CN107768754B - 锂离子电池电压挑选容量的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂离子电池技术领域，具体公开了一种锂离子电池电压挑选容量的方法及应用。该方法至少包括：对锂离子电池进行首次充电容量损耗比例的测定处理；对锂离子电池进行不同荷电态与电压关系的测定处理；对锂离子电池进行不同温度与电压关系的测定处理；对电池充电或放电后电压与时间关系的测定处理；对获得的数据进行方程拟合处理并根据拟合的方程对电池进行容量挑选。该方法可有效、准确、快速对电池进行容量分选。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池电压挑选容量的方法及其应用。
背景技术
随着社会的发展和人们对环保要求的提高，高能量密度、绿色环保的锂离子电池越来越多的应用在人们的生活中。锂离子电池需求量的增大，引发了锂离子电池厂的不断开设和扩产，而新的锂离子电池厂不断的投产和老牌企业的扩产也使得锂离子电池行业的竞争越来越激烈。容量作为锂离子电池的最重要的指标之一，因此在厂家生产锂离子电池过程中，往往需要对新产出的锂离子电池进行容量的筛分，以分选出容量合格的锂离子电池出厂进行销售。
在传统的测试方法中存在着耗时量大、占用人力物力多等缺点。全新的、合理的容量分选方式将极大的降低容量分选的成本，增加企业的竞争力。
申请号为201310703656.5的我国专利公布了一种高效节能的电池容量分选方法。该专利采用将充电后的电池搁置1～48h，测试电池开路电压，将电池开路电压与同型号的标准电池电压进行比较，进而将高于标准电压的电池挑出作为不合格电池，通过这种方式来判定电池的容量。该方法只是简单的比较不同电池的电压，且电池电压受限于电池本身的差异、充放电的波动性、测试时环境温度、电池放置时的自放电等因素的影响，具有很大的测试误差，且不能有效的定量分析。
申请号为201410328651.3的我国专利，公布了一种锂离子电池的容量的分选方法。该专利使用充电容量判定放电容量的方式来间接的挑选容量，该专利充放电耗时过长。
鉴于目前锂离子电池容量分选存在的上述问题，有必要提出一种新的锂离子电池容量分选方案。
发明内容
本发明的目的在于解决现有锂离子电池容量分选过程中存在的测试误差大、不精准、容易出现误判、有效定量分析困难以及充放电耗时长等问题，提供一种锂离子电池电压挑选容量的方法及应用。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种锂离子电池电压挑选容量的方法，至少包括以下步骤：
(1)在温度T0下，以0C～30CA的电流对待测锂离子电池进行恒流充电，至充电的上限电压时，改为恒压充电，直至充电电流小于或等于截止电流，记录充电容量C0；
(2)将经过(1)处理后的电池转移至室温环境中，静置0～120h，以0C～30CA的电流放电至终止电压，记录放电容量C1，计算所述电池首次充电容量损耗；
(3)以0C～30CA的电流对经过(2)处理的电池进行恒流充电至所述电池所需电压的V下限或V上限，充电截止电流≥0.02CA，记录充电容量C2，并计算所述电池的初始荷电态，静置至少2h，然后采集初始荷电态对应的电压；
(4)以0C～30CA的电流对经过(3)处理的电池进行恒流充电至所述电池的V上限，然后放电，直至充电容量或充电时间大于或等于设定的容量或时间，静置至少0.1h，采集所述电池静置后的电压，并计算所述电池的荷电态；
(5)重复步骤(4)，直至静置时所述电池电压≥V上限或放电时静置电压≤V下限；
(6)将步骤(4)和步骤(5)采集的电压及计算的荷电态进行电池荷电态-电压方程I的拟合；
(7)将步骤(1)中的电池分别充电或放电至不同荷电态，并静置至少0.1h；
(8)将步骤(7)中不同荷电态的电池分别加热至相同温度，待所述电池温度稳定后检测并记录所述电芯的电压；
(9)改变温度，重复步骤(8)，测定不同温度下各个所述电芯的电压，直至测试温度的区间覆盖所需要的温度范围；
(10)将步骤(8)和步骤(9)的温度及电压进行电池不同荷电态下的电压-温度方程II的拟合；
(11)在与步骤(1)～(2)相同的温度和充电或放电条件下，对所述电池进行充电或放电，充电或放电结束，采集所述电池静置后电压随时间的变化数据；
