CN109342952B - 一种锂离子电池电极与电解液界面评价方法 - Google Patents

一种锂离子电池电极与电解液界面评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池电极与电解液界面评价方法，包括以下步骤：采用单面涂覆的同批次的正、负极极片，组装成多个单层软包全电池；静置后，将两支电池化成后分别充电至满电态及放电至空电态；将满电态及空电态的全电池在手套箱中拆解，取出正负极极片；将正负极极片除去残存的电解液；将满电态中的负极极片与空电态中的负极极片组装成负极对称电池；静置后，在恒定电流及温度下进行循环测试。将空电态中的正极极片与满电态中的正极极片组装成正极对称电池；静置后，在恒定电流及温度下进行循环测试。将正、负极对称电池循环至不同的循环周数进行阻抗测试。本发明简单易行，可以分别研究正极或负极在循环过程中的界面性质，具有很强的现实意义。

Description

一种锂离子电池电极与电解液界面评价方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池检测表征技术领域，具体涉及一种锂离子电池电极与电解液界面评价方法。
背景技术
锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命等特点广泛应用于各种手持设备和笔记本电脑等电子产品，随着科学技术的不断进步，被逐渐应用于电动汽车、储能电站等大型储能体系中。然而，成组的电池模块中单体的工作条件各不相同，使得电池在长时间使用之后劣化程度存在较大差异，影响电池系统的正常运行。因此，需要研究影响锂离子电池循环性能的因素，以便能够提前预知和判别电池的健康状态，避免电池系统的安全隐患和提高运行效率。电极的界面特性是影响锂离子电池充放电容量与稳定性的重要因素。要实现对电极界面的研究，必须发展和应用各种研究手段，电化学阻抗谱(electrochemicalimpedance spectroscopy,EIS)是研究电极/电解质界面过程的最有力的工具之一，因此被广泛应用于研究锂离子在碳材料和过渡金属氧化物中的嵌入过程。锂离子嵌入嵌合物电极的过程主要包括一下几个步骤：锂离子在电解液中的扩散、锂离子通过SEI膜(固体电解质相界面膜)的迁移，电荷传递和锂离子在石墨电极中的固态扩散。EIS能够根据上述过程中每一步骤弛豫时间常数的不同，而在较宽的频率范围内表征上述过程中的每一步骤。
目前关于全电池在循环过程中的阻抗研究较多，但是难以将循环过程中正极与电解液的界面特性以及负极与电解液的界面特性区分开来，采用传统的对称电池的方法可以单独测试正极或负极与电解液的界面特性，但是如果研究循环过程中阻抗变化则需在特定的循环周数下将电池拆解组装对称电池，实验过程复杂，需要多支全电池进行循环测试，且对全电池的一致性要求较高。因此，本发明提出一种简单、有效评价锂离子电池电极与电解液界面的方法，具有很强的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子电池电极与电解液界面评价方法，该方法简单易行，判断锂离子电池电极与电解液界面在循环过程中的变化。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种锂离子电池电极与电解液界面评价方法，包括以下步骤：
(1)选取单面涂覆的同一批次的电池正极极片和负极极片，将所述正极极片和负极极片与电解液组装成多组单层软包全电池；
(2)将多组单层软包全电池采用不同的工步在测试柜上进行化成、满电及空电测试；
(3)将满电态及空电态的全电池在手套箱中拆解，取出正极极片和负极极片；
(4)将取出的正极极片和负极极片进行去除残存电解液处理；
(5)将满电态的负极极片与空电状态的负极及片组装成负极对称电池；
(6)将负极对称电池静置4-12h,对其施加0.05C～1C的恒定电流，电压范围-2～2V，在0～55℃的测试温度下进行循环测试；
(7)将空电态的正极极片与满电状态的正极极片组装成正极对称电池；
(8)将正极对称电池静置4-12h，对其施加0.05C～1的恒定电流，电压范围-1～1V，在0～55℃的测试温度下进行循环测试；
(9)将正、负极对称电池循环至不同的循环周数进行阻抗测试。
上述方案中，所述将多组单层软包全电池采用不同的工步在测试柜上进行化成、正极对称电池循环测试，以及负极对称电池循环测试均采用夹具约束。
上述方案中，步骤(3)中，所述将满电态及空电态的全电池在手套箱中拆解，其拆解过程中手套箱的水含量和氧含量小于0.1ppm。
上述方案中，所述步骤(4)中，正极极片和负极极片去除残存电解液，采用在手套箱中用DMC浸泡10～30min以除去残存的电解液。
上述方案中，所述正极极片和负极极片用DMC浸泡10～30min以除去残存的电解液后静置5～10min。
上述方案中，步骤(7)中，正极对称电池的组装应控制环境露点，在手套箱或干燥房中完成组装。
上述方案中，所述步骤(9)中，正、负极对称电池在50％SOC下测试阻抗。
附图说明
图1是本发明的负极对称不同循环周数的交流阻抗图谱；
图2是本发明的正极对称不同循环周数的交流阻抗图谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
实施例1
一种锂离子电池负极与电解液界面的评价方法，采用对称电池循环测试方法，包括以下步骤：
S1：采用单面涂覆的同一批次的正极极片和负极极片，注入电解液，组装两个单层软包全电池；
S2：静置4h后，将所述两支电池按照如下两种工步在新威检测柜上进行化成和满电及空电测试：
工步1(化成及满电测试)：(1)0.05C充电至4.2V；(2)搁置5min；(3)0.05C放电至3V；(4)搁置5min；(5)0.1C充电至4.2V；(6)搁置5min；(7)0.1C放电至3V；(8)搁置5min；(9)从第(5)步开始循环2周；(10)0.05C恒流恒压充电至4.2V，截止电流0.01C。
