溶剂水中混合均匀，搅拌均匀后制得负极浆料。然后将负极浆料涂覆在Cu箔(厚度为16μm)上，然后进行辊压、切片、烘干和焊接第二极耳22等操作，制得负极片.
电子绝缘膜采用聚丙烯(PP)，厚度为16μm。
四电极锂离子电池的制备：
如图1所示，将工作电芯1和参比电芯2封装在同一包装袋3内，所述包装袋3为铝壳，然后注入电解液，化成，老化，容量后制得四电极锂离子电池，所述工作电芯1和参比电芯2之间设有电子绝缘膜4，所述正极极耳11和负极极耳12位于所述包装袋3的一端，所述第一极耳21和第二极耳22位于所述包装袋3的另一端，所述电子绝缘膜4的材质为聚乙烯(PE)，厚度为16μm。
将参比电芯2充电至半充状态，然后将正极极耳11和负极极耳12分别与第二极耳22和第一极耳21连接，对锂离子电池正负极电位进行监控，如图6所示。
需要说明的是，根据上述说明书的揭示和阐述，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些等同修改和变更也应当在本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (5)

1. 一种监控锂离子电池正负极电位的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，四电极锂离子电池的制备：将工作电芯（1）和参比电芯（2）封装在同一包装袋（3）内，注入电解液，化成，老化，容量后制得四电极锂离子电池，所述工作电芯（1）和参比电芯（2）之间设有电子绝缘膜（4），所述工作电芯（1）的前端设有正极极耳（11）和负极极耳（12），所述参比电芯（2）的前端设有第一极耳（21）和第二极耳（22）；
第二步，锂离子电池正负极电位的监控：对参比电芯（2）进行充放电，然后将正极极耳（11）和负极极耳（12）分别与第一极耳（21）和第二极耳（22）中的任意一个连接，对锂离子电池正负极电位进行监控；
所述参比电芯（2）为正极片、负极片或包括正极片、负极片和间隔于正极片和负极片之间的电子绝缘膜；
所述参比电芯（2）的正负极极片为任一具有充放电平台并能嵌脱锂离子的活性材料；正极活性物质选自LiXO2、LiMn2O4、LiNiaCobMncO2和LiNiaCobAlcO2，其中，X为Ni、Co或Mn，a+b+c=1；负极活性物质选自石墨、软碳、硬碳、Li4Ti5O12和合金；
第二步所述对参比电芯（2）进行充放电为将参比电芯（2）充放电至半充状态。
2.根据权利要求1所述的监控锂离子电池正负极电位的方法，其特征在于：所述正极极耳（11）和负极极耳（12）位于所述包装袋（3）的一端，所述第一极耳（21）和第二极耳（22）位于所述包装袋（3）的另一端。
3.根据权利要求1所述的监控锂离子电池正负极电位的方法，其特征在于：所述工作电芯（1）包括正极片、负极片和间隔于正极片和负极片之间的电子绝缘膜。
4.根据权利要求1所述的监控锂离子电池正负极电位的方法，其特征在于：所述包装袋（3）为铝塑薄膜、钢壳或铝壳。
5.根据权利要求1所述的监控锂离子电池正负极电位的方法，其特征在于：所述电子绝缘膜（4）的材质为聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚碳酸酯（PC）或聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。
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