CN103293484A - 一种通过放热量测试快速评价锂离子电池性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过放热量快速评价锂离子电池性能的方法。本发明首先需根据待评价电池的待评价性能设计放热量测试方案，通过不同电池或同一电池在不同状态下的放热量测试数据对比，根据放热量高电池性能较差，放热量低电池性能较优的原则进行评价；通过观测电池在充放电过程中电池温度的变化，即可根据电池的比热、质量和温度增长值，计算出电池在整个测试过程中放出（吸收）的热量，Q=Cp·m·ΔT，最终评价的依据是在相同的充放电流程中，放热量低的电池性能较优，放热量高的电池性能较差。本发明可应用于锂离子电池开发设计中的正极、负极、电解液等材料体系的优化，以及电池结构设计及制作工艺参数优化等对电池特定性能影响的评价。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池性能快测评领域，更具体的说，是涉及一种通过放热量测试实现对锂离子电池性能快速评价的方法。
背景技术
锂离子电池作为性能卓越的新一代绿色电池，已成为高新技术发展的重点之一。目前锂离子电池已经从传统的手机、笔记本电脑、摄像机等普通应用领域，拓展到电动汽车、航天和储能等方面。而且随着越来越多新材料在锂离子电池中的投入使用，锂离子电池体系已经拓展到各种功能型应用领域，如高功率和高电压应用环境。
在锂离子电池开发中，需要根据产品在使用领域及环境下的特定性能要求，进行正极、负极、电解液、隔膜等组成材料的优化。对多个实验体系电池的评价是通过一系列的测试，如倍率测试、高低温充放电和储存测试、循环测试、安全测试等，通过汇总各个测试结果，进行优化选择。
锂离子电池在充放电过程中会产生热量，王峰等在《电池热效应分析》中认为电池内部产热主要由八个方面组成(1)SEI膜的分解反应。(2)嵌锂碳与溶剂的反应。(3)嵌锂碳与氟化粘结剂的反应。(4)电解液的分解反应。(5)正极发生的分解反应；(6)锂金属的反应；(7)正负极活性物质焓变。(8)电流通过内阻而产生热量。因此测试电池在充放电过程中的放热量，就可以表征电池整体性能的优劣，既可以反映电池材料间的匹配性、相容性，还可以反映出电池结构设计及制造工艺等的优劣。
当前对电池性能的全面评价需要汇总多项测试结果后才能得出，而且测试周期长，耗费资源大；而采用本发明的方法，仅通过电池在充放电过程中的放热量测试即可对其综合性能进行快速评价，大大节省了测试资源，缩短了测试周期。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过放热量测试快速评价锂离子电池性能的方法，可以用于锂离子电池开发设计中正极、负极、电解液等材料的优化选择，以及电池结构设计及制作工艺参数优化等过程中。
本发明通过放热量快速评价锂离子电池性能的方法，首先需根据待评价电池的待评价性能设计放热量测试方案，通过不同电池或同一电池在不同状态下的放热量测试数据对比，根据放热量高电池性能较差，放热量低电池性能较优的原则进行评价。
测试放热量所用设备为加速量热仪，该设备具有温度补偿功能，这就使测试对象处于近似绝热环境中，因此电池在充放电过程中产生的热量将全部被自己吸收，表现为电池温度的增长。通过观测电池在充放电过程中电池温度的变化，即可根据电池的比热、质量和温度增长值，计算出电池在整个测试过程中放出（吸收）的热量，Q=Cp·m·ΔT，Cp为测试电池的比热（J·g-1·k-1）；m为测试电池的质量（g）；ΔT为充电开始至结束时的温度增长值（℃）。
加速量热仪测试模式为Heat-wait-Seek模式，开始温度设定为环境温度+（0.5-2.0）℃，结束温度根据电池体系不同而定，温度步长为0，温度速率灵敏度为0.02℃/min（或更低），等待时间为15min（或更长），其他为非关键参数，可以使用仪器默认值。
测试前先称量电池的质量，然后将电池的正负极由导线引出接到充放电设备上，同时将加速量热仪的热电偶固定在电池的观测位置（通常选择电池中部）。
进行放热量测试时，首先启动加速量热仪，通过其加热补偿功能，使环境温度与电池温度一致并稳定。在充放电设备上设定相应的充放电流程，待加速量热仪显示为Seek模式时，启动充放电程序，电池即开始充放电，同时加速量热仪对其温度及温升速率数据进行自动采集。在充电流程结束后，延后10-15min停止加速量热仪流程，以考虑到由于电池瞬间放热量高而热传导较慢造成的电池温度变化滞后的现象。
加速量热仪采集的数据为电池在整个测试过程中的时间、温度和温升速率值，通过与充放电开始和结束的时间相对应，可以计算出电池在整个充电流程中的温度增长数值ΔT，根据放热量计算公式Q=Cp·m·ΔT，计算出电池的放热量。
通过放热量数据对电池性能进行评价的依据是，在相同的充放电流程中，放热量低的电池性能较优，放热量高的电池性能较差。
本发明只需对电池正常充放电过程中的放热量数据进行采集和对比，即可快速完成对电池性能的评价，不需再进行其他常规的性能测试，具有高效快速的特点，而且对电池性能不会造成额外损伤。另外，由于本方法是在加速量热仪中完成的温度数据采集，由于其具有温度补偿功能，使电池所处环境近似绝热，因此对电池温度变化的检测灵敏度更高。鉴于以上特点，本发明所提供的通过放热量测试快速评价锂离子电池性能的方法，在电池结构设计、材料体系优化、工艺优化方面具有非常大的应用价值。