(12)由所述方程I、II及步骤(11)的数据，计算电芯放电容量、电压及充入容量的关系，给出方程Ⅲ；
(13)由所述方程Ⅲ计算出达到目标电压时电池所需充入或放出的容量，并由充入或放出的容量和最低容量计算出电压挑选容量的标准。
以及，该锂离子电池电压挑选容量的方法在正负极材料相同且电解液相同而电池型号相同或不同的的电芯容量分选中的应用。
本发明上述实施例提供的锂离子电池电压挑选容量的方法，将锂离子电池的电压、放电容量和充电容量通过方程的形式进行联系，为精准计算锂离子电池电压挑选容量提供了标准，该方法可以在任意的温度和预充工艺、预充后的任意时间使用，具有精确、有效、误判概率小且耗时短的优势，可以极大的减少分容工序的设备数量和人工，甚至可以取消分容工序；并且，该方法给出的方程可以精准计算出目标出货电压时的充电时间，降低传统预充工艺因此造成的能量损失。
该方法应用于同种正负极材料和电解液而型号不同的锂离子电池中，可以消除同类电池不同型号而产生的多次分容方程建立的时间，为相同正负极材料、相同电解液而不同型号的电池电芯容量的挑选提供了可靠的借鉴手段。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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是本发明锂离子电池电压挑选容量的方法对A型号电池充电75min时方程的符合性验证示意图；
图2是本发明锂离子电池电压挑选容量的方法对B型号电池充电43min时方程的符合性验证示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种锂离子电池电压挑选容量的方法，至少包括以下步骤：
(1)在温度T0下，以0C～30CA的电流对待测锂离子电池进行恒流充电，至充电的上限电压时，改为恒压充电，直至充电电流小于或等于截止电流，记录充电容量C0；
(2)将经过(1)处理后的电池转移至室温环境中，静置0～120h，以0C～30CA的电流放电至终止电压，记录放电容量C1，计算所述电池首次充电容量损耗；
(3)以0C～30CA的电流对经过(2)处理的电池进行恒流充电至所述电池所需电压的V下限或V上限，充电截止电流≥0.02CA，记录充电容量C2，并计算所述电池的初始荷电态，静置至少2h，然后采集初始荷电态对应的电压；
(4)以0C～30CA的电流对经过(3)处理的电池进行恒流充电至所述电池的V上限，然后放电，直至充电容量或充电时间大于或等于设定的容量或时间，静置至少0.1h，采集所述电池静置后的电压，并计算所述电池的荷电态；
(5)重复步骤(4)，直至静置时所述电池电压≥V上限或放电时静置电压≤V下限；
(6)将步骤(4)和步骤(5)采集的电压及计算的荷电态进行电池荷电态-电压方程I的拟合；
(7)将步骤(1)中的电池分别充电或放电至不同荷电态，并静置至少0.1h；
(8)将步骤(7)中不同荷电态的电池分别加热至相同温度，待所述电池温度稳定后检测并记录所述电芯的电压；
(9)改变温度，重复步骤(8)，测定不同温度下各个所述电芯的电压，直至测试温度的区间覆盖所需要的温度范围；
(10)将步骤(8)和步骤(9)的温度及电压进行电池不同荷电态下的电压-温度方程II的拟合；
(11)在与步骤(1)～(2)相同的温度和充电或放电条件下，对所述电池进行充电或放电，充电或放电结束，采集所述电池静置后电压随时间的变化数据；
(12)由所述方程I、II及步骤(11)的数据，计算电芯放电容量、电压及充入容量的关系，给出方程Ⅲ；
(13)由所述方程Ⅲ计算出达到目标电压时电池所需充入或放出的容量，并由充入或放出的容量和最低容量计算出电压挑选容量的标准。
其中，在任一实施例中，本检测方法的充电电流、放电电流或者静置时间均不能取0值。
在一优选实施例中，步骤(1)中温度T0为锂离子电池预充工艺的温度。进一步的，所述预充工艺的温度为25℃～100℃，本发明电压挑选容量的方法在这一温度范围内均适用。
在一优选的实施例中，测量中的电池首次充电容量损耗计算公式为：
其中的C0、C1分别由步骤(1)、(2)测量得到。
在一优选的实施例中，电池的初始荷电态(SOC)计算公式为：
