CN102945986A - 锂离子电池充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种锂离子电池充电方法，包括以下步骤：第一步，测试电池在稳态充电过程中的电压-充电容量百分比曲线，确定电压平台区间和电压非平台区间；第二步，在电压非平台区间内，以第一充电倍率对电池进行充电；在电压平台区间内，以第二充电倍率对电池进行充电，第二充电倍率和第一充电倍率的比值为1.2-4，并且第一充电倍率为0.2C-0.7C。相对于现有技术，本发明在电池充电过程中的电压平台区间和电压非平台区间分别采用不同的充电倍率进行充电，可以在不影响电池的能量密度与循环性能的前提下，有效地缩短充电时间。另外，本发明在充电过程中具有温升相对较低，容量相对较大的优点。

Description

锂离子电池充电方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种能够缩短电池充电时间的锂离子电池充电方法。
背景技术
随着现代社会与科学技术的不断发展，笔记本电脑、平板电脑与手机等电子产品得到比较广泛的应用，而锂离子电池作为一种绿色电源，因其具有能量密度高和循环寿命长等优点，被广泛地应用于各种电子产品中。
然而，当前电子产品的竞争日趋激烈，在这种情况下，电子产品必须具有竞争优势才能拥有市场，以笔记本电脑电池为例，目前具有市场竞争力的产品的充电方式已经从标准充电方式变成大倍率快速充电方式，以达到节省充电时间的目的。但目前市场上采用的大倍率快速充电方式（或称之为“快充模式”）仅仅局限于用一个单一的大倍率电流进行充电，例如，目前的快充模式是在某个温度下采用一大倍率电流进行恒流充电，从初始电压开始充电，一直到上限截止电压结束，电流一直不变。虽然这种充电方式比较简单，但是，采用这种充电方法对电池进行充电时，由于电池在不同阶段的极化不同，因此导致充电过程中锂离子不能达到“均衡”充电，也就是说，在本该可以快速充电的时候，却没有快速充电，在本不能快速充电的过程中，却存在快速充电。因此，这种充电方法对电池性能有较大的影响，一个比较明显的影响是电池容量的降低，这是由于电池中不可避免的存在着欧姆极化、电化学极化以及浓差极化，当采用一个比较大的充电倍率时，电池浓差极化与电化学极化则相应增加，极片中的Li+ 迁移受阻，在规定的时间内可供嵌入或脱嵌的Li+ 数量降低，从而导致电池容量降低许多。除此之外，这种充电方式对电池的循环性能也会造成较大的影响。同时，如果一直采用一个比较大的倍率电流进行充电，电池温升也会比较高。
为了解决上述问题，现有的技术方案中提出一些改进措施，比如可以通过降低电池的极化，以消除电池在充电过程中的电化学极化与浓差极化，但是这种方法却在一定程度上降低了电池的能量密度。
有鉴于此，确有必要提供一种在不影响电池的能量密度与循环性能的前提下，能够有效缩短充电时间的锂离子电池充电方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种锂离子电池充电方法，该方法能够在不影响电池的能量密度与循环性能的前提下，有效地缩短充电时间。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种锂离子电池充电方法，包括以下步骤，第一步，测试电池在稳态充电过程中的电压-充电容量百分比曲线，确定电压平台区间和电压非平台区间，所述电压平台区间的电压变化斜率小于0.6，所述电压非平台区间的电压变化斜率大于或等于0.6；第二步，在电压非平台区间内，以第一充电倍率对电池进行充电；在电压平台区间内，以第二充电倍率对电池进行充电，第二充电倍率和第一充电倍率的比值为1.2-4，并且第一充电倍率为0.2C-0.7C。
具体的，充电倍率需要根据电压平台区间而进行调整，在充电过程中，不区分充电倍率先后次序：可以先在电压非平台区间以小倍率或正常倍率进行充电，当充电至电压平台区间时，充电倍率再跃至大倍率进行充电；也可以先在电压平台区间以大倍率进行充电，当充电至电压非平台区间时，充电倍率再降至小倍率或正常倍率进行充电。但需要注意的是，当平台比较高时，大倍率的选用标准应以不超过锂离子电池析锂时的倍率为准，或者说，充电末端，充电倍率应恢复到正常或标准倍率进行充电。
作为本发明锂离子电池充电方法的一种改进，第二充电倍率小于锂离子电池析锂时的倍率。
作为本发明锂离子电池充电方法的一种改进，所述电压平台区间为一个，所述电压非平台区间为两个，并且所述电压平台区间连接于两个所述电压非平台区间之间。电池在进行充电时，电压上升区间会出现一个或多个电压平台区间，充电倍率应根据电压平台区间的电压变化斜率进行选择，当电压平台区间的电压变化斜率越小时，也即平台越平时，充电倍率应越大，但最大倍率应以不超过锂离子电池析锂时的倍率为准。