工部2(化成及空电测试)：(1)0.05C充电至4.2V；(2)搁置5min；(3)0.05C放电至3V；(4)搁置5min；(5)0.1C充电至4.2V；(6)搁置5min；(7)0.1C放电至3V；(8)搁置5min；(9)从第(5)步开始循环2周；(10)0.05C恒流恒压充电至4.2V，截止电流0.01C；(11)0.05C放电至3V；(12)0.01C放电至3V。
S3：将步骤S2中满电态及空电态的全电池在手套箱中拆解，取出正极极片和负极极片；
S4：将步骤S3中的正极极片和负极极片在手套箱中用DMC浸泡10min以除去残存的电解液；
S5：将满电态中的负极极片(嵌锂状态)与空电态中的负极极片(嵌锂状态)组装成负极对称电池；
S6：将步骤S5中的负极对称电池静置12h，对其施加一定的恒定电流(0.1C)，电压范围-2～2V，在25℃的测试温度下进行循环测试。
S7：将负极对称电池循环至不同的循环周数，并在50％SOC状态下进行阻抗测试。负极对称电池不同循环周数的阻抗变化如图1所示。
实施例2
一种锂离子电池正极与电解液界面的评价方法，采用对称电池循环测试方法，包括以下步骤：
S1：采用单面涂覆的同批次的正极和负极极片，注入电解液，组装2个单层软包全电池；
S2：静置12h后，将所述两支电池按照如下两种工步在新威检测柜上进行化成和满电及空电测试：
工步1(化成及满电测试)：(1)0.05C充电至4.2V；(2)搁置5min；(3)0.05C放电至3V；(4)搁置5min；(5)0.1C充电至4.2V；(6)搁置5min；(7)0.1C放电至3V；(8)搁置5min；(9)从第(5)步开始循环2周；(10)0.05C恒流恒压充电至4.2V，截止电流0.01C。
工部2(化成及空电测试)：(1)0.05C充电至4.2V；(2)搁置5min；(3)0.05C放电至3V；(4)搁置5min；(5)0.1C充电至4.2V；(6)搁置5min；(7)0.1C放电至3V；(8)搁置5min；(9)从第(5)步开始循环2周；(10)0.05C恒流恒压充电至4.2V，截止电流0.01C；(11)0.05C放电至3V；(12)0.01C放电至3V。
S3：将步骤S2中满电态及空电态的全电池在手套箱中拆解，取出正负极极片；
S4：将步骤S3中的正负极极片在手套箱中用DMC浸泡30min以除去残存的电解液；
S5：将空电态中的正极极片(嵌锂状态)与满电态中的正极极片(嵌锂状态)组装成正极对称电池；
S6：将步骤S5中的正极对称电池静置4h，对其施加一定的恒定电流(0.05C)，电压范围-1～1V，在25℃的测试温度下进行循环测试。
将正极对称电池循环至不同的循环周数，并在50％SOC状态下进行阻抗测试。正极对称电池不同循环周数的阻抗变化如图2所示。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种锂离子电池电极与电解液界面评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取单面涂覆的同一批次的电池正极极片和负极极片，将所述正极极片和负极极片与电解液组装成多组单层软包全电池；
(2)将多组单层软包全电池采用不同的工步在测试柜上进行化成、满电及空电测试，具体包括：工步1化成及满电测试，工步2化成及空电测试；
(3)将满电态及空电态的全电池在手套箱中拆解，取出正极极片和负极极片；
(4)将取出的正极极片和负极极片进行去除残存电解液处理；
(5)将满电态的负极极片与空电状态的负极极片组装成负极对称电池；
(6)将负极对称电池静置4-12h,对其施加0.05C～1C的恒定电流，电压范围-2～2V，在0～55℃的测试温度下进行循环测试；
(7)将空电态的正极极片与满电状态的正极极片组装成正极对称电池；
(8)将正极对称电池静置4-12h，对其施加0.05C～1C的恒定电流，电压范围-1～1V，在0～55℃的测试温度下进行循环测试；
(9)将正、负极对称电池循环至不同的循环周数进行阻抗测试；
步骤(3)中，所述将满电态及空电态的全电池在手套箱中拆解，其拆解过程中手套箱的水含量和氧含量小于0.1ppm。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池电极与电解液界面评价方法，其特征在于：所述将多组单层软包全电池采用不同的工步在测试柜上进行化成、正极对称电池循环测试，以及负极对称电池循环测试均采用夹具约束。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池电极与电解液界面评价方法，其特征在于：所述步骤(4)中，正极极片和负极极片去除残存电解液，采用在手套箱中用DMC浸泡10～30min以除去残存的电解液。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池电极与电解液界面评价方法，其特征在于：所述正极极片和负极极片用DMC浸泡10～30min以除去残存的电解液后静置5～10min。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池电极与电解液界面评价方法，其特征在于：步骤(7)中，正极对称电池的组装应控制环境露点，在手套箱或干燥房中完成组装。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池电极与电解液界面评价方法，其特征在于：所述步骤(9)中，正、负极对称电池在50％SOC下测试阻抗。
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