其中的C1、C2分别指的是第一次放电容量、第二次充电容量，可由步骤(2)、(3)测量得到。
本发明任何一个实施例中，公式(2)的SOC代表充电过程中电池的荷电状态，以放电容量C1作为电池本身的容量，并将电池充入一定的电量作为电池初始的荷电态。
本发明实施例提供的锂离子电池电压挑选容量的方法，具有一定的通用性，例如，拟合的方程Ⅲ不仅可以用在正负极材料和电解液均相同且电池型号相同的电池中，也可以用于正负极材料、电解液均相同而型号不同的电池中。另外，还可以用于正负极活性物质相同，电解液相同而其他不同的电池中。因此，可以在收集一种型号电池的电压挑选容量的数据之后，推导至其他型号电芯的容量挑选中。
本发明提供的实施例，将锂离子电池的电压、放电容量和充电容量通过方程的形式进行联系，为精准计算锂离子电池电压挑选容量提供了标准，该方法可以在任意的温度和预充工艺、预充后的任意时间使用，具有精确、有效、误判概率小且耗时短的优势，可以极大的减少分容工序的设备数量和人工，甚至可以取消分容工序；并且，该方法给出的方程可以精准计算出目标出货电压时的充电时间，降低传统预充工艺因此造成的能量损失。
为了更好的说明本发明实施例提供的精准锂离子电池电压挑选容量的方法，下面通通过实施例进行举例说明。
实施例1
本实施例涉及标称容量为3100mAh的A型号电池，采用50℃高温预充工艺，在预充结束后在50℃条件下使用电压挑选容量，出货目标电压为3.90V～3.95V。
(1)在温度为50±2℃时，使用0.05C A的电流恒流充电91min，使用0.5C A的电流恒流恒压充电至4.35V，截止电流0.02C A，测得充电容量C0；
(2)将电池移至常温环境，搁置5h后，使用0.5C A电流放电至3.0V，放电容量C1，并用C0与C1的差值除以放电容量C1得出首次损耗c％；
(3)常温下将电池以0.5C A恒流恒压充电至3.90V(电压下限)，截止电流0.02C A，测得充电容量为C2，用C2/C1得出初始荷电态(SOC)，静置120min，采集此SOC状态对应的电压；
(4)以电流为0.2C A恒流充电，采用容量终止的方式，充入16mAh的容量为截止容量，静置300min后采集此时电压；
(5)并重复步骤(4)，直至静置时电池电压大于3.95V，将所采集的荷电态(SOC)与对应电压线性拟合，得到方程I；
(6)并测量该电压区间电压随温度线性变化关系，对电池不同荷电态下的电压与温度的数据进行拟合，得到方程II，方程斜率约为-0.02mV/℃；
(7)在50±2℃的温度下对电池进行充电，电池充电结束后，采集电压与随时间的变化关系，得到SOC对应电压差值为0.025mV。
(8)由(5)、(6)和(7)收集的数据及方程联立得如下方程Ⅲ：
其中，y表示50℃预充电压挑选容量时所采集的电压，b表示电池充入的容量，x表示电池本身的容量，c％为电芯本身的损耗，C标称表示电池的标称容量。
对于该标称容量为3100mAh的电池，充入2172mAh的容量，则电压与容量关系如下：
故该型号最低容量为x＝3100mAh时，计算得电压挑选容量标准y＝3.952V。
使用240颗A型号电池的电芯按照上述方式预充，并按照传统的测定容量的方式测定容量，电压、容量对应的点与所得的方程关系如附图1。
图1中，黑色点为该容量的锂离子电池对应的测试电压，倾斜线和方程为计算出的电压容量关系曲线及方程。所计算方程与电压容量对应点符合性良好，采用y＝3.952V挑选最低容量时符合要求。
实施例2
本实施例涉及标称容量为2200mAh的B型号电池，采用75℃高温预充工艺，在预充结束后在75℃条件下使用电压挑选容量，出货目标电压为3.95V～4.00V。
(1)在温度为75±2℃时，使用0.05C A的电流恒流充电91min，使用1.0C A的电流恒流恒压充电至4.35V，截止电流0.02C A，测得充电容量C0；
(2)将电池移至常温环境，搁置5h后，使用0.5C A电流放电至3.0V，放电容量C1，并用C0与C1的差值除以放电容量C1得出首次损耗c％；
(3)常温下将电池以0.5C A恒流恒压充电至3.90V(电压下限)，截止电流0.02C A，测得充电容量为C2，用C2/C1得出初始荷电态(SOC)，静置120min，采集此SOC状态对应的电压；