作为本发明锂离子电池充电方法的一种改进，第一充电倍率为0.5C-0.7C，第二充电倍率为1.3C-2.0C。
作为本发明锂离子电池充电方法的一种改进，所述电压平台区间和所述电压非平台区间均为两个，两个所述电压平台区间相互连接后连接于两个所述电压非平台区间之间。
作为本发明锂离子电池充电方法的一种改进，第一充电倍率为0.5C-0.7C，第二充电倍率为1.3C-1.8C。
作为本发明锂离子电池充电方法的一种改进，当所述电压平台区间的电压变化斜率小于0.2时，第二充电倍率为1.8C-2.0C。当电压平台区间的电压变化斜率越小时，也即平台越平时，锂离子电池中的扩散极化越小，因此充电倍率可以越大，从而大大能缩短充电所花费的时间，同时又不会对电池的容量和能量密度造成大的影响。
作为本发明锂离子电池充电方法的一种改进，当所述电压平台区间的电压变化斜率大于或等于0.2且小于0.6时，第二充电倍率为1C-1.3C。当电压平台区间的电压变化斜率较大时，锂离子电池中的扩散极化较大，需要适当较小充电倍率，以免影响电池的容量。
相对于现有技术，本发明在电池充电过程中的电压平台区间和电压非平台区间分别采用不同的充电倍率进行充电，即，在电压非平台区间采用较小的倍率进行充电，而在电压平台区间则采用较大的倍率进行充电，可以在不影响电池的能量密度与循环性能的前提下，有效地缩短充电时间。这是因为在非平台区间充电时，锂离子在电极中的扩散系数随电池的极化变化比较大，形成了一个由于非稳态扩散引起的极化过程，为消除这种非稳态扩散极化，防止极化的加剧，在该区间内选择了较小的充电倍率；而在电压平台区间时，锂离子扩散路径缩短，这有利于锂离子的扩散，可以在一定程度上降低由扩散引起的极化，在此段平台电压区间内，扩散极化变小，因此可以增加充电倍率，以缩短充电时间。另外，本发明在充电过程中具有温升相对较低，容量相对较大的优点。
附图说明
图1是本发明实施例1所用的电池的电压-充电容量百分比曲线。
图2是根据图1中的电压变化斜率的不同而采取的不同恒流倍率充电的特征曲线。
具体实施方式
实施例1：本实施例提供一种锂离子电池的充电方法，其中，锂离子电池的阳极活性物质为石墨，阴极活性物质为m LiNixMnyCo1-（ x + y）O2·（1-m）LiCo1-xMxO2, 其中，0≤m≤1, x<1，x + y <1，M为Cr，Co，Al，Mg，Zn，Fe和Gr等中的至少一种。
该方法包括如下步骤：第一步，测试电池在稳态充电过程中的电压-充电容量百分比曲线如图1所示，由图1可知该电池在充电过程中的电压范围如下：在3.00—3.50 V的电压区间内，电压的变化斜率K1为3.73, 对应于第一电压非平台区间；在3.50—3.75V的电压区间内, 电压的变化斜率K2为0.58，对应于第一电压平台区间；在3.75—3.85V的电压区间内, 电压的变化斜率K3为0.27，对应于第二电压平台区间；在3.85—4.20V的电压区间内，电压的变化斜率K4为0.70，对应于第二电压非平台区间。
第二步，确定好几个电压平台区间和电压非平台区间之后，如图2所示，采用如下方式充电：在第一电压非平台区间内以0.5C（I1）进行充电，在第一电压平台区间内以1.3C（I2）进行充电，在第二电压平台区间内以1.5C（I3）进行充电, 在第二电压非平台区间内以0.7C（I4）充电并恒压充电至0.05C。
实施例2：本实施例提供一种锂离子电池的充电方法，其中，锂离子电池的阳极活性物质为石墨，阴极活性物质为m LiNixMnyCo1-（ x + y）O2·（1-m）LiCo1-xMxO2, 其中，0≤m≤1, x<1，x + y <1，M为Cr，Co，Al，Mg，Zn，Fe和Gr等中的至少一种。
该方法包括如下步骤：第一步，测试电池在稳态充电过程中的电压-充电容量百分比曲线，由曲线可知该电池在充电过程中的电压范围如下：在3.00—3.65 V的电压区间内，电压的变化斜率K1为2.5, 对应于第一电压非平台区间；在3.65—3.85V的电压区间内, 电压的变化斜率K2为0.25，对应于第一电压平台区间；在3.85—4.20V的电压区间内, 电压的变化斜率K3为0.80，对应于第二电压非平台区间。
第二步，确定好几个电压平台区间和电压非平台区间之后，采用如下方式充电：在第一电压非平台区间内以0.5C进行充电，在第一电压平台区间内以1.3C进行充电，在第二电压非平台区间内以0.7C充电并恒压充电至0.05C。
