CN108710083A - 一种电子产品高原环境适应性验证试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子产品高原环境适应性验证试验方法，采用气压、温度、湿度和温度冲击进行多因素协同试验，选择同类锂离子电池体系，建立实验室的多因素协同试验和高原自然环境试验之间固有容量在固定放电倍率下的放电时间转换系数，验证评估锂离子电池在高原环境的环境适应性。本发明通过建立实验室多因素协同试验和高原自然环境之间的锂离子电池固有容量在固定放电倍率下的放电时间的转换系数，在保证了两种试验环境锂离子电池老化机理基本一致的情况下，采取锂离子电池多因素协同实验室试验，加速倍率可达24倍，预测两年自然环境试验后的放电时间误差小于10%。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟验证方法。
背景技术
锂离子电池具有工作电压高、比能量高、充放电寿命长、自放电率低和无记忆效应等优点，在全球二次电池市场占据主导地位，应用范围越来越广泛，但较差的低温性能限制了其在航空、航天等军事特殊领域的应用。出于产品/装备安全可靠使用的考虑，厂商和型号研制单位迫切需要建立快速准确评价锂离子电池在低温环境特别高原高寒环境下适应性，以便推广锂离子电池应用领域。
目前锂离子电池高原环境适应性评价大多用单纯的实验室环境试验方法或单纯的自然环境试验方法。其中，实验室环境试验方法选用的应力水平较高，可进行环境试验筛选，但不能量化在高原环境中环境适应性；在高原自然环境试验可以量化锂离子电池环境适应性，但是试验周期比较长，时间往往大于产品/装备研制选材筛选时间。
发明内容
本发明的目的是旨在提供一种电子产品高原环境适应性验证试验方法，在这种实验室模拟加速试验提供的试验数据基础上，验证评估锂离子电池在高原自然环境中固有容量在固定放电倍率下的放电时间。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种锂离子电池电子产品高原环境适应性验证试验方法，其特征在于：根据模拟的高原自然环境的高度和温度环境参数，确定模拟加速试验的气压参数、温度参数和湿度参数，以锂离子电池定期高原自然环境的初始容量在固定放电倍率下的放电时间为基准，建立锂离子电池在实验室模拟加速试验在固定放电倍率下的放电时间与在高原自然环境下同样放电时间条件的转换系数，快速评估锂离子电池高原环境适应性。
上述模拟加速试验和自然环境试验方法的转换系数为当两种试验环境的放电时间相同时在两种环境下试验时间的比值。
高原环境模拟加速试验方法采用低气压-温度冲击试验方法模拟拉萨市高原气候环境，气压值选用拉萨常年平均气压，温度上限选用拉萨市近十年自然环境的极值温度，温度上限选用拉萨市近十年的年平均温度，试验时间30天。
则气压值恒定为650 hPa；
温度冲击一个周期为24h，低温-14℃，时间12h；高温9℃，时间12h；
转换时间≤5min。
相对湿度控制38%±2%。
上述锂离子电池高原环境适应性验证试验方法，包括以下步骤：
a. 多因素协同试验：在具有温度调节的低气压箱内实现，根据高原自然环境海拔高度确定气压，以模拟的高原环境低温极值（近十年）为温度冲击下限，以模拟的高原环境年平均温度（近十年）为温度冲击上限，温度冲击24h为一个周期，温度上限和温度下限时间约12h，高低温转换时间≤5min。
b.定期检测多因素协同试验的锂离子电池在固有放电倍率的放电时间。
c.建立实验室多因素协同试验和高原自然环境试验相同放电时间的转换系数。
d. 采用转换系数和实验室多因素协同试验时间乘积验证高原自然环境下锂离子电池放电时间。
本发明能在短期时间内借助实验室多因素协同试验评估锂离子电池高原环境适应性，具有准确度高、环境试验时间短的特点，可为锂离子电子应用选材及寿命预估提供快速评估手段。
附图说明
图1为本发明高原环境多因素协同试验谱；
图2-1为多因素协同试验曲线图中的湿度图；
图2-2为多因素协同试验曲线图中的温度和气压图；
图3 为锂离子电池拉萨试验站库内暴露样品放电曲线；
图4为锂离子电池多因素协同试验样品放电曲线；
图5 为验证试验步骤图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但发明并不局限于本实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
下面对本发明选用的试验样品做如下说明：
本发明采用正极材料为钴酸锂，负极为石墨，电解质溶液为LiPF6-EC/PC/EMC的锂离子电池，样品为正规厂家产品并具有合格证书。
本发明采用的方法不要求必须进行自然环境试验，但为了更好说明本方法采用加速试验的模拟性和等效评估的准确性，下面将举例说明自然环境试验方法和试验结果。
