CN102810700B - 锂离子电池分步充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种锂离子电池分步充电方法，其包括以下步骤：第一步，用电流Ia将电池恒流充电至容量Capa，静置时间为ta，第二步，用电流Ib将电池继续恒流充电至容量Capb，静置时间为tb，第三步，用电流Ic将电池继续恒流充电至容量Capc，静置时间为tc，第四步，用电流Id以恒流的方式将电池充电至指定电位，然后在此指定电位下恒压充电；本发明在不改变电池原有结构的情况下，也能达到改善电池高低温性能的效果。本发明能在较短时间内达到较高充电状态，同时使电池表面温升相对均匀，减少电池在快速充电过程中由于极化造成的温升以及析锂对于电池性能发挥的影响。

Description

锂离子电池分步充电方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种能够快速充放电的锂离子电池体系的分步充电方法。
背景技术
锂离子电池运用范围的不断扩大，对于其运用条件的要求也愈加苛刻。随之而来的是锂电池行业必须解决的，如何提升锂电池在低温下的循环要求；如何解决锂电池在快速充电过程中，造成的可能影响循环性能的温升问题。这都是本行业面临的机遇和挑战。
为了解决上述问题，锂电工作者在改变电池活性材料，集流体厚度，及优化电解液成分等方面做了大量的工作，使电池的高低温性能得到很大的改善。但同时也造成电池成本的提高，并使相关工艺更加复杂。在不改变锂电池原有配方和结构的基础上，通过改变充电条件，也能达到一定的优化效果。
现有的充电是一种通过恒定电流持续充电至某一电位后在此电位恒压充电的方式。如图1-2所示，这种充电方式会使阴极电位不断升高，而阳极电位不断下降。当阳极电位达到0V以下时，会造成锂离子在阳极表面还原成锂金属而析出。特别是在低温条件下，由于锂电池自身离子和电子导电能力的下降，充电过程中会引起极化程度的加剧，持续充电的方式，会使得这种极化表现的愈加明显，同时增加了析锂形成的可能性，而锂枝晶在电极表面的积累，会极大地威胁到电池的安全性能；同时，持续的充电会引起由于充电而形成热的不断积累，造成电池内部温度的不断上升，当温度超过一定限度，会使电池性能的发 挥受到限制，同时增加了安全风险的威胁。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足而提供一种分步充电方法，在不增加电池设计成本的同时，不但能够改善低温循环系能，也能够削弱电池自身温度的持续上升，为锂离子电池更加安全的使用提供了保障。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种锂离子电池分步充电方法，其包括以下步骤：
第一步，用电流Ia将电池恒流充电至容量Capa，静置时间为ta，
第二步，用电流Ib将电池继续恒流充电至容量Capb，静置时间为tb，
第三步，用电流Ic将电池继续恒流充电至容量Capc，静置时间为tc，
第四步，用电流Id以恒流的方式将电池充电至指定电位，然后在此指定电位下恒压充电；
所述的电流Ia＝[(V临界-OCVa)/Ra]*Ka，Ib＝[(V临界-OCVb)/Rb]*Kb，Ic＝Capc/tc/Kc，Ic≥Id≥Capc/tc；其中，V临界是指在对电池进行充电出现析锂的临界电位，OCVa和OCVb指分步充电过程中电池的充电起始电压，Ra和Rb指在两种不同的充电起始状态时电池引起极化的阻抗能力，Ka、Kb和Kc均为电流校正系数；
所述的ta为0～5min，tb为0～5min，tc为0～5min；
所述的Ka为0.5～2.0，所述Kb为0.5～2.0，所述Kc为0.5～2.0。
相对于现有技术：本发明通过在充电的过程中引入静置，以缓解持续充电中可能由极化引起的析锂影响；通过在充电过程中的静置，减弱生成热的持续积累的影响，以达到降温的效果。
作为本发明的一种改进，所述的容量Capa≤Capb≤Capc≤Capd。
作为本发明的一种改进，所述的容量Capa＝Capd时，采用第一步和第四步共两步充电的方法。
作为本发明的一种改进，所述的容量Capb＝Capd时，采用第一步、第二步和 第四步共三步充电方式。
作为本发明的一种改进，所述的容量Capc＝Capd时，采用第一步、第二步、第三步和第四步共四步充电方式。
