CN105242213A - 锂离子电池可逆及不可逆产热同时测试的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了锂离子电池可逆及不可逆产热同时测试的方法，通过将绝热加速量热仪和充放电测试仪联用，测试锂离子电池在一定荷电态、一定温度、一定充放电电流下的可逆及不可逆产热。本发明提供的锂离子电池可逆及不可逆产热同时测试的方法，可同时测试锂离子电池可逆产热和不可逆产热，测试效率高。

Description

锂离子电池可逆及不可逆产热同时测试的方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别涉及锂离子电池可逆及不可逆产热同时测试的方法。

背景技术

锂离子电池在使用过程中，随着充放电的进行，电池会发生产热，一部分来自于电化学反应熵变产热，一部分来自于电池阻抗产热，前者为可逆热，而后者为不可逆热，对两种产热的分别测试及研究有利于对电池状态的评估及设计的优化，还适用于衰减及失效电池的原因分析中。

目前，对于可逆及不可逆热的测试都是分别进行的，可逆产热速率主要是根据测得的温熵系数进行计算，如式(1)；不可逆产热速率则是在测得电池的阻抗后根据式(2)进行计算得到，因而测试周期较长。

$q_{rev}=I\·T\·\frac{\∂E}{\∂T}---\left(1\right)$

q_irrev＝I²R(2)

式中，

q_rev为电池的可逆产热速率，w；

I为电流，A；

T为环境温度(在绝热加速量热仪中，T也等于电池温度)，K；

为电池的温熵系数，mV·K^-1；

q_irrev为电池的不可逆产热速率，w；

R为电池阻抗，Ω。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明目的是提供锂离子电池可逆及不可逆产热同时测试的方法，可实现一定荷电态、一定温度、一定充放电电流下可逆及不可逆产热的同时检测。

基于上述问题，本发明提供的技术方案是：

锂离子电池可逆及不可逆产热同时测试的方法，包括以下步骤：

(1)温度T条件下，将待测锂离子电池在电流I下充放电至荷电态为SOC；

(2)称量待测锂离子电池的质量，然后在待测锂离子电池上焊接正负极耳，将待测锂离子电池置于绝热加速量热仪的热腔中，将热电偶固定在锂离子电池表面的中心位置，同时将锂离子电池的正负极耳端通过导线连接到充放电测试仪上，记录的锂离子电池的电压和电流数据；

(3)运行绝热加速量热仪，设定开始温度、结束温度、温度步长、斜率敏感度和等待时间，其中温度步长为零；

(4)当绝热加速量热仪温度稳定后，运行充放电测试仪并设定正弦电流的振幅I_amp和频率f，对锂离子电池进行电流扰动，其中正弦电流的振幅 $I_{amp}=\sqrt{2}I;$

(5)将采集的锂离子电池表面温度数据对应充放电时间作图，通过傅立叶变换分离得到与正弦电流频率f和2f一致的温度振幅数据，即可逆和不可逆产热导致的锂离子电池表面温度增长最大值ΔT_rev、ΔT_irrev；

(6)根据以下关系式计算可逆和不可逆产热量：

Q＝C_p·m·ΔT

式中，

Q为电池产热量，J；

Cp为电池比热，J·g^-1·K^-1；

m为电池质量，g；

ΔT为可逆热导致的电池表面温度增长值，K/℃。

在其中的一个实施例中，所述步骤(2)中开始温度设为T，结束温度大于开始温度且两者的差值至少为5℃。

在其中的一个实施例中，所述步骤(2)中斜率敏感度为0.02℃/min。

在其中的一个实施例中，所述步骤(2)中等待时间至少为15min。

在其中的一个实施例中，所述步骤(4)中的频率f为：

$f=\frac{I}{7200C_{act}\·\mathrm{\Δ}SOC}$ (ΔSOC小于5％)

其中：

为电池在正弦电流I_amp及频率f充放电时，产生的荷电态变化率，％；

I_amp为正弦电流振幅，mA；

I为充放电电流，与正弦电流的有效电流相等，mA；

f为正弦电流频率，Hz；

C_act为电池容量，mAh。

在其中的一个实施例中，所述步骤(4)中正弦充放电的循环次数至少为20次。

本发明的工作原理：电池的可逆产热速率q_rev与电流I成正比，不可逆产热速率q_irrev与电流I的平方成正比，当在电池上施加正弦电流时，可逆产热导致的电池温度变化与电流变化频率一致，而不可逆热导致的电池温度变化频率则为2f，因此可以通过对电池施加正弦电流，对测得的电池表面温度随时间变化的数据进行傅立叶变换，分离得到不同频率下的温度变化数据，从而可以将可逆及不可逆产热导致的电池温度变化进行分离并同时测定。

与现有技术相比，本发明的优点是：

采用本发明的技术方案，通过将电池充放电仪与绝热加速量热仪联用，可在短时间内实现对锂离子电池可逆及不可逆产热的同时测试，可以大大提高测试效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1锂离子电池表面温度随时间的变化关系图；

图2为本发明实施例1傅立叶变换后锂离子电池表面温度随频率的变化图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