实施例3：本实施例提供一种锂离子电池的充电方法，其中，锂离子电池的阳极活性物质为石墨，阴极活性物质为m LiNixMnyCo1-（ x + y）O2·（1-m）LiCo1-xMxO2, 其中，0≤m≤1, x<1，x + y <1，M为Cr，Co，Al，Mg，Zn，Fe和Gr等中的至少一种。
该方法包括如下步骤：第一步，测试电池在稳态充电过程中的电压-充电容量百分比曲线，由曲线可知该电池在充电过程中的电压范围如下：在3.00—3.65 V的电压区间内，电压的变化斜率K1为3.1, 对应于第一电压非平台区间；在3.65—3.85V的电压区间内, 电压的变化斜率K2为0.22，对应于第一电压平台区间；在3.85—4.20V的电压区间内, 电压的变化斜率K3为0.90，对应于第二电压非平台区间。
第二步，确定好几个电压平台区间和电压非平台区间之后，采用如下方式充电：在第一电压非平台区间内以0.3C进行充电，在第一电压平台区间内以1.5C进行充电，在第二电压非平台区间内以0.7C充电并恒压充电至0.05C。
实施例4：本实施例提供一种锂离子电池的充电方法，其中，锂离子电池的阳极活性物质为石墨，阴极活性物质为m LiNixMnyCo1-（ x + y）O2·（1-m）LiCo1-xMxO2, 其中，0≤m≤1，x<1，x + y <1，M为Cr，Co，Al，Mg，Zn，Fe和Gr等中的至少一种。
该方法包括如下步骤：第一步，测试电池在稳态充电过程中的电压-充电容量百分比曲线，由曲线可知该电池在充电过程中的电压范围如下：在3.00—3.65 V的电压区间内，电压的变化斜率K1为2.7, 对应于第一电压非平台区间；在3.65—4.00V的电压区间内, 电压的变化斜率K2为0.15，对应于第一电压平台区间；在4.00—4.20V的电压区间内, 电压的变化斜率K3为0.65，对应于第二电压非平台区间。
第二步，确定好几个电压平台区间和电压非平台区间之后，采用如下方式充电：在第一电压非平台区间内以0.5C进行充电，在第一电压平台区间内以2.0C进行充电，在第二电压非平台区间内以0.6C充电并恒压充电至0.05C。
实施例5：本实施例提供一种锂离子电池的充电方法，其中，锂离子电池的阳极活性物质为石墨，阴极活性物质为m LiNixMnyCo1-（ x + y）O2·（1-m）LiCo1-xMxO2, 其中，0≤m≤1, x<1，x + y <1，M为Cr，Co，Al，Mg，Zn，Fe和 Gr等中的至少一种。该方法包括如下步骤：第一步，测试电池在稳态充电过程中的电压-充电容量百分比曲线，由曲线可知该电池在充电过程中的电压范围如下：在3.00—3.50 V的电压区间内，电压的变化斜率K1为3.5, 对应于第一电压非平台区间；在3.50—3.75V的电压区间内, 电压的变化斜率K2为0.51，对应于第一电压平台区间；在3.75—3.85V的电压区间内, 电压的变化斜率K3为0.18，对应于第二电压平台区间；在3.85—4.20V的电压区间内，电压的变化斜率K4为0.75，对应于第二电压非平台区间。
第二步，确定好几个电压平台区间和电压非平台区间之后，采用如下方式充电：在第一电压非平台区间内以0.5C进行充电，在第一电压平台区间内以1.5C进行充电，在第二电压平台区间内以1.8C进行充电, 在第二电压非平台区间内以0.7C充电并恒压充电至0.05C。
实施例6：本实施例提供一种锂离子电池的充电方法，其中，锂离子电池的阳极活性物质为石墨，阴极活性物质为m LiNixMnyCo1-（ x + y）O2·（1-m）LiCo1-xMxO2， 其中，0≤m≤1，x<1，x + y <1，M为Cr，Co，Al，Mg，Zn，Fe和Gr等中的至少一种。
该方法包括如下步骤：第一步，测试电池在稳态充电过程中的电压-充电容量百分比曲线，由曲线可知该电池在充电过程中的电压范围如下：在3.00—3.50 V的电压区间内，电压的变化斜率K1为3.8, 对应于第一电压非平台区间；在3.50—3.75V的电压区间内, 电压的变化斜率K2为0.58，对应于第一电压平台区间；在3.75—3.85V的电压区间内, 电压的变化斜率K3为0.19，对应于第二电压平台区间；在3.85—4.20V的电压区间内，电压的变化斜率K4为0.78，对应于第二电压非平台区间。
第二步，确定好几个电压平台区间和电压非平台区间之后，采用如下方式充电：在第一电压非平台区间内以0.5C进行充电，在第一电压平台区间内以1.3C进行充电，在第二电压平台区间内以1.8C进行充电, 在第二电压非平台区间内以0.7C充电并恒压充电至0.05C。
对比例：本对比例提供一种锂离子电池的充电方法，其中，锂离子电池的阳极活性物质为石墨，阴极活性物质为m LiNixMnyCo1-（ x + y）O2·（1-m）LiCo1-xMxO2, 其中，0≤m≤1，x<1，x + y <1，M为Cr，Co，Al，Mg，Zn，Fe和Gr等中的至少一种。