附图说明
图1：现有技术充电过程中阴-阳极电极电位随时间变化模拟曲线；
图2：现有技术充电过程中充电电压随时间变化模拟曲线；
图3：本发明充电过程中阴-阳极电极电位随时间变化模拟曲线；
图4：本发明充电过程中充电电压随时间变化模拟曲线；
图5：本发明充电过程中充电电池表面温升随时间变化模拟曲线之一；
图6：本发明充电过程中充电电池表面温升随时间变化模拟曲线之二。
具体实施方式
本发明提及的锂电池工艺及工具与传统工艺使用的基本相同，只是对充电方式进行了改进和研究，进而改善电池本身的电化学性能。
实施例1
一种由阴极、阳极、隔膜、电解液及包装壳，再通过组装、化成及陈化等工艺制成的电池。常温条件下，此电池的满充充电容量(SOC)为2500mAh；V临界被认定为4.0V；OCVa为3.45V；Ra为0.08Ω；Ka与Kb分别为0.807和1.000；取Capa约为30％SOC；OCVb定为3.65V；Rb为0.07Ω；Kc取0.950；取Capb和Capc分别约为50％SOC和80％SOC；ta，tb和tc分别取0.5min.，1min.和1min.；并定义充电至Capd为80％SOC时，td为30min.(30min.内充电至80％SOC，所使用的最小电流相当于1.6C)。通过计算我们可以分别计算出相关数值，即：
第一步、使用电流5.55A将电池恒流充电8min，静置0.5min.
第二步、使用电流5A将电池继续恒流充电6min，静置1min
第三步、使用电流4.25A将电池继续恒流充电7min，静置1min
第四步、使用电流4.25A恒流充电至4.2V转恒压充电，至电流降至0.15A。
对按上述方法对锂离子电池进行充电测试，测试结果参见表1。
表1
结合表1和图1至图5，本发明能在分步充电过程中为电池提供弛豫时间，以削弱电池极化的影响；本发明使电池的产热不再持续积累，充电过程的温升更加平均化；在与1.6C充电方式充电过程相比，现有技术1.6C恒流充电的温升最大值ΔT1相对于分步充电过程的温升最高值ΔT2大2～4℃，而充电时间相差仅为1分钟左右。同时也可将分步充电中的电流Ia(5.55A)，Ib(5A)，Ic(4.25A)设置为每步充电过程的平均电流，同样可以得到相近结果。
实施例2
一种由阴极、阳极、隔膜、电解液及包装壳，再通过组装、化成及陈化等工艺制成的电池。常温条件下，此电池的满充充电容量SOC为180mAh；V临界被认定为3.85V；OCVa为3.25V；Ra为0.8Ω；Ka与Kb分别为1.000和1.000；OCVb定为3.60V；可取Capa约为35％SOC；Rb为0.7Ω；Kc取0.930；Capb与Capc分别约为60％SOC和80％SOC；ta，tb和tc分别取0.5min.，1min.和1min.并定义充电至Capd为80％SOC时，td为20min.(20min.内充电至80％SOC，所 使用的最小充电电流相当于2.4C)。
通过计算我们可以分别计算出相关数值，即：
第一步、使用电流750mA将电池恒流充电5min.，静置0.5min..
第二步、使用电流500mA将电池继续恒流充电5.5min.，静置1min..
第三步、使用电流430mA将电池继续恒流充电5min.，静置1min..
第四步、使用电流400mA恒流充电至4.2V转恒压充电，至电流降至15mA。
按上述方法对锂离子电池进行充电测试，测试结果参见表2
表2
结合表2和图1至图4及图6，本发明能在分步充电过程中为电池提供弛豫时间，以削弱电池极化的影响；本发明使电池的产热不再持续积累，充电过程的温升更加平均化；在与2.4C充电方式充电过程相比，分步充电过程的温升最大值ΔT4相对于传统2.4C恒流充电的温升最大值ΔT3小1-3℃，而充电时间基本相同。同时也可将分步充电中的电流Ia(750mA)，Ib(500mA)，Ic(430mA) 设置为每步充电过程的平均电流，同样可以得到相似结果。
实施例3
一种由阴极、阳极、隔膜、电解液及包装壳，再通过组装、化成及陈化等工艺制成的电池。常温条件下，此电池的满充充电容量SOC为180mAh；V临界被认定为3.85V；OCVa为3.25V；Ra为0.8Ω；取Capa为80％SOC，同时Capd为80％SOC。ta和td分别取2.0min和20min.
