CN109917301A

CN109917301A - 一种电池正极和负极阻抗的测试方法

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Publication number: CN109917301A
Application number: CN201910133288.2A
Authority: CN
Inventors: 郭纪; 孔令丽; 马洪运; 赵彤; 张志荣
Original assignee: Tianjin Lishen Battery JSCL
Current assignee: Tianjin Lishen Battery JSCL
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2019-06-21

Abstract

本发明公开了一种电池正极和负极阻抗的测试方法，包括步骤：第一步、对于需要测试的电池，在第一预设时长内，以预设大小的第一电流进行充电或放电，然后实时采集电池的第一输出电压、第一正极电位和第一负极电位；第二步、继续对电池在第二预设时长内，以预设大小的第二电流进行充电或放电，然后实时采集电池的第二输出电压、第二正极电位和第二负极电位；第三步、将电池的第一正极电位和第二正极电位之差，以及将电池的第一负极电位和第二负极电位之差，分别与第一电流和第二电流之差进行求商，获得电池的正极阻抗和负极阻抗。本发明可以准确、可靠地测试出电池的正极阻抗和负极阻抗，进而评价正极阻抗和负极阻抗对电池阻抗的影响程度。

Description

一种电池正极和负极阻抗的测试方法

技术领域

本发明涉及电池和具有阴极和阳极的容器件技术领域，特别是涉及一种电池正极和负极阻抗的测试方法。

背景技术

电池的内阻是指电池在工作时，充放电电流流过电池内部所受到的阻力，电池的内阻是电池性能的重要标志之一，无论是电池容量不足，存储，充放电不当等，都可以通过电池的内阻的变化表现出来，因而，可以通过测量电池的内阻来对电池的工作状态进行评估。

但是，电池内阻的变化是由正极引起，还是负极引起，目前还没有一种方法，能够准确、可靠地判断出来，从而不利于明确电池阻抗的改善方向。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种电池正极和负极阻抗的测试方法，其可以准确、可靠地测试出电池的正极阻抗和负极阻抗，进而评价正极阻抗和负极阻抗对电池阻抗的影响程度，有利于明确电池阻抗的改善方向，具有重大的实践意义。

为此，本发明提供了一种电池正极和负极阻抗的测试方法，包括以下步骤：

第一步、对于需要测试的电池，在第一预设时长内，以预设大小的第一电流进行充电或放电，然后实时采集电池的第一输出电压、第一正极电位和第一负极电位；

第二步、继续对电池在第二预设时长内，以预设大小的第二电流进行充电或放电，然后实时采集电池的第二输出电压、第二正极电位和第二负极电位；

第三步、将电池的第一正极电位和第二正极电位之差，与第一电流和第二电流之差进行求商，获得电池的正极阻抗，以及将电池的第一负极电位和第二负极电位之差，与第一电流和第二电流之差进行求商，获得电池的负极阻抗。

其中，第一电流和第二电流不相等。

其中，在进行第三步时，电池的荷电状态大于零。

其中，在所述第三步之后，还包括步骤：

第四步：当电池处于不同的荷电状态时，分别执行第一步至第三步，对应获得电池处于不同的荷电状态时，所分别具有的电池阻抗、正极阻抗和负极阻抗，其中，电池阻抗等于正极阻抗和负极阻抗之和；

第五步：对于处于不同的荷电状态下的电池，分别根据正极阻抗和负极阻抗分在电池阻抗中所占的比例大小，对应评价正极阻抗和负极阻抗对于电池阻抗的影响程度，该比例大小与影响程度成正比关系。

其中，所述电池为三电极电池，所述三电极电池包括正极、负极和参比电极。

其中，所述参比电极为锂片、铂电极或甘汞电极。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种电池正极和负极阻抗的测试方法，其可以准确、可靠地测试出电池的正极阻抗和负极阻抗，进而评价正极阻抗和负极阻抗对电池阻抗的影响程度，有利于明确电池阻抗的改善方向，具有重大的实践意义。

