CN106469838A - 圆柱动力锂离子电池的充电方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆柱动力锂离子电池的充电方法及装置，用于对卷芯中部的正极片空隙内设有正极耳的圆柱动力锂离子电池充电。圆柱动力锂离子电池的充电方法为：限制最大充电电压和充电电流，使得圆柱动力锂离子电池中锂离子的产生速度和运行速度之和小于或等于石墨层嵌锂反应的速度。圆柱动力锂离子电池的充电装置包括相互连接的充电模块和控制模块，其中控制模块用于连接圆柱动力锂离子电池，控制模块用于限制充电模块输出的最大充电电压和充电电流，使得圆柱动力锂离子电池中锂离子的产生速度和运行速度之和小于或等于石墨层嵌锂反应的速度。该圆柱动力锂离子电池的充电方法及装置可改善正极耳两边的箔材发生的透光甚至断裂现象。

Description

圆柱动力锂离子电池的充电方法及装置

技术领域

本发明涉及圆柱动力锂离子电池领域，特别涉及一种圆柱动力锂离子电池的充电方法及装置。

背景技术

圆柱动力锂离子电池作为一种能量密度高、环境友好的绿色新能源电池，广泛吸引了国内外各家电池制造商的关注。欧美、日韩、中国等一流锂电池生产商早年便开始了对圆柱动力锂离子电池关键技术的研究及产业化工作，尤其在长寿命、高安全、稳定可靠性和电芯一致性方面，对圆柱动力锂离子电池开展了大量的分析和研究工作，并取得了丰硕的成绩。

圆柱动力锂离子电池的内阻值会随着循环充放电次数的增加而逐渐增大，当内阻值较高时，会带来因发热而产生的副反应，从而降低电池的容量并缩短电池的使用寿命。为了解决圆柱动力锂离子电池的循环使用寿命问题，人们从减小内阻方面来改善电池的结构。经研究发现，在对卷芯中部的正极片空隙内设有正极耳的圆柱动力锂离子电池的内阻，比将正极耳设置于卷芯边缘的圆柱动力锂离子电池的内阻小7mΩ，其内阻降低约15％。同时，通过采集不同倍率放电下的电池温升数据发现，在卷芯中部的正极片空隙内设有正极耳的圆柱动力锂离子电池的内阻和表面温升明显偏低，发热量明显减少。因此，将正极耳设置于卷芯中间可提高圆柱动力锂离子电池的循环使用寿命。

然而随着循环充放电次数的增加，在对卷芯中部的正极片空隙内设有正极耳的圆柱动力锂离子电池的负极片的厚度逐渐增加，会对正极片尤其是正极耳进行挤压，从而使得正极耳两边的箔材容易产生透光甚至断裂现象。

发明内容

基于此，有必要针对卷芯中部的正极片空隙内设有正极耳的圆柱动力锂离子电池的正极耳两边的箔材容易产生透光甚至断裂现象，提供一种圆柱动力锂离子电池的充电方法及装置，优化充电方法，进而改善正极耳两边的箔材发生的透光甚至断裂现象。

一种圆柱动力锂离子电池的充电方法，用于对卷芯中部的正极片空隙内设有正极耳的圆柱动力锂离子电池充电，其中，在对所述圆柱动力锂离子电池循环充放电时，限制最大充电电压和充电电流，使得所述圆柱动力锂离子电池中锂离子的产生速度和运行速度之和小于或等于石墨层嵌锂反应的速度。

在其中一个实施例中，控制充电电流介于(1/3)C至0.5C之间。

在其中一个实施例中，控制最大充电电压介于4.05V至4.1V之间。

在其中一个实施例中，控制充电电流为0.5C。

在其中一个实施例中，控制最大充电电压为4.1V。

一种圆柱动力锂离子电池的充电装置，用于对卷芯中部的正极片空隙内设有正极耳的圆柱动力锂离子电池充电，所述圆柱动力锂离子电池的充电装置包括相互连接的充电模块和控制模块，其中控制模块用于连接所述圆柱动力锂离子电池；

