CN106153732A - 锂离子电池内部无损检测方法及该电池健康状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锂离子电池内部无损检测方法及该电池健康状态检测方法，所述检测方法包括：选取电池基体；获取所述基体内部的层级区域信号；划分所述层级区域；分析所述层级区域的变化。本发明的提供的技术方案加强对电池的监测和管理，尤其是性能衰减和安全预警。

Description

锂离子电池内部无损检测方法及该电池健康状态检测方法

技术领域：

本发明涉及储能技术领域，更具体涉及一种超声时域反射在线无损检测锂离子电池健康状态的方法。

背景技术：

锂离子电池是目前电子产品和小型电器的主要电源。近年来，随着电动汽车和大规模储能技术领域的快速发展，锂离子电池的应用规模和使用场合更加扩展和多样化，其使用性能和应用效果也引起了更多关注，尤其是安全性、寿命、输入/输出性能等关键指标。因此，对应这些指标的检测、评估技术及方法也是锂离子电池大规模推广应用的一个重要技术方向。目前，大规模使用的商用锂离子电池的特点是内部为多层重复的层级结构，在使用过程中电池衰减的原因有很多，包括材料恶化，电解液浓度变化，隔膜损坏等，但常见的是电极、隔膜等层级结构的厚度、形体发生变化、产生为裂纹和缺陷，同时伴随着固体表面电解质膜(SEI)等界面层的生成和消解，因此，针对电池性能衰减的分析应重点关注电池内部电极、隔膜、SEI等多层级结构厚度和形态变化。

现阶段，针对锂离子电池内部层级结构变化的主要检测和分析仍然基于非原位的破坏性拆解技术手段。这些传统破坏性检测和分析方法一方面使得电池内部多层结构变化难以直接测试，另一方面，这一过程本身往往就会使得层级结构的厚度和形态发生变化，测试结果可信度不高，所以亟待发展一种新型的技术，在不干扰电池运行状态下能够较为直接的进行测量和分析，更为准确和直观。因此，一些新的基于原位和在线测试技术而发展的新型检测/监测技术手段被逐渐用于电池性能检测与分析。在基础研究中，已有一些科学家运用同步辐射、光谱、色谱等原位测试技术，对锂离子电池进行了原位检测并取得了一些有益的成果。然而，随着锂离子电池在电动汽车和电网储能中的大规模推广，这些基础研究中应用的技术手段成本太高，无法实用化，因此亟待发展均有实用化和工业化推广应用潜力的一种在线检测和监测技术，以便加强对电池的监测和管理，尤其是性能衰减和安全预警。

发明内容：

本发明的目的是提供一种超声时域反射在线无损检测锂离子电池健康状态的方法，加强对电池的监测和管理。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：锂离子电池内部无损检测方法，包括：

选取电池基体；

获取所述基体内部的层级区域信号；

划分所述层级区域；

分析所述层级区域的变化。

本发明提供的一种锂离子电池内部无损检测方法，所述基体内部的层级区域信号通过超声时域发射器和超声时域接收器获得。

本发明提供的一种锂离子电池内部无损检测方法，将所述信号在示波器上形成对应波形信号。

本发明提供的另一优选的一种锂离子电池内部无损检测方法，根据所述波形信号划分所述层级区域。

本发明提供的再一优选的一种锂离子电池内部无损检测方法，根据所述波形信号的变化分析每个层级区域的变化。

本发明提供的又一优选的一种锂离子电池内部无损检测方法，所述层级区域包括电极、隔膜和SEI膜。

本发明提供的又一优选的一种锂离子电池内部无损检测方法，所述波形信号根据什么原则或依据将信号准确的划分为对应的层级区域；各自的信号特点。

本发明提供的又一优选的一种锂离子电池内部无损检测方法，所述每个层级区域的变化根据所述波形信号的峰强、峰宽及峰位移的变化确定。

本发明提供的一种锂离子电池健康状态检测方法，包括：

根据权利要求1-8任意一项所述的检测方法进行所述电池的无损检测；

将权利要求1-8任意一项所述的检测方法中的电池进行电化学性能测试。

本发明提供的又一优选的一种锂离子电池健康状态检测方法，所述电池在进行电化学性能测试后，再进行无损检测；对所述电池重复循环若干次无损检测步骤和电化学性能测试步骤，并得到所述电池的健康状态。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明提供的技术方案根据信号波的变化来分析和探索电池内部不同层级结构变化，包括厚度、形体发生变化、产生为裂纹和缺陷；

2、本发明提供的技术方案对于锂离子电池健康状态的分析是根据脉冲反射回来的信号并在示波器上显示的特定波形，不同的电池和不同的状态都对应于不同的波形，有利于辨识和具有特定性和针对性；