通过计算我们可以分别计算出相关数值，即：
第一步、使用电流750mA将电池恒流充电11.5min.，静置2.0min.
第四步、使用电流430mA恒流充电至4.2V转恒压充电，至电流降至15mA。
同样可以达到快速充电的效果。
实施例4
一种由阴极、阳极、隔膜、电解液及包装壳，再通过组装、化成及陈化等工艺制成的电池。常温条件下，此电池的满充充电容量SOC为180mAh；V临界被认定为3.85V；OCVa为3.25V；Ra为0.8Ω；Ka与Kb分别为1.000和1.000；OCVb定为3.60V；可取Capa约为35％SOC；Rb为0.7Ω；Capb与Capd均为80％SOC和80％SOC；ta与tb分别取0.5min.和1.5min.；
通过计算我们可以分别计算出相关数值，即：
第一步、使用电流750mA将电池恒流充电5min.，静置0.5min..
第二步、使用电流500mA将电池继续恒流充电9.7min.，静置1.5min..
第四步、使用电流430mA恒流充电至4.2V转恒压充电，至电流降至15mA。
同样可以达到快速充电的效果。
对比例
一种由阴极、阳极、隔膜、电解液及包装壳，再通过组装、化成及陈化等 工艺制成的电池。在低温条件下，以传统的持续恒流充电加恒压充电的充电方式下进行充电，当充电电流超过一定倍率时，电池阳极表面会出析锂现象。结合析锂临界电位V临界以及电池在对应温度下本身极化Ra情况，能够计算出在对应条件下不出现析锂的最大充电电流，使用相应的分布充电方式，便能有效降低可能由析锂引发的危险。
利用本发明方法对锂离子电池进行充电，除了能够缓解电池充电过程产热对电池性能的影响，还能够提高电池的低温充电性能，实验表明在低温条件下由极化造成的析锂有所减少，能够有效拓展锂离子电池的充电温度范围。故本发明通过宏观调控充电过程中电流和SOC的变化情况，适当加入静置弛豫的步骤，能够避免锂离子电池由于快速充电产热积累出现峰值的情况，同时能够改善低温充电过程中由于极化造成的析锂情况，为锂离子电池更加安全合理的使用提供了新的方案。
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)

1.一种锂离子电池分步充电方法，其特征在于：其包括以下步骤：
第一步，用电流Ia将电池恒流充电至容量Capa，静置时间为ta，
第二步，用电流Ib将电池继续恒流充电至容量Capb，静置时间为tb，
第三步，用电流Ic将电池继续恒流充电至容量Capc，静置时间为tc，
第四步，用电流Id以恒流的方式将电池充电至指定电位，然后在此指定电位下恒压充电，定义充电至容量Capd；
所述的电流Ia＝[(V临界-OCVa)/Ra]*Ka，Ib＝[(V临界-OCVb)/Rb]*Kb，Ic＝Capc/tc/Kc，Ic≥Id≥Capc/tc；其中，V临界是指在对电池进行充电出现析锂的临界电位，OCVa和OCVb指分步充电过程中电池的充电起始电压，Ra和Rb指在两种不同的充电起始状态时电池引起极化的阻抗能力，Ka、Kb和Kc均为电流校正系数；
所述的ta为0～5min，tb为0～5min，tc为0～5min，并且ta、tb、tc中的至少一个不为0；
所述的Ka为0.5～2.0，所述Kb为0.5～2.0，所述Kc为0.5～2.0。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池分步充电方法，其特征在于：所述的容量Capa＜Capb＜Capc＜Capd。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池分步充电方法，其特征在于：所述的容量Capa＝Capd时，采用第一步和第四步共两步充电的方法。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池分步充电方法，其特征在于：所述的容量Capb＝Capd时，采用第一步、第二步和第四步共三步充电方式。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池分步充电方法，其特征在于：所述的容量Capc＝Capd时，采用第一步、第二步、第三步和第四步共四步充电方式。
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