所述充电模块用于输出电能，所述控制模块用于限制所述充电模块输出的最大充电电压和充电电流，使得所述圆柱动力锂离子电池中锂离子的产生速度和运行速度之和小于或等于石墨层嵌锂反应的速度。

在其中一个实施例中，所述控制模块控制所述充电模块的充电电流介于(1/3)C至0.5C之间。

在其中一个实施例中，所述控制模块控制所述充电模块的最大充电电压介于4.05V至4.1V之间。

在其中一个实施例中，所述控制模块控制所述充电模块的充电电流为0.5C。

在其中一个实施例中，所述控制模块控制所述充电模块的最大充电电压为4.1V

上述圆柱动力锂离子电池的充电方法及装置具有的有益效果为：该圆柱动力锂离子电池的充电方法及装置在对圆柱动力锂离子电池循环充放电时，通过限制最大充电电压、充电电流，来限制圆柱动力锂离子电池中锂离子的产生速度、运行速度，并使得锂离子的产生速度和运行速度之和小于石墨层嵌锂反应的速度，从而可以控制单位时间内到达负极片的锂离子总的数量，以减少在负极片处析出的由锂离子形成的锂金属。由于析出的锂金属会增加负极片的厚度，所以该圆柱动力锂离子电池的充电方法及装置通过控制锂金属的析出量，进而可控制负极片的厚度，从而避免发生因负极片厚度增加而挤压正极片及正极耳的情况，以达到改善正极耳容易透光甚至断裂现象的效果。

附图说明

图1为充电前圆柱动力锂离子电池卷芯中部正、负极片的横截面的示意图；

图2为充电后圆柱动力锂离子电池卷芯中部正、负极片的横截面的示意图；

图3为一实施例圆柱动力锂离子电池的充电装置的结构图。

具体实施方式

为了便于说明本发明提供的圆柱动力锂离子电池的充电方法及装置，提供了关于卷芯中部的正极片空隙内设有正极耳的圆柱动力锂离子电池的卷芯中部正、负极片充电前后的示意图。图1为充电前圆柱动力锂离子电池卷芯中部正、负极片的横截面的示意图。图2为充电后圆柱动力锂离子电池卷芯中部正、负极片的横截面的示意图。其中，在正极片20中间的空隙中设有正极耳30，负极片10与正极片20之间加入隔膜后卷绕贴合在一起。

图3为一实施例圆柱动力锂离子电池的充电装置的结构图。如图3所示，圆柱动力锂离子电池的充电装置包括相互连接的充电模块41和控制模块42，其中控制模块42用于连接圆柱动力锂离子电池。

充电模块41用于输出电能。

控制模块42用于限制充电模块41输出的最大充电电压和充电电流，使得圆柱动力锂离子电池中锂离子的产生速度和运行速度之和小于或等于石墨层嵌锂反应的速度。

其中，控制模块42限制充电模块41输出的最大充电电压，即控制最大充电电压较小(以下简称浅充)，就会相应控制圆柱动力锂离子电池中锂离子的产生速度较小。控制模块42限制充电模块41输出的充电电流，即控制充电电流较小，就会相应控制圆柱动力锂离子电池中锂离子的运行速度较小。因此，控制模块42控制充电模块41输出的最大充电电压和充电电流分别处于相应的较小值，就会使得锂离子电池中锂离子的产生速度和运行速度之和小于或等于石墨层嵌锂反应的速度。

具体的，控制模块42控制充电模块41的充电电流介于(1/3)C至0.5C之间。

具体的，控制模块42控制充电模块41的最大充电电压介于4.05V至4.1V之间。

作为优选的实施例，控制模块42控制充电模块41的充电电流为0.5C。

作为优选的实施例，控制模块42控制充电模块41的最大充电电压为4.1V。

本发明另一实施例提供的圆柱动力锂离子电池的充电方法为：在对圆柱动力锂离子电池循环充放电时，限制最大充电电压和充电电流，使得圆柱动力锂离子电池中锂离子的产生速度和运行速度之和小于或等于石墨层嵌锂反应的速度。