3、本发明提供的技术方案实施是在不拆解锂离子电池的情况下进行的，电池在任何状态的情况直接进行检测和分析，能够更准确的反应电池内部多层级结构变化，其结果的可信度更高；

4、本发明提供的技术方案可以实行在线检测，实时掌握电池最真实的任何状态，能够加强对电池的监测和管理，尤其是性能衰减和安全预警；

5、本发明提供的技术方案简单易操作，设备投资小，测试时间短，能用于商业锂离子电池的检测，能用于在线检测，使其能大规模的应用。

附图说明

图1为本发明的超声时域反射检测锂离子电池隔膜示意图；

图2为图一的测试数据结果图；

图3为本发明的纽扣电池测试结果示意图；

图4为本发明的隔膜变化示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1-4所示，本例的发明提供一种锂离子电池内部无损检测方法及该电池健康状态检测方法；所述无损检测方法包括：

以锂离子电池为基体，利用超声时域发射器对电池发射超声脉冲信号，当信号遇到一个界面或者一种新的介质时，会产生特定的反射波反射回来并被接收器接收，同时会在示波器上以对应的特定波形显现。由于每个界面都会存在不同时域下的特定反射信号，根据波形信号进行层级区域划分；所述层级区域包括电极、隔膜及SEI膜等，如何根据波形信号划分层级区域，根据什么原则和依据划分；再进行每个层级自身波形的变化分析对应于电极和隔膜的厚度变化和组分的变化，所述波形的变化包括峰强、峰宽及峰位移的变化；所述电极和隔膜的厚度变化和组分的变化包括材料的分解、沉积、裂纹和缺陷及SEI膜等，如何通过波形的变化得出电极和隔膜的厚度变化和组分的变化，其依据是什么。因此通过信号波形的形态和尺度变化，可以分析锂离子电池内部不同层级的变化，包括厚度、形体发生变化、产生为裂纹和缺陷等，从而实现了在无损状态下，对锂离子电池电极与隔膜进行检测和分析，揭示内部结构和形态变化引发性能衰退的机制。请补充具体哪些变化引起哪些性能衰退；或者举例说明。

实施例2：

将LiFePO₄为正极，石墨为负极的CR2032扣式电池作为基体，将频率为30MHz超声探头作为超声脉冲发射器，取一定量的耦合剂分别涂在电池的正极或负极表面，最后将探头放在电池的正极或负极表面上，打开示波器和脉冲反射器，调整参数，如哪类参数？，进行测试，将测试结果进行分析，得到相应的电池内部测试结果。所述电池健康状态测试包括，采用不同状态的电池，首先采用新鲜的电池进行无损检测，对于无损检测完的新鲜电池，将其做电化学性能测试或循环性能测试或倍率性能测试，在性能测试中电池充放电循环一定次数后再进行超声无损检测，再对电池充放电循环再无损检测，依次类推，最后得到相应的数据并分析，可以达到掌握电池使用状态的效果。

实施例3：

将LiFePO₄为正极，石墨为负极的软包电池(不同规格)作为基体，将频率为5MHz超声探头作为超声脉冲发射器，取一定量的耦合剂分别涂在电池表面，最后将探头放在电池表面上，打开示波器和脉冲反射器，调整参数，如哪类参数？，进行测试，将测试结果进行分析，得到相应的电池内部测试结果。所述电池健康状态测试包括，采用不同状态的电池，首先采用新鲜的电池进行无损检测，对于无损检测完的新鲜电池，将其做电化学性能测试或循环性能测试或倍率性能测试，在性能测试中电池充放电循环一定次数后再进行超声无损检测，再对电池充放电循环再无损检测，依次类推，最后得到相应的数据并分析，可以达到掌握电池使用状态的效果。

实施例4：

将LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂为正极，石墨为负极的CR2032扣式电池作为基体，将频率为30MHz超声探头作为超声脉冲发射器，取一定量的耦合剂分别涂在电池的正极或负极表面，最后将探头放在电池的正极或负极表面上，打开示波器和脉冲反射器，调整参数，如哪类参数？，进行测试，将测试结果进行分析，得到相应的电池内部测试结果。所述电池健康状态测试包括，采用不同状态的电池，首先采用新鲜的电池进行无损检测，对于无损检测完的新鲜电池，将其做电化学性能测试或循环性能测试或倍率性能测试，在性能测试中电池充放电循环一定次数后再进行超声无损检测，再对电池充放电循环再无损检测，依次类推，最后得到相应的数据并分析，可以达到掌握电池使用状态的效果。