本发明进行锂离子电池可逆及不可逆产热同时测试的方法中，所用的设备为英国THT的绝热加速量热仪EV+BatteryCalorimeter和Arbin充放电仪，待测电池选用商业化的三元体系18650锂离子电池。

实施例1

(1)温度30℃条件下，将待测锂离子电池在电流707mA下充放电至荷电态为30％；

(2)称量待测锂离子电池的质量，然后在待测锂离子电池上焊接正负极耳，将待测锂离子电池置于绝热加速量热仪的热腔中，将热电偶固定在锂离子电池表面的中心位置，同时将锂离子电池的正负极耳端通过导线连接到充放电测试仪上，记录的锂离子电池的电压和电流数据；

(3)运行绝热加速量热仪，设定开始温度为T＝30℃、结束温度为T+5＝35℃、温度步长为0、斜率敏感度为0.02℃/min和等待时间为15min；

(4)当绝热加速量热仪温度稳定后，即10分钟内的温度波动范围＜0.02℃，运行充放电测试仪并设定正弦电流的振幅I_amp和频率f，对锂离子电池进行电流扰动，其中正弦电流的振幅频率f则根据在指定电流下充放电时，由于充放电而导致的电池的荷电态变化小于5％来自由选择，正弦充放电的循环次数设定为20次，电池荷电态SOC的变化率由下式计算，此处选择f为2mHz，计算得出ΔSOC为3.16％，

$\mathrm{\Δ}SOC=\frac{\sqrt{2}{I}_{amp}}{14400f\·C_{act}}=\frac{I}{7200f\·C_{act}}$

式中：

ΔSOC为电池在正弦电流I_amp及频率f充放电时，产生的荷电态变化率，％；

I_amp为正弦电流振幅，mA；

I为要考察的充放电电流大小，与正弦电流的有效电流相等，mA；

f为正弦电流频率，Hz；

C_act为电池容量，mAh。

(5)如图1所示，将采集的锂离子电池表面温度数据对应充放电时间作图，如图2所示，通过傅立叶变换分离得到与正弦电流频率f和2f的温度振幅数据，即可逆和不可逆产热导致的锂离子电池表面温度增长最大值ΔT_rev＝0.206、ΔT_irrev＝0.034；

(6)根据以下关系式Q＝C_p·m·ΔT计算可逆产热量为8.487J，不可逆产热量为1.401J。

锂离子电池可逆及不可逆产热量的计算结果如表一所示：

表一锂离子电池可逆及不可逆产热量

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.锂离子电池可逆及不可逆产热同时测试的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)温度T条件下，将待测锂离子电池在电流I下充放电至荷电态为SOC；

(2)称量待测锂离子电池的质量，然后在待测锂离子电池上焊接正负极耳，将待测锂离子电池置于绝热加速量热仪的热腔中，将热电偶固定在锂离子电池表面的中心位置，同时将锂离子电池的正负极耳端通过导线连接到充放电测试仪上，记录的锂离子电池的电压和电流数据；

(3)运行绝热加速量热仪，设定开始温度、结束温度、温度步长、斜率敏感度和等待时间，其中温度步长为零；

(4)当绝热加速量热仪温度稳定后，运行充放电测试仪并设定正弦电流的振幅I_amp和频率f，对锂离子电池进行电流扰动，其中正弦电流的振幅

(5)将采集的锂离子电池表面温度数据对应充放电时间作图，通过傅立叶变换分离得到与正弦电流频率f和2f一致的温度振幅数据，即可逆和不可逆产热导致的锂离子电池表面温度增长最大值ΔT_rev、△T_irrev；

(6)根据以下关系式计算可逆和不可逆产热量：

Q＝C_p·m·ΔT

式中，

Q为电池产热量，J；

Cp为电池比热，J·g^-1·K^-1；

m为电池质量，g；

ΔT为可逆热导致的电池表面温度增长值，K/℃。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池可逆及不可逆产热同时测试的方法，其特征在于：所述步骤(2)中开始温度设为T，结束温度大于开始温度且两者的差值至少为5℃。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池可逆及不可逆产热同时测试的方法，其特征在于：所述步骤(2)中斜率敏感度为0.02℃/min。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池可逆及不可逆产热同时测试的方法，其特征在于：所述步骤(2)中等待时间至少为15min。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池可逆及不可逆产热同时测试的方法，其特征在于：所述步骤(4)中的频率f为：

$f=\frac{I}{7200C_{act}\·\mathrm{\Δ}SOC}$ (ΔSOC小于5％)

其中：

$\mathrm{\Δ}SOC=\frac{\sqrt{2}{I}_{amp}}{14400f\·C_{act}}=\frac{I}{7200f\·C_{act}},$ 为电池在正弦电流I_amp及频率f充放电时，产生的荷电态变化率，％；

I_amp为正弦电流振幅，mA；

I为充放电电流，与正弦电流的有效电流相等，mA；

f为正弦电流频率，Hz；

C_act为电池容量，mAh。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池可逆及不可逆产热同时测试的方法，其特征在于：所述步骤(4)中正弦充放电的循环次数至少为20次。