附图说明

图1为本发明提高的一种电池正极和负极阻抗的测试方法的流程图；

图2为本发明提供的一种电池正极和负极阻抗的测试方法，在对一个三电极电池先后用不同的电流进行放电时的放电曲线图；

图3为本发明提供的一种电池正极和负极阻抗的测试方法，在对一个三电极电池先后用不同的电流进行放电时，其中一段时间内的放电曲线图；

图4为本发明提供的一种电池正极和负极阻抗的测试方法，所应用的一种三电极电池的结构示意简图；

图5为本发明提供的一种电池正极和负极阻抗的测试方法，在对实施例提供的一种三电极电池进行测试时，所获得的电池荷电状态、正极阻抗、负极阻抗和电池阻抗的对应关系示意图；

图6为本发明提供的一种电池正极和负极阻抗的测试方法，在对实施例提供的一种三电极电池进行测试时，所获得的正极阻抗、负极阻抗在电池阻抗中的占比示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1至图6，本发明提供了一种电池正极和负极阻抗的测试方法，包括以下步骤：

第一步、对于需要测试的电池，在第一预设时长(t₁)内，以预设大小的第一电流(I₁)进行充电或放电，然后实时采集电池的第一输出电压(V₁)、第一正极电位(ψ₁ ⁺)和第一负极电位(ψ₁ ^-)；

第二步、继续对电池在第二预设时长(t₂)内，以预设大小的第二电流(I₂)进行充电或放电，然后实时采集电池的第二输出电压(V₂)、第二正极电位(ψ₂ ⁺)和第二负极电位(ψ₂ ^-)；

需要说明的是，对于本发明，当第一步和第二步，均为放电操作时，电池的放电曲线如图2、图3所示。

第三步、将电池的第一正极电位(ψ₁ ⁺)和第二正极电位(ψ₂ ⁺)之差，与第一电流(I₁)和第二电流(I₂)之差进行求商，获得电池的正极阻抗，以及将电池的第一负极电位(ψ₁ ^-)和第二负极电位(ψ₂ ^-)之差，与第一电流(I₁)和第二电流(I₂)之差进行求商，获得电池的负极阻抗。

在本发明中，具体实现上，在第一步和第二步中，第一预设时长(t₁)以及第二预设时长(t₂)的长度，可以根据用户的需要进行设定，例如，可以为两万秒。

在本发明中，具体实现上，在第一步和第二步中，第一电流(I₁)和第二电流(I₂)的大小，可以根据用户的需要进行设定，例如，可以为2安培。

在本发明中，具体实现上，第一电流(I₁)和第二电流(I₂)不局限电流值，其中一个电流甚至可以为0，只要第一电流(I₁)和第二电流(I₂)之间存在电流差(即不相等)即可。

在本发明中，具体实现上，在进行第三步时，电池的荷电状态SOC(即剩余电量)应当大于零，即具有一定大小的SOC。

需要说明的是，对于本发明，电池的正极阻抗和负极阻抗的测试原理如下：

电池阻抗DCIR(Cell)＝(V₂-V₁)/(I₂-I₁)＝((ψ₂ ⁺-ψ₂ ^-)-(ψ₁ ⁺-ψ₁ ^-))/(I₂-I₁)

＝((ψ₂ ⁺-ψ₁ ⁺)-(ψ₂ ^--ψ₁ ^-))/(I₂-I₁)＝((ψ₂ ⁺-ψ₁ ⁺)/(I₂-I₁)+(ψ₁ ^--ψ₂ ^-))/(I₂-I₁)