实施例5：

将LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂为正极，石墨为负极的软包电池(不同规格)作为基体，将频率为5MHz超声探头作为超声脉冲发射器，取一定量的耦合剂分别涂在电池表面，最后将探头放在电池的正极或负极表面上，打开示波器和脉冲反射器，调整参数，如哪类参数？，进行测试，将测试结果进行分析，得到相应的电池内部测试结果。所述电池健康状态测试包括，采用不同状态的电池，首先采用新鲜的电池进行无损检测，对于无损检测完的新鲜电池，将其做电化学性能测试或循环性能测试或倍率性能测试，在性能测试中电池充放电循环一定次数后再进行超声无损检测，再对电池充放电循环再无损检测，依次类推，最后得到相应的数据并分析，可以达到掌握电池使用状态的效果。

实施例6：

将LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂为正极，石墨为负极的18650柱状电池作为基体，将漂亮为5MHz超声探头作为超声脉冲发射器，取一定量的耦合剂分别涂在电池的侧表面，最后将探头放在电池侧表面上，打开示波器和脉冲反射器，调整参数，如哪类参数？，进行测试，将测试结果进行分析，得到相应的电池内部测试结果。所述电池健康状态测试包括，采用不同状态的电池，首先采用新鲜的电池进行无损检测，对于无损检测完的新鲜电池，将其做电化学性能测试或循环性能测试或倍率性能测试，在性能测试中电池充放电循环一定次数后再进行超声无损检测，再对电池充放电循环再无损检测，依次类推，最后得到相应的数据并分析，可以达到掌握电池使用状态的效果。

以锂离子电池为基体，分别有纽扣式锂离子电池(包括但不限于2016型、2025型和2032型等)、圆柱状锂离子电池(包括但不限于18650型、26650型等)、硬壳方形锂离子电池(包括但不限于塑料外壳型、铝及铝合金外壳型、不锈钢外壳型等)、软包型锂离子电池、全固态型锂离子电池等。

无损锂离子电池即不拆解电池也不对电池做任何其他的处理。

锂离子电池在线检测，即锂离子电池在任何状态下都可以进行检测，即充电状态范围为额定容量0～100％和放电状态为额定容量0～100％中的任何状态。脉冲信号发射器频率为2～100MHz。

所述电化学性能测试包括哪些步骤？

在性能测试中电池充放电循环一定次数后再进行超声无损检测，再对电池充放电循环再无损检测，依次类推，最后得到相应的数据并分析(请补充什么样的数据分析得知电池的使用状态)，可以达到掌握电池使用状态的效果。

补充电池健康状态的评价标准。

本发明目的在于使用简单方便的检测方法，采用超声时域反射法检测锂离子电池的内部健康状况，实现了在非破坏电池的情况下对锂离子电池内部多层级结构进行直接而有效的分析，同时在实行了在线检测的情况下，对锂离子电池电极与隔膜进行检测和分析，最重要的是采用了层级区域划分(包括电极、隔膜和SEI膜等)和每个层级自身波形的变化(包括峰强、峰宽、峰位移等变化)两个步骤分析来揭示内部结构和形态变化引发性能衰退的机制，进而探索工程实践中的在线监测和检测，从而提升电池应用的安全性和稳定性，并预防事故的发生。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.锂离子电池内部无损检测方法，其特征在于：包括：

选取电池基体；

获取所述基体内部的层级区域信号；

划分所述层级区域；

分析所述层级区域的变化。

2.如权利要求1所述的锂离子电池内部无损检测方法，其特征在于：所述基体内部的层级区域信号通过超声时域发射器和超声时域接收器获得。

3.如权利要求2所述的锂离子电池内部无损检测方法，其特征在于：将所述信号在示波器上形成对应波形信号。

4.如权利要求3所述的锂离子电池内部无损检测方法，其特征在于：根据所述波形信号划分所述层级区域。

5.如权利要求4所述的锂离子电池内部无损检测方法，其特征在于：根据所述波形信号的变化分析每个层级区域的变化。

6.如权利要求1、4或5所述的锂离子电池内部无损检测方法，其特征在于：所述层级区域包括电极、隔膜和SEI膜。

7.如权利要求4或5所述的锂离子电池内部无损检测方法，其特征在于：所述波形信号根据什么原则或依据将信号准确的划分为对应的层级区域；各自的信号特点。

8.如权利要求5所述的锂离子电池内部无损检测方法，其特征在于：所述每个层级区域的变化根据所述波形信号的峰强、峰宽及峰位移的变化确定。

9.锂离子电池健康状态检测方法，其特征在于：包括：

根据权利要求1-8任意一项所述的检测方法进行所述电池的无损检测；

将权利要求1-8任意一项所述的检测方法中的电池进行电化学性能测试。

10.如权利要求9所述的锂离子电池健康状态检测方法，其特征在于：所述电池在进行电化学性能测试后，再进行无损检测；对所述电池重复循环若干次无损检测步骤和电化学性能测试步骤，并得到所述电池的健康状态。