CN109980723A - 锂离子电池放电设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锂离子电池放电设备和方法。该方法包括：监测待放电电池的开路电压，对待放电电池进行第一阶段放电，对待放电电池进行第二阶段放电，对待放电电池进行第三阶段放电。通过在电池高电位(开路电压大于或等于第一预设值)时以较小的电流放电，低电位(开路电压处于第一预设值和第二预设值之间)时以较大的电流放电，“过放电”(开路电压小于或等于第二预设值)时又以较小的电流放电，能够确保作业的安全性，并保证电池能够彻底放电，达到再生处理前稳定化的目的。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池回收领域，特别是涉及一种锂离子电池放电设备和方法。
背景技术
锂离子电池因其工作电压高、能量大、自放电小等突出特点，被广泛用于诸多领域，特别是手机、电子行业。随着锂离子电池应用的不断发展，汽车工业也逐渐将锂离子电池用作其动力源提供动力。但是锂离子电池具有一定的使用周期，一旦达到其使用周期后就会面临报废退役。
随着我国锂离子电池的广泛应用，特别是新能源汽车的快速发展，未来将有大量的废旧锂离子电池退役。这些退役的锂离子电池无论是否作梯次利用，最终都是要作报废处理。而锂离子电池是能量储存装置，报废之后仍会残存一定的电量，且锂离子(或锂金属)非常活泼，遇水或空气均会发生剧烈的反应，如拆解不当极容易引起正负极短路从而可能造成爆炸、火灾等安全事故。所以，废旧锂离子电池(破碎)再生处理前的稳定化十分必要。根据锂离子电池的反应原理，实现其稳定化最可靠的方法就是将其彻底放电，因此，急需一种安全可靠的方法完成锂离子电池的完全放电。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种锂离子电池放电设备和方法。
一种锂离子电池放电设备，包括：
电压测试装置，用于监测待放电电池的开路电压。
电路装置，包括直流电源、电流电压控制系统、负载电阻。
所述待放电电池、直流电源和负载电阻串联形成一个电流回路，所述待放电电池的正极与所述直流电源的负极连接。所述电流电压控制系统根据所述电压测试装置的检测值控制直流电源输出的电流值，使得在所述开路电压大于或等于第一预设值时待放电电池进行第一阶段放电，所述开路电压处于第一预设值和第二预设值之间时待放电电池进行第二阶段放电，所述开路电压小于或等于第二预设值时待放电电池进行第三阶段放电。所述直流电源在第一阶段输出的电流值小于所述第二阶段输出的电流值、大于所述第三阶段输出的电流值。
在其中一个实施例中，所述电压测试装置与所述待放电电池并联，通过测得的负载电压反应所述开路电压，所述第一阶段放电在所述负载电压大于或等于第一截止电压时进行，所述第二阶段放电在所述负载电压处于第一截止电压和第二截止电压之间时进行，所述第三阶段放电在所述负载电压小于第二截止电压时进行，所述第一截止电压大于所述第二截止电压，所述第二截止电压大于所述第三截止电压。
在其中一个实施例中，锂离子电池放电设备还包括防呆夹具，待放电电池通过防呆夹具电连接所述电路装置，通过防呆夹具避免电池正负极接反。
在其中一个实施例中，第一、第二及第三阶段放电为恒流放电。
在其中一个实施例中，第一阶段放电的放电电流为1至3倍电池容量，第二阶段放电的放电电流为3至5倍电池容量，第三阶段放电的放电电流为0.5至1倍电池容量。
在其中一个实施例中，所述第一截止电压为3.8伏特至3.9伏特，所述第二截止电压为2.5伏特，所述第三截止电压为-1伏特。
一种锂离子电池放电方法，包括：
监测待放电电池的开路电压。
当开路电压大于或等于第一预设值时，待放电电池串联直流电源和负载电阻进行第一阶段放电。
当开路电压处于第一预设值和第二预设值之间时，待放电电池串联直流电源和负载电阻进行第二阶段放电，第一预设值大于第二预设值。
当开路电压小于或等于第二预设值时，待放电电池串联直流电源和负载电阻进行第三阶段放电，直至开路电压降为第三预设值。直流电源在第一阶段提供的放电电流小于第二阶段的放电电流、大于第三阶段的放电电流。
在其中一个实施例中，第一阶段放电的放电电流为1至3倍电池容量，第二阶段放电的放电电流为3至5倍电池容量，第三阶段放电的放电电流为0.5至1倍电池容量。
在其中一个实施例中，第一预设值为3.9伏特，第二预设值为2.75伏特，第三预设值为0至0.5伏特。
在其中一个实施例中，监测待放电电池的开路电压的步骤，是将待放电电池串联直流电源和负载电池，通过与待放电电池并联的电压测试装置测得的负载电压反映开路电压。
第一阶段放电在负载电压大于或等于第一截止电压时进行，第二阶段放电在负载电压处于第一截止电压和第二截止电压之间时进行，第三阶段放电在负载电压小于第二截止电压时进行，第一截止电压为3.8伏特至3.9伏特，第二截止电压为2.5伏特，第三截止电压为-1伏特。
上述锂离子电池放电设备和方法，在电池高电位(开路电压大于或等于第一预设值)时以较小的电流放电，低电位(开路电压处于第一预设值和第二预设值之间)时以较大的电流放电，“过放电”(开路电压小于或等于第二预设值)时又以较小的电流放电，能够确保作业的安全性，并保证电池能够彻底放电，达到再生处理前稳定化的目的。
