CN109814042A - 一种锂离子电池在充放电过程中阻抗变化趋势的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种锂离子电池在充放电过程中阻抗变化趋势的分析方法，可解决锂离子电池在充放电过程中影响阻抗变化的因素很难判断的技术问题。包括以下步骤：按照预先设定的浆料配比和涂布要求制作正极片；测量并计算上述极片的面密度；将上述极片进行辊压，并测量极片辊压后的厚度，计算极片的压实密度；将辊压后的极片烘烤后组装成电池并注入电解液；实时监控上述电池的阻抗并记录；根据不同批次电池中极片的压实密度、极片中的导电剂含量及电池中不同的电解液配比分析阻抗变化趋势。本发明操作方法简单，能够对正极半电池/负极半电池/全电池/三电极电池的阻抗变化趋势进行分析，对分析和研究电池中的阻抗变化及电池失效原因具有一定的指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池在充放电过程中阻抗变化趋势的分析方法。
背景技术
锂离子电池在充放电过程由于锂离子的脱嵌以及电解液与电极材料之间发生反应导致正负极的电荷转移阻抗和SEI膜阻抗会不断变化。之前的工作中研究过不同SOC（荷电状态）下正负极以及全电池阻抗的变化，发现在低SOC下，全电池及正极的阻抗不断降低，在高SOC下，全电池及正极的阻抗保持平衡，几乎没有波动。由于全电池的阻抗主要由正极贡献，而正极材料主要由正极活性物质，导电剂，粘结剂组成，电池中还有一个必备成分电解液，电解液的粘度和电导率也会对电池的阻抗产生影响，因此对上述几个影响因素进行分析，判断影响电荷转移阻抗、电子电导阻抗，SEI膜阻抗的内部原因。
发明内容
本发明提出的一种锂离子电池在充放电过程中阻抗变化趋势的分析方法，可解决锂离子电池在充放电过程中影响阻抗变化的因素很难判断的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种锂离子电池在充放电过程中阻抗变化趋势的分析方法，包括以下步骤：
S100、按照预先设定的浆料配比和涂布要求制作正极片；
S200、测量并计算上述极片的面密度；
S300、将上述极片进行辊压，并测量极片辊压后的厚度，计算极片的压实密度；
S400、将辊压后的极片烘烤后擦除极耳处活性物质、焊接极耳，并组装成电池并注入电解液；
S500、实时监控上述电池的阻抗并记录；
S600、根据不同批次电池中极片的压实密度、极片中的导电剂含量及电池中不同的电解液配比分析阻抗变化趋势。
其中，所述步骤S400中极片与负极石墨组装成全电池，或与锂箔组装成正极半电池，或与石墨极片/铜丝/锂箔组装成三电极电池。
上述方案中，所述步骤S500实时监控上述电池的阻抗，具体为将电池按照倍率要求进行充放电，每隔固定的SOC进行一次阻抗测试，观察不同SOC的阻抗大小。电池中极片的压实密度、极片中的导电剂含量、或电池中不同的电解液配比可能都会导致不同的阻抗变化状态。当极片的压实密度较高时，那么测试的阻抗值将会偏大；极片的导电剂含量较大时，其阻抗值可能会偏小；电极液中的环状酯含量较高时，可以得到粘度较大的电解液，那么测试的阻抗值可能会偏大。
上述方案中，所述步骤S200中极片的面密度=电极质量/极片面积=（极片质量-铝箔质量）/极片面积。
上述方案中，所述步骤S300中极片的压实密度=极片面密度/辊压厚度。
上述方案中，所述步骤S400中极片与负极石墨组装成全电池，或与锂箔组装成正极半电池，或与石墨极片/铜丝组装成三电极电池。
上述方案中，所述步骤S100中浆料中的正极活性物质：导电剂：粘结剂的比例范围为80:10:10~98:1:1，其中导电剂在正极粉料中的占比为1%~10%范围。低的剂含量会导致电子移动速度变慢，这样的阻抗值会偏大；相反，较高的导电剂含量会加快电子的导电速度，使得最终的阻抗值较小。
上述方案中，所述步骤S100中单层涂布的极片面密度的范围在80~200g/m2。涂布面密度的不同是通过涂布厚度来控制，将相同的浆料涂布不同的厚度，烘干后即可得到不同的极片面密度；面密度越大，阻抗越大。
上述方案中，所述步骤S300中极片压实密度范围在1.0~3.5g/cm3。压实密度等于面密度除以涂布厚度，因此相同的面密度的极片在调整辊压厚度时即可达到不同的压实密度；压实密度越大，离子在活性颗粒间穿梭时的阻力越大，阻抗越大；压实密度越小，离子在活性颗粒间穿梭时的阻力越小，阻抗越小。