其中，限制最大充电电压，即控制最大充电电压较小(以下简称浅充)，就会相应控制圆柱动力锂离子电池中锂离子的产生速度较小。限制充电电流，即控制充电电流较小，就会相应控制圆柱动力锂离子电池中锂离子的运行速度较小。因此，通过控制最大充电电压和充电电流分别处于相应的较小值，就会使得圆柱动力锂离子电池中锂离子的产生速度和运行速度之和小于或等于石墨层嵌锂反应的速度。

具体的，控制充电电流介于(1/3)C至0.5C之间。

具体的，控制最大充电电压介于4.05V至4.1V之间。

作为优选的实施例，控制充电电流为0.5C。

作为优选的实施例，控制最大充电电压为4.1V。

为了更清楚的解释本发明提供的圆柱动力锂离子电池的充电方法及装置，先对卷芯中部的正极片空隙内设有正极耳的圆柱动力锂离子电池在充电过程中负极片20厚度的变化原理进行阐述。

在对圆柱动力锂离子电池充电时，正极片20脱出锂离子，且锂离子通过电解液运行至负极片20处，并嵌入到负极片10的石墨层中(以下简称嵌锂反应)。

在循环充放电电压方面，充电电压越高，从正极片20脱出的锂离子数量越多，即锂离子的产生速度越高。在循环充放电电流方面，充电电流越大，圆柱动力锂离子电池的动力学极化越大，因此锂离子的运行速度也越快。

因此，当充电电电压较高且充电电流较大时，单位时间内从正极片20脱出较多的锂离子，且这些锂离子以较快的速度运行至负极片10处，从而使得负极片10在短时间内聚集较多的锂离子。而负极片10石墨层间的嵌锂反应速度非常缓慢，很多锂离子来不及嵌入石墨层间就已经和负极片10处的电子结合，从而形成锂金属并在负极片10表面沉积析出。

金属锂的析出一方面增加了负极片10的厚度，且该负极片10厚度增长的速度远大于石墨层由于嵌入锂离子而产生的厚度增加的速度；另一方面，由于金属锂极为活泼，容易和电解液发生副反应，从而增加了负极片10的表面SEI的成膜厚度和嵌入内阻，进一步增加了锂离子嵌入负极片10石墨层的难度。需要注意的是，金属锂一旦析出，在放电过程中，析出的锂金属不能再次还原为锂离子。

综上所述，随着充放电循环次数的增加，负极片10的石墨层因嵌入锂离子而逐渐膨胀，再加上负极片10表面析出的金属锂随着每次充电的累加越来越多，从而使得负极片10的厚度逐渐增加，如图2所示，虚线部分表示负极片10由于金属锂而增加的厚度。当负极片10的厚度增加到一定程度，就会对正极片20进行挤压，尤其对较厚的正极耳30施压更为严重，而在连续施压的情况下，极易造成正极耳30边缘的箔材容易透光甚至断裂。

需要说明的是，由于电池充电过程中电池电压是逐渐增加的，因此本发明中减小了最大充电电压，即相当于减小了整个充电过程中的充电电压。

因此，本发明提供的圆柱动力锂离子电池充电方法及装置，通过控制充电电流、最大充电电压，使得锂离子的产生速度和运行速度之和小于或等于石墨层嵌锂反应的速度，减少了到达负极片10的锂离子总的数量，使得锂离子与负极片10处的电子结合的机会减小，从而减少了在每次充电过程中负极片10处析出的由锂离子形成的锂金属。

而负极片10处析出的锂金属减少，即会减小负极片10的增加的厚度，从而避免发生因负极片10厚度增加而挤压正极片20及正极耳30的情况，进而达到改善正极耳30容易透光甚至断裂现象的效果。

为了验证本发明提供的圆柱动力锂离子电池充电方法及装置的可行性，本实施例对卷芯中部的正极片空隙内设有正极耳的圆柱动力锂离子电池，分别用不同充放电电流和不同充放电电压区间的几种循环充放电模式进行实验验证，具体的实验方法为：