＝DCIR(+)+DCIR(-)；

因此，可以推导得出，电池阻抗DCIR、正极阻抗DCIR及负极阻抗DCIR分别如下：

电池阻抗DCIR(Cell)＝(V₂-V₁)/(I₂-I₁)；

正极阻抗DCIR(+)＝((ψ₂ ⁺-ψ₁ ⁺)/(I₂-I₁)；

负极阻抗DCIR(-)＝(ψ₁ ^--ψ₂ ^-))/(I₂-I₁)。

因此，根据两次充电(或者放电)操作时，电池的正极电位差和电流差的比值，可以计算正极阻抗，以及根据负极的电位差和电流差的比值，可以计算负极阻抗。

需要说明的是，对于本发明，第一步可以为对电池进行放电或充电操作，第二步也可以为对电池进行放电或者充电操作，因此，本发明不仅除了适用于放电变化过程，同理也适用于充电过程对于正极和负极阻抗的分析，只要有电流扰动，都可以用该方法进行分析。

在本发明中，具体实现上，为了评价正极阻抗和负极阻抗对于电池阻抗的影响大小(即比例)，在所述第三步之后，还可以包括步骤：

第四步：当电池处于不同的荷电状态SOC(即剩余电量)时，分别执行第一步至第三步，对应获得电池处于不同的荷电状态SOC时，所分别具有的电池阻抗、正极阻抗和负极阻抗，其中，电池阻抗等于正极阻抗和负极阻抗之和；

第五步：对于处于不同的荷电状态SOC下的电池，分别根据正极阻抗和负极阻抗分在电池阻抗中所占的比例大小，对应评价正极阻抗和负极阻抗对于电池阻抗的影响程度，该比例大小与影响程度成正比关系。也就是说，比例越大，影响越大，反之，比例越小，影响越小。

因此，对于本发明，基于第四步和第五步，分别计算正极阻抗与负极阻抗对电池阻抗的影响比例，根据比例关系，可以确认正极和负极对电池阻抗的影响程度。本发明通过在不同SOC状态下实施第一步和第三步的测试方法，能够分别比较在不同荷电状态下的电池正极和负极，对电池阻抗的影响程度。

需要说明的是，对于本发明，根据第四步，可以以电池的荷电状态SOC为横坐标，电池阻抗、电池正极及负极阻抗为纵坐标绘图，获得图5所示本发明提供的一种电池正极和负极阻抗的测试方法，在对实施例提供的一种三电极电池进行测试时，所获得的电池荷电状态、正极阻抗、负极阻抗和电池阻抗的对应关系示意图；此外，根据第五步，可以以正极阻抗和负极阻抗占电池阻抗的比例大小为横坐标，为比例值为纵坐标绘图，获得图6所示本发明提供的一种电池正极和负极阻抗的测试方法，在对实施例提供的一种三电极电池进行测试时，所获得的正极阻抗、负极阻抗在电池阻抗中的占比示意图。

对于本发明，如图5所示，根据实验电池阻抗的变化，可以分析产生变化的原因是正极还是负极变化引起。

在本发明中，具体实现上，所述电池优选为三电极电池，所述三电极电池包括正极、负极和参比电极。

具体实现上，所述参比电极不局限于锂片，可以为铂电极，甘汞电极等。

下面通过具体实施例来说明本发明的技术方案。

实施例

对于本发明提供的一种电池正极和负极阻抗的测试方法，优选为针对三电极电池进行实施，

首先，制作一个三电极电池。具体过程如下：

1、正极片的制作：将钴酸锂、导电剂、聚偏氟乙烯(PVDF胶)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)按一定比例(例如，质量比为66:1.5:2:30.5)混合搅拌，然后涂布、碾压、剪切获得正极片。

2、负极片制作：将人造石墨、羧甲基纤维素钠(CMC)、导电剂、粘结剂和去离子水按照一定比例(例如，质量比为48:0.5:0.5:1:48)混合搅拌，然后涂布，碾压，剪切获得负极片。