本发明可应用于锂离子电池开发设计中的正极、负极、电解液等材料体系的优化，以及电池结构设计及制作工艺参数优化等对电池特定性能影响的评价。
附图说明
图1是实施例1 充电过程中的电池温度增长变化图。
具体实施方式
下面分别以锂离子电池制作完成后的初步性能检测、动力电池体系选择测试为例，详细说明本发明，以进一步阐述本发明实质性特点和显著的进步。
实施例1
本例中用放热量测试对制作完成后的电池进行性能优劣的初步判断。所用设备为英国THT的Euro加速量热仪和兰电充放电仪。
此例中考察电池型号为18650 1400mAh电池，首先，称量待测电池的质量，然后焊接正负极耳，将电池正负极通过导线连接到兰电充放电仪上，并将加速量热仪的热电偶固定到电池中间位置，将设备调整到位，设定加速量热仪参数如下：测试模式为Heat-wait-Seek模式，开始温度设定为31℃，结束温度为50℃，温度步长为0，温度速率灵敏度为0.02℃/min（或更低），等待时间为15min（或更长），其他为非关键参数，使用仪器默认值。启动加速量热仪，通过其加热补偿功能，环境温度与电池温度趋于一致并稳定。
在充放电设备上设定相应的充电流程：充电模式为恒流-恒压，电流大小为700mA，截止电压为3.65V，恒压充电截止电流为28mA。待加速量热仪显示为Seek模式时，启动兰电充电程序，并记录此时加速量热仪显示的时间和温度，电池在充电过程中，加速量热仪对其温度及温升速率数据进行自动采集。在充电流程结束后，延后10-15min停止加速量热仪流程。
通过对加速量热仪数据进行分析，计算出电池在整个充电过程中对应的电池的温度增长数值ΔT，根据放热量计算公式Q=Cp·m·ΔT，Cp为测试电池的比热，为0.91J·g-1·k-1；m为测试电池的质量，（g）；ΔT为充电开始至结束时的温度增长值（℃）。
通过放热量数据对电池性能进行评价结果如表1所示，根据评价原则，放热量低的电池性能较优，放热量高的电池性能较差，可知，Cell 1电池性能较优，而Cell2电池性能较差。之后，通过对电池进行满电后储存实验，发现Cell2电池有显著的自放电现象。
本例中，由于对比的是同一体系的电池，因此电池温度增长数值也可以反映出电池性能的优劣，如图1所示。在整个充电过程中，Cell2电池的温度增长值均高于Cell1，说明Cell2电池性能比Cell1电池性能差。
表1 18650（1400mAh）电池放热量对比
实施例2
本例中以放热量数据对电动车电池体系选择进行说明。所用设备与测试流程与实施例1相同。
本例中对电动车电池拟采用的两种电池体系进行了充电和放电过程中的放热量测试，体系1为磷酸铁锂电池-LFP（1400mAh），体系2为钴酸锂和三元材料混用的电池-LCO-NCM（2200mAh）。本例中选择了3个不同的充放电倍率进行测试—— 0.2C，0.5C和1.0C。表2 为两种体系电池在不同充放电倍率下充电和放电过程的放热量数据。
表2 两种体系电池在不同倍率充放电下的放热量对比
由表2放热量数据对比可知，LFP体系电池在充电过程中由于放热产生的温升虽然比LCO-NCM高；但在放电过程中，LFP体系由于放热产生的温升则远低于LCO-NCM电池。因而就整个充放电过程而言，LFP体系的温升和放热量则远低于LCO-NCM体系，而且不同倍率下的放热量数据均表明，LFP体系的放热量更低。更重要的是，LCO-NCM体系电池在放电过程中产生的放热量使电池温度增长幅度很大，这极易诱发电池内部发生其他的副反应，导致电池性能发生劣化，因而无论从电池使用的安全性和寿命考虑，还是从整车电池的配套散热及制冷系统等角度考虑，LFP体系电池比LCO-NCM体系电池更适用于电动车使用。
本发明不限于上述实施例，对本发明的任何等同替换都在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种通过放热量测试来快速评价锂离子电池性能的方法，其特征在于，通过不同电池或同一电池在不同状态下的放热量测试数据对比，根据放热量高电池性能较差，放热量低电池性能较优的原则进行评价，具体步骤如下：
首先：测试放热量所用设备为加速量热仪，测试模式为Heat-wait-Seek模式，开始温度设定为环境温度+（0.5-2.0）℃，结束温度为50℃，温度步长为0，温度速率灵敏度为小于到等于0.02℃/min，等待时间为15min；
其次：测试电池在充放电过程中产生的放热量，测试前先称量电池的质量，然后将电池的正负极由导线引出接到充放电设备上，同时将加速量热仪的热电偶固定在电池的观测位置；进行放热量测试时，首先启动加速量热仪，通过其加热补偿功能，使环境温度与电池温度一致并稳定，在充放电设备上设定相应的充电流程，待加速量热仪显示为Seek模式时，启动充电程序，电池即开始充电，同时加速量热仪对其温度及温升速率数据进行采集；
最后：在充电流程结束后，延后10-15min停止加速量热仪流程，通过对加速量热仪数据分析，可以计算出电池在整个充电流程中的温度增长数值ΔT，根据放热量计算公式Q=Cp·m·ΔT，Cp为测试电池的比热，单位J·g-1·k-1；m为测试电池的质量，单位g；ΔT为充电开始至结束时的温度增长值，单位℃；最终评价的依据是在相同的充放电流程中，放热量低的电池性能优，放热量高的电池性能差。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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