(4)以电流为0.2C A恒流充电，采用容量终止的方式，充入11mAh的容量作为截止容量，静置300min后采集此时电压；
(5)并重复步骤(4)，直至静置时电池电压大于3.95V，将所采集的荷电态(SOC)与对应电压线性拟合，得到方程I；
(6)由于该电压区间电压随温度为无简单的线性规律，故采集75℃和25℃的电压差值，并进行拟合，得到方程II；
(7)在75±2℃的温度下对电池进行充电，电池充电结束后，采集电压与随时间的变化关系，得到SOC对应电压差值为0.025mV。
(8)由(5)、(6)和(7)收集的数据及方程联立得如下方程Ⅲ：
其中，y表示75℃预充电压挑选容量时所采集的电压，b表示电池充入的容量，x表示电池本身的容量，c％为电芯本身的损耗，C标称表示电池的标称容量。
对于该标称容量为2200mAh的电池，充入1743mAh的容量，则电压与容量关系如下：
故该型号最低容量为x＝2200mAh时，计算得电压挑选容量标准y＝3.996V。
使用104颗B型电池的电芯按照上述方式预充，并按照传统的测定容量的方式测定容量，电压、容量对应的点与所得的方程关系如附图2。
图2中，黑色点为该容量的锂离子电池对应的测试电压，倾斜线和方程为计算出的电压容量关系曲线及方程。所计算方程与电压容量对应点符合性良好，采用y＝3.996V挑选最低容量时符合要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种锂离子电池电压挑选容量的方法，至少包括以下步骤：
(1)在温度下，以0C~30CA的电流对待测锂离子电池进行恒流充电，至充电的上限电压时，改为恒压充电，直至充电电流小于或等于截止电流，记录充电容量；
(2)将经过(1)处理后的电池转移至室温环境中，静置0~120h，以0C~30CA的电流放电至终止电压，记录放电容量，计算所述电池首次充电容量损耗；
(3)以0C~30CA的电流对经过(2)处理的电池进行恒流充电至所述电池所需电压的或，充电截止电流≥0.02CA，记录充电容量，并计算所述电池的初始荷电态，静置至少2h，然后采集初始荷电态对应的电压；
(4) 以0C~30CA的电流对经过(3)处理的电池进行恒流充电至所述电池的，直至充电容量或充电时间大于或等于设定的容量或时间，静置至少0.1h，采集所述电池静置后的电压，并计算所述电池的荷电态；
(5)重复步骤(4)，直至静置时所述电池电压≥或放电时静置电压≤；
(6)将步骤(4)和步骤(5)采集的电压及计算的荷电态进行电池荷电态-电压方程的拟合；
(7)将步骤(1)中的电池分别充电或放电至不同荷电态，并静置至少0.1h；
(8)将步骤(7)中不同荷电态的电池分别加热至相同温度，待所述电池温度稳定后检测并记录所述电池的电压；
(9)改变温度，重复步骤(8)，测定不同温度下各个所述电池的电压，直至测试温度的区间覆盖所需要的温度范围；
(10)将步骤(8)和步骤(9)的温度及电压进行电池不同荷电态下的电压-温度方程的拟合；
(11)在与步骤(1)~(2)相同的温度和充电或放电条件下，对所述电池进行充电或放电，充电或放电结束，采集所述电池静置后电压随时间的变化数据；
(12)由所述方程、及步骤(11)的数据，计算电池放电容量、电压及充入容量的关系，给出方程Ⅲ；
(13)由所述方程Ⅲ计算出达到目标电压时电池所需充入或放出的容量，并由充入或放出的容量和最低容量计算出电压挑选容量的标准。
2.如权利要求1所述的锂离子电池电压挑选容量的方法，其特征在于：所述充电或放电的电流、静置的时间均不取0。
3.如权利要求1所述的锂离子电池电压挑选容量的方法，其特征在于：所述电池首次充电容量损耗的计算公式为：
……(1)。
4.如权利要求1-2任一所述的锂离子电池电压挑选容量的方法，其特征在于：所述电池的初始荷电态的计算公式为：
………(2)。
5.如权利要求1所述的锂离子电池电压挑选容量的方法，其特征在于：所述温度为预充工艺的温度。
6.如权利要求5所述的锂离子电池电压挑选容量的方法，其特征在于：所述预充工艺的温度为25℃~100℃。
7.如权利要求1-4任一所述的锂离子电池电压挑选容量的方法在正负极材料相同且电解液相同而型号相同或不同的电池容量分选中的应用。
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