实施例1：自然环境大气暴露试验在具有高原环境的拉萨试验站开展，试验场海拔高度3685m，样品静止放置在试验库房内，检测周期为：1个月、3个月、6个月、9个月、12个月、18月、24月，每周期检测样品的容量和放电时间。
实验室加速试验条件设计主要考虑高原环境对锂离子电池容量和放电时间影响起关键作用的环境因素，主要体现了气压值、低温、温度冲击、湿度的综合作用，其加速试验谱见图1。
实验室加速试验即多因素协同试验采用低气压-温度冲击试验方法模拟拉萨市高原气候环境，气压值选用拉萨常年平均气压，温度下限选用拉萨市近十年自然环境的极值温度，温度上限选用拉萨市近十年的年平均温度。试验时间30天。
则气压值恒定为650 hPa；
温度冲击一个周期为24h，低温-14℃，时间12h；高温9℃，时间12h；
转换时间≤5min。
相对湿度控制38%±2%，拉萨近十年平均相对湿度38%。
多因子协同试验曲线图2；
定期检测检测锂离子电池的容量和放电时间。检测周期在试验3天、5天、10天、15天、20天、25天、30天检测锂离子电池的容量和放电时间，检测试验数据见图4。
试验结果：
锂离子电池放电过程包括锂离子在石墨负极颗粒、电解液及正极材料等三种物质中的传输过程。研究表明低温低气压条件下，锂离子在正负极中的传输是限制电池电化学性能的主要因素，和常温常压相比，电池高原环境放电平台的降低，说明温度和气压降低导致放电过程中正负极颗粒内外层极化增大，即锂离子在正负极固体颗粒中传输阻抗增大，导致放电过程中电池电压过早达到放电终止电压，放电容量也相应减小。
低温低气压条件下锂离子在正负极颗粒中扩散阻抗的增大不仅导致电池低温放电平台降低、容量减小，同时也导致大电流放电性能恶化。低温下放电电流较小时，锂离子脱出和嵌入速度也较小，电极材料固体颗粒内外层浓差极化就相对较小；而高倍率放电时，锂离子在固相中低的传输速率就限制了锂离子的脱出和嵌入，电极材料固体颗粒内外层浓差极化增大，正负极之间的电势差偏小，所以放电电流越大，电池正负极颗粒内外层极化越大，电池的起始放电电压越低；放出相同的电容量时，电池的端电压也越低；放电曲线越向下偏移，放电终止时负极颗粒内部剩余锂离子的比例越高，嵌入正极颗粒内部的锂离子越少，电池放电越不完全。
高原自然环境和实验室加速模拟多因素协同试验样品的放电容量和放电时间都随时间的延长而减小，趋势一样，规律一样。说明该实验室加速试验具有很好的模拟性和加速性。
拉萨自然环境贮存1年的放电时间约225min，实验室加速试验（多因素协同试验）试验15天放电时间约为223min，相当于拉萨自然环境贮存1年的放电时间，实验室加速试验（多因素协同试验）试验30天放电时间约为185min，实测拉萨自然环境贮存2年的放电时间约190min，与自然环境试验结果相比误差为2.7%，小于10%。加速倍率约为24倍。
本发明通过分析高原环境对锂离子电池放电时间的影响环境要素，将低气压、低温、温度冲击、低湿多环境因素同时作用于锂离子电池，真实再现了高原环境对锂离子电池的影响，克服了以往单一环境或多个单一环境因素顺序施加到锂离子电池致模拟性差的缺陷。
本发明通过建立实验室多因素协同试验和高原自然环境之间的锂离子电池固有容量在固定放电倍率下的放电时间的转换系数，在保证了两种试验环境锂离子电池老化机理基本一致的情况下，采取锂离子电池多因素协同实验室试验，加速倍率可达24倍，预测两年自然环境试验后的放电时间误差小于10%。
Claims (5)
1.一种电子产品高原环境适应性验证试验方法，其特征在于：采用气压、温度、湿度和温度冲击进行多因素协同试验，选择同类锂离子电池体系，建立实验室的多因素协同试验和高原自然环境试验之间固有容量在固定放电倍率下的放电时间转换系数，验证评估锂离子电池在高原环境的环境适应性。
2. 如权利要求1所述的电子产品高原环境适应性验证试验方法，其特征在于：本实验在具有温度调节的低气压箱内实现，根据高原自然环境海拔高度确定气压，以模拟的高原环境一定周期的低温极值为温度冲击下限，以模拟的高原环境一定周期的年平均温度为温度冲击上限，温度冲击24h为一个周期，温度上限和温度下限时间约12h，高低温转换时间≤5min。
3.如权利要求2所述的电子产品高原环境适应性验证试验方法，其特征在于：多因素协同试验，具体为
气压值恒定：650 hPa；
温度冲击一个周期为24h，低温-14℃，时间12h；高温9℃，时间12h；
转换时间≤5min；
相对湿度控制38%±2%；
试验时间：30天。
4.如权利要求1所述电子产品高原环境适应性验证试验方法，其特征在于：锂离子电池体系为正极材料为钴酸锂，负极为石墨，电解质溶液为LiPF6-EC/PC/EMC的锂离子电池。
5.如权利要求1所述电子产品高原环境适应性验证试验方法，其特征在于：锂离子电池固有放电倍率是0.2C倍率恒流放电，直到当电池端电压小于规定电压。
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