上述方案中，不同电解液的比例是指主溶剂之间的比例不同，所述步骤S600中电解液的比例是指主溶剂之间的比例，具体为环状酯：线性酯在1:9~9:1的比例范围；所述环状酯为EC、PC，线性酯为EMC、DMC、DEC。考察线性酯和环状酯的比例所导致的电解液电导率和粘度的变化，进而带来的电池阻抗的不同；当环状酯的比例越大的时候，电解液粘度越大，电池阻抗越大；当线性酯比例较大的时候，电解液粘度较小，电池阻抗较小。
由上述技术方案可知，本发明的锂离子电池在充放电过程中阻抗变化趋势的分析方法操作方法简单，能够对正极半电池/负极半电池/全电池/三电极电池等的阻抗变化趋势的原因进行分析，对分析和研究电池中的阻抗变化及电池失效原因具有一定的指导意义。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本实施例所述的锂离子电池在充放电过程中阻抗变化趋势的分析方法，实施例中所用正极活性物质为NCM622，导电剂为烘干的SP（导电炭黑），粘结剂为PVDF，溶剂为NMP（氮甲基吡咯烷酮），软包叠片的尺寸为4.0cm*5.0cm。
如图1所示，主要包括以下步骤：
包括以下步骤：
S100、按照预先设定的浆料配比和涂布要求制作正极片；
S200、测量并计算上述极片的面密度；
S300、将上述极片进行辊压，并测量极片辊压后的厚度，计算极片的压实密度；
S400、将辊压后的极片烘烤后擦除极耳处活性物质、焊接极耳，并组装成电池并注入电解液；
S500、实时监控上述电池的阻抗并记录；
S600、根据不同批次电池中极片的压实密度、极片中的导电剂含量及电池中不同的电解液配比分析阻抗变化趋势。
其中，所述步骤S400中极片与负极石墨组装成全电池，或与锂箔组装成正极半电池，或与石墨极片/铜丝组装成三电极电池。
以下结合具体案例和数据分析：
实施例一
（1）按照正极活性物质：导电剂：粘结剂=8:1:1的比例进行配料，首先称取16g的三元正极活性物质，再称取2g SP，将两者在研钵中混合研磨30min。随后放入烘箱中烘烤5h以上。
（2）按照PVDF：NMP=1:19的比例，称取2gPVDF，38gNMP于烧杯中在磁力搅拌器上搅拌，直到PVDF完全溶解形成无气泡的胶液为止，时间4h以上。
（3）将（1）中的粉末与（2）中的胶液混合，在合浆罐中进行搅拌，调节混合时间，混合转速以及消泡转速、消泡时间将粉末和胶液进行混合形成的浆料。
（4）将上述浆料在涂布机上进行涂布，分为两种涂布厚度，即一种为1号312um，另一种为2号512um，在铝箔上涂出均匀的极片，随后放入90℃的烘箱烘烤30min左右，将极片上的NMP烘干。
（5）将（4）中1号和2号极片用直径为12um的模具打片称重测试面密度，分别为100g/m2，130g/m2。
（6）将（4）中烘干的极片进行辊压，1号极片辊压厚度为60um，2号极片辊压厚度为70um，两者的面密度分别为1.67g/cm3，1.85g/cm3。
（7）将（6）中辊压后的极片放入烘箱中烘烤，烘烤时间24h。
（8）将（7）中烘烤后的极片用4cm*5cm的叠片模具打片，之后将极耳处的活性物质擦除。
（9）将上述1号和2号极片焊接极耳，并与锂箔组装成正极半电池，注入配套的三元电解液，电池编号分别为1号和2号。
（10）将1号和2号不同压实密度的电池测试原位阻抗，用0.05C的倍率进行充放电，间隔10%SOC测试一次阻抗。观察阻抗的变化情况。
（11）对比上述1号和2号电池的阻抗，分析不同压实密度对电池阻抗的影响。
实施例二
（1）按照正极活性物质：导电剂：粘结剂=9.8:0.1:0.1的比例进行配料，首先称取19.6g的三元正极活性物质，再称取0.2g SP，将两者在研钵中混合研磨30min。随后放入烘箱中烘烤5h以上。
（2）按照PVDF：NMP=1:19的比例，称取0.2g PVDF，3.8g NMP于烧杯中在磁力搅拌器上搅拌，直到PVDF完全溶解形成无气泡的胶液为止，时间4h以上。
（3）将（1）中的粉末与（2）中的胶液混合，在合浆罐中进行搅拌，调节混合时间，混合转速以及消泡转速、消泡时间将粉末和胶液进行混合形成的浆料。