该方法包括以下步骤：该电池在充电过程中的电压范围如下：在3.00—3.65 V的电压区间内，电压的变化斜率K1为3.1, 对应于第一电压非平台区间；在3.65—4.00V的电压区间内, 电压的变化斜率K2为0.22，对应于第一电压平台区间；在4.00—4.20V的电压区间内, 电压的变化斜率K3为0.90，对应于第二电压非平台区间。然后采用如下充电方式进行充电：从3.0—4.2V一直使用0.5C充电至4.2V并恒压充电至0.05C。
统计采用实施例1至6和对比例的充电方法对电池充电所需要的时间和充电容量，并计算出实施例1至6分别相较于对比例所节省的时间和充电容量相对于正常充电容量的变化，所得结果示于表1。
从表1可以看出，采用标准倍率正常充电时（对比例），需要约145min才完成充电。而根据电压斜率变化采取不同的充电倍率时，可以明显地节省充电时间（见实施例1至6），虽然实施例1至6中的电池的充电容量略微会有所降低，但相比于充电时间的减少来说，降低的容量变化率相对较少，甚至可以忽略不计。
表1：实施例1至6和对比例的充电方法所用时间和充电容量的对比。
Figure 15652DEST_PATH_IMAGE001
 综上所述，本发明在电池充电过程中的电压平台区间和电压非平台区间分别采用不同的充电倍率进行充电，即，在电压非平台区间采用较小的倍率进行充电，而在电压平台区间则采用较大的倍率进行充电，可以在不影响电池的能量密度与循环性能的前提下，有效地缩短充电时间。这是因为在非平台区间充电时，锂离子在电极中的扩散系数随电池的极化变化比较大，形成了一个由于非稳态扩散引起的极化过程，为消除这种非稳态扩散极化，防止极化的加剧，在该区间内选择了较小的充电倍率；而在电压平台区间时，锂离子扩散路径缩短，这有利于锂离子的扩散，可以在一定程度上降低由扩散引起的极化，在此段平台电压区间内，扩散极化变小，因此可以增加充电倍率，以缩短充电时间。另外，本发明在充电过程中具有温升相对较低，容量相对较大（相较于单纯采用大倍率充电的充电方式而言）的优点。
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 (8)

1.一种锂离子电池充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，测试电池在稳态充电过程中的电压-充电容量百分比曲线，确定电压平台区间和电压非平台区间，所述电压平台区间的电压变化斜率小于0.6，所述电压非平台区间的电压变化斜率大于或等于0.6；
第二步，在电压非平台区间内，以第一充电倍率对电池进行充电；在电压平台区间内，以第二充电倍率对电池进行充电，第二充电倍率和第一充电倍率的比值为1.2-4，并且第一充电倍率为0.2C-0.7C。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池充电方法，其特征在于：第二充电倍率小于锂离子电池析锂时的倍率。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池充电方法，其特征在于：所述电压平台区间为一个，所述电压非平台区间为两个，并且所述电压平台区间连接于两个所述电压非平台区间之间。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池充电方法，其特征在于：第一充电倍率为0.5C-0.7C，第二充电倍率为1.3C-2.0C。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池充电方法，其特征在于：所述电压平台区间和所述电压非平台区间均为两个，两个所述电压平台区间相互连接后连接于两个所述电压非平台区间之间。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池充电方法，其特征在于：第一充电倍率为0.5C-0.7C，第二充电倍率为1.3C-1.8C。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池充电方法，其特征在于：当所述电压平台区间的电压变化斜率小于0.2时，第二充电倍率为1.8C-2.0C。
8.根据权利要求1所述的锂离子电池充电方法，其特征在于：当所述电压平台区间的电压变化斜率大于或等于0.2且小于0.6时，第二充电倍率为1 C- 1.3 C。
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