分别用两种不同的充放电电流(小电流0.5C、大电流1C)和两种不同的充放电电压区间(4.2-3.0V、4.1-3.0V)进行方案组合，共形成四组循环充放电模式，分别为：A、0.5C充放电，4.2-3.0V电压区间；B、1C充放电，4.2-3.0V电压区间；C、0.5C充放电，4.1-3.0V电压区间；D、1C充放电，4.1-3.0V电压区间。

需要说明的是，本实验中的各充放电电压区间，区间中最大的电压值(即4.2V和4.1V)，指每次循环充放电中充电完毕时电池达到的最大充电电压值。最小的电压值(即3.0V)，指每次循环充放电过程中放电完毕时电池达到的最小放电电压值。当最大充电电压值为4.2V时，充电过程称为深充，当最大充电电压值为4.1V时，充电过程称为浅充。

另外，由于放电过程对负极片10厚度增加的影响可以忽略，所以上述4组循环充放电模式中的放电电流、充放电电压区间中的最小的电压值对本实验的结果验证没有影响。

用以上4种循环充放电模式对卷芯中部的正极片空隙内设有正极耳的圆柱动力锂离子电池分别各循环100次，300次，500次，700次，1000次，并在各阶段循环后通过解剖电池，对电池中间正极耳30边缘箔材的断裂情况进行统计，统计的方法为：正极耳30无透光、断裂则标识为OK，有透光或断裂则标识为NG。具体统计状况如下表所示：

从表中可以看出，C模式采用小电流浅充方式，其结果最好，在循环1000次后，电池卷芯内部的正极耳30也未出现透光或断裂现象。B模式采用大电流、深充方式，结果最差，在循环300次后，电池卷芯内部的正极耳30即出现透光或断裂现象。A、D模式分别采用小电流深充、大电流浅充方式，也分别在循环700次、500次后正极耳30出现透光或断裂现象。因此，本实验验证了采用小电流浅充的循环充电模式能改善正极耳30出现透光或断裂现象的可行性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种圆柱动力锂离子电池的充电方法，用于对卷芯中部的正极片空隙内设有正极耳的圆柱动力锂离子电池充电，其特征在于：在对所述圆柱动力锂离子电池循环充放电时，限制最大充电电压和充电电流，使得所述圆柱动力锂离子电池中锂离子的产生速度和运行速度之和小于或等于石墨层嵌锂反应的速度。

2.根据权利要求1所述的圆柱动力锂离子电池的充电方法，其特征在于，控制充电电流介于(1/3)C至0.5C之间。

3.根据权利要求2所述的圆柱动力锂离子电池的充电方法，其特征在于，控制最大充电电压介于4.05V至4.1V之间。

4.根据权利要求3所述的圆柱动力锂离子电池的充电方法，其特征在于，控制充电电流为0.5C。

5.根据权利要求3所述的圆柱动力锂离子电池的充电方法，其特征在于，控制最大充电电压为4.1V。

6.一种圆柱动力锂离子电池的充电装置，用于对卷芯中部的正极片空隙内设有正极耳的圆柱动力锂离子电池充电，其特征在于，所述圆柱动力锂离子电池的充电装置包括相互连接的充电模块和控制模块，其中控制模块用于连接所述圆柱动力锂离子电池；

所述充电模块用于输出电能，所述控制模块用于限制所述充电模块输出的最大充电电压和充电电流，使得所述圆柱动力锂离子电池中锂离子的产生速度和运行速度之和小于或等于石墨层嵌锂反应的速度。

7.根据权利要求6所述的圆柱动力锂离子电池的充电装置，其特征在于，所述控制模块控制所述充电模块的充电电流介于(1/3)C至0.5C之间。

8.根据权利要求7所述的圆柱动力锂离子电池的充电装置，其特征在于，所述控制模块控制所述充电模块的最大充电电压介于4.05V至4.1V之间。

9.根据权利要求8所述的圆柱动力锂离子电池的充电装置，其特征在于，所述控制模块控制所述充电模块的充电电流为0.5C。

10.根据权利要求8所述的圆柱动力锂离子电池的充电装置，其特征在于，所述控制模块控制所述充电模块的最大充电电压为4.1V。