（4）将上述浆料在涂布机上进行涂布，分为两种涂布厚度，即一种为1号254um，另一种为2号418um，在铝箔上涂出均匀的极片，随后放入90℃的烘箱烘烤30min左右，将极片上的NMP烘干。
（5）将（4）中1号和2号极片用直径为12um的模具打片称重测试面密度，分别为100g/m2，130g/m2。
（6）将（4）中烘干的极片进行辊压，1号极片辊压厚度为60um，2号极片辊压厚度为70um，两者的面密度分别为1.67g/cm3，1.85g/cm3。
（7） 将（6）中辊压后的极片放入烘箱中烘烤，烘烤时间24h。
（8）将（7）中烘烤后的极片用4cm*5cm的叠片模具打片，之后将极耳处的活性物质擦除。
（9）将上述1号和2号极片焊接极耳，并与锂箔组装成正极半电池，注入配套的三元电解液，电池编号分别为1号和2号。
（10）将1号和2号不同压实密度的电池测试原位阻抗，用0.05C的倍率进行充放电，间隔10%SOC测试一次阻抗。观察阻抗的变化情况。
（11）对比上述1号和2号电池的阻抗，分析不同压实密度对电池阻抗的影响。
综合实施例一和例二的结果，判断不同导电剂的含量对阻抗变化的影响。再进行固定正极材料配比，变化电解液成分中环状酯和线性酯比例来观察电解液粘度和电导率对电池阻抗的影响。
本方法从材料本身入手，分析影响正极半电池/负极半电池/全电池/三电极电池的阻抗变化趋势的原因，该分析思路具有一定的普适性，对分析和研究电池中的阻抗变化和电池失效的内部原因具有一定的指导意义。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种锂离子电池在充放电过程中阻抗变化趋势的分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
S100、按照预先设定的浆料配比和涂布要求制作正极片；
S200、测量并计算上述极片的面密度；
S300、将上述极片进行辊压，并测量极片辊压后的厚度，计算极片的压实密度；
S400、将辊压后的极片烘烤后擦除极耳处活性物质、焊接极耳，并组装成电池并注入电解液；
S500、实时监控上述电池的阻抗并记录；
S600、根据不同批次电池中极片的压实密度、极片中的导电剂含量及电池中不同的电解液配比分析阻抗变化趋势。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池在充放电过程中阻抗变化趋势的分析方法，其特征在于：所述步骤S500实时监控上述电池的阻抗，具体为将电池按照倍率要求进行充放电，每隔固定的SOC进行一次阻抗测试，观察不同SOC的阻抗大小。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池在充放电过程中阻抗变化趋势的分析方法，其特征在于：所述步骤S400中极片与负极石墨组装成全电池，或与锂箔组装成正极半电池，或与石墨极片/铜丝组装成三电极电池。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池在充放电过程中阻抗变化趋势的分析方法，其特征在于：所述步骤S100中浆料中的正极活性物质：导电剂：粘结剂的比例范围为80:10:10~98:1:1，其中导电剂在正极粉料中的占比为1%~10%范围。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池在充放电过程中阻抗变化趋势的分析方法，其特征在于：所述步骤S100中单层涂布的极片面密度的范围在80~200g/m2。
6.根据权利要求4所述的锂离子电池在充放电过程中阻抗变化趋势的分析方法，其特征在于：所述步骤S300中极片压实密度范围在1.0~3.5g/cm3。
7.根据权利要求4所述的锂离子电池在充放电过程中阻抗变化趋势的分析方法，其特征在于：所述步骤S600中电解液的比例是指主溶剂之间的比例，具体为环状酯：线性酯在1:9~9:1的比例范围。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池在充放电过程中阻抗变化趋势的分析方法，其特征在于：所述环状酯为EC、PC，线性酯为EMC、DMC、DEC。
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