3、三电极电池制备：参见图4所示，一个三电极电池包括电池壳体4、正极1、负极2和参比电极3。正极1、负极2和参比电极3依次放置，组装并封装于电池壳体4内，正极1和负极2之间、负极2和参比电极3之间设有隔膜5，参比电极3的参比电极极耳30与正极1的正极耳10、负极2的负极耳20，分别从电池壳体4引出，三电极电池需要有充裕的电解液，减少界面阻抗影响。

然后，运行本发明的方法，对三极电池进行正极阻抗和负极阻抗的测试。

第一步：电池以第一电流(I₁)开始充电或放电，持续一定时间(t₁)放电后，该电流结束时，采集电池的电压(V₁)、正极电位(ψ₁ ⁺)和负极电位(ψ₁ ^-)，然后更改电流为第二电流(I₂)，持续放电时间(t₂)，该电池放电结束时，采集电池的电压(V₂)、正极电位(ψ₂ ⁺)和负极电位(ψ₂ ^-)。

以70％的荷电状态(SOC)下的电池数据为例。电池的电压、正极电位以及负极电位的测试结果，如下表1所示。

表1：

I<sub>1</sub>(A)	-0.21329	V<sub>1</sub>(V)	4.068	ψ<sub>1</sub><sup>+</sup>(V)	4.199	ψ<sub>1</sub><sup>-</sup>(V)	0.131
								I<sub>2</sub>(A)	-2.20034	V<sub>2</sub>(V)	3.967	ψ<sub>2</sub><sup>+</sup>(V)	4.142	ψ<sub>2</sub><sup>-</sup>(V)	0.174

第二步：根据电池在两次放电操作中采集的正极电位差和电流差的比值，计算正极阻抗，以及根据采集的负极的电位差和电流差的比值，计算负极阻抗。

电池阻抗DCIR、正极阻抗及负极阻抗DCIR的计算结果如下表2所示。

表2：

I<sub>2</sub>-I<sub>1</sub>(A)	DCIR(Cell)/mΩ	DCIR(+)/mΩ	DCIR(-)/mΩ
				-1.987	0.051	0.029	0.022

第三步：然后分别测试在不同荷电状态下的电池阻抗DCIR、正极阻抗DCIR和负极阻抗DCIR，测试结果如下表3所示。

表3：

然后，可以以电池的荷电状态SOC为横坐标，正极阻抗及负极阻抗及比例为纵坐标绘图，如图5和图6所示。

从图5可以清晰看出，在低荷电态下电池阻抗的增加，是由于正极阻抗增加所导致，这时候，正极阻抗对电池阻抗的影响更大。

另外，从图5和图5上也可以看出，随着电池荷电态的降低，正极的阻抗明显增加。正极阻抗增加的主要原因，是因为随着荷电状态的降低，正极材料导电性变差，从而导致增加正极阻抗。

基于以上技术方案可知，对于本发明，其可以应用于三电极电池，即在电池的正极与负极中间加入参比电极，通过在不同倍率的充放电下，利用电流差引起的正极与负极的电位差，可以分别计算正极阻抗和负极阻抗，并且可以计算正极阻抗和负极阻抗对于电池阻抗的影响比例。在不同SOC(即电池荷电状态，也叫剩余电量)情况下测量，可以分析在不同荷电状态下的正极和负极对电池阻抗的影响程度，从而确定改善方向。该方法过程简单，可以清晰分析电池阻抗的组成因素。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种电池正极和负极阻抗的测试方法，其可以准确、可靠地测试出电池的正极阻抗和负极阻抗，进而评价正极阻抗和负极阻抗对电池阻抗的影响程度，有利于明确电池阻抗的改善方向，具有重大的实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种电池正极和负极阻抗的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，第一电流和第二电流不相等。

3.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在进行第三步时，电池的荷电状态大于零。

4.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在所述第三步之后，还包括步骤：

5.如权利要求1至4中任一项所述的测试方法，其特征在于，所述电池为三电极电池，所述三电极电池包括正极、负极和参比电极。

6.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述参比电极为锂片、铂电极或甘汞电极。