附图说明
图1为常规锂离子电池物理放电的原理图；
图2为图1对应原理图的锂离子电池物理放电的电压-时间曲线图；
图3为常规锂离子电池化学放电的原理图；
图4为一实施例中锂离子电池放电设备的基本原理图；
图5为一实施例中锂离子电池放电方法的流程图；
图6为一实施例中，锂离子电池放电方法在锂离子电池放电设备中的流程图；
图7为一实施例中，待放电电池放电程序的流程图；
图8为一实施例中，18650单体圆柱电池待放电电池的放电工艺菜单图；
图9为一实施例中待放电电池放电完成后验证其稳定性的流程图；
图10为采用本发明放电方法进行放电后18650单体圆柱电池的OCV数据图；
图11为图10对应的OCV数据分布图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语属于本发明的技术领域的技术人员的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的属于“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
目前行业内废旧锂离子电池的安全放电主要采取两种方法：一种是物理放电，如图1，该方法主要是通过外接负载自然消耗完电池的残余电量，这种方法效率低下，而且当待放电电池放电到电压较低时，电池的放电速率极其缓慢，很难将残余电量彻底放完，从图2放电曲线可以看出，该方法需要10天以上的放电时间，效率较低，对于大规模批量化生产不具有经济可行性。
另一种是化学放电，如图3，即利用废旧电池的正极、负极为阴极和阳极，在溶液中通过电解过程来消耗电池中残余的电量，该方法主要以NaCl溶液作为电解质。实际操作时将待放电锂离子电池浸没到NaCl溶液中进行放电，该方法虽然简单可行，但是在NaCl溶液中放电电池的阳极会析出氯气，其电极反应方程式如下：
阳极：2Cl--2e→Cl2↑
阴极：2H++2e→H2↑
一方面氯气会腐蚀电极，使放电电池内的电解液泄露出来，污染电池表面和整个NaCl溶液体系，另一方面大量的氯气挥发到空气中对操作人员的工作环境产生了严重的污染。
如图4，本申请提供一种锂离子电池放电设备，包括：
电压测试装置406，用于监测待放电电池408的开路电压。
电路装置，包括直流电源402、电流电压控制系统404、负载电阻410。待放电电池408、直流电源402和负载电阻410串联形成一个电流回路，所述待放电电池408的正极与直流电源402的负极连接，电流电压控制系统404根据电压测试装置406的检测值控制所述直流电源402输出的电流值，使得在开路电压大于或等于第一预设值时待放电电池进行第一阶段放电，开路电压处于第一预设值和第二预设值之间时待放电电池进行第二阶段放电，开路电压小于或等于第二预设值时待放电电池进行第三阶段放电；直流电源402在第一阶段输出的电流值小于第二阶段输出的电流值、大于第三阶段输出的电流值。
当直流电源402持续放电时待放电电池的电量就会耗尽，且会变成负电压。其中，控制串联电流回路中电流值的大小的目的主要是防止待放电电池“过热”而出现安全问题。
在一实施例中，直流电源402是可调控的恒流源，它的电流大小是可以设置的，当设置为某一电流值时，待放电电池408、直流电源402和负载电阻410串联的电流回路就会按照该设定电流进行放电。第一、第二及第三阶段放电为恒流放电。
在一实施例中，电压测试装置406和待放电电池408并联，实时监测待放电电池306两端的负载电压，通过测得的负载电压反映待放电电池的开路电压，第一阶段放电在负载电压大于或等于第一截止电压时进行，第二阶段放电在所述负载电压处于第一截止电压和第二截止电压之间时进行，第三阶段放电在所述负载电压小于第二截止电压时进行，第一截止电压大于第二截止电压，所述第二截止电压大于所述第三截止电压。
电流电压控制系统404实时采集电压测试装置406的检测值，当检测值达到设定电压时，电流电压控制系统404向直流电源402发送调节信号，调节直流电源402的电流值。
在一实施例中，所述电流电压控制系统通过单片机程序控制调节直流电源电流值的大小。
在一实施例中，直流电源为输出范围可在0～200V、0～400A调节的电源。
在一实施例中，负载电阻为0～10Ω的电阻。
在一实施例中，锂离子电池放电设备还包括防呆夹具，待放电电池通过防呆夹具电连接电路装置，通过防呆夹具避免电池正负极接反。
一实施例中，待放电电池的正极和负极与防呆夹具的两导电端电连接，通过防呆夹具将待放电电池与直流电源、负载电阻、电压测试装置电性连接。可以根据实际需要设计制作不同形状、不同尺寸的防呆夹具。
在一实施例中，电路装置还包括显示屏和按钮，可以通过按钮设置放电程序各步骤中截止电压和放电电流的值，显示屏用于显示数据、工步等信息。
在一实施例中，第一阶段放电的放电电流为1至3倍电池容量，优选为2倍电池容量；第二阶段放电的放电电流为3至5倍电池容量，第三阶段放电的放电电流为0.5至1倍电池容量。其中，放电电流为1至3倍电池容量，即锂电池以1C～3C的放电电流放电。如1200mAh的电池，1C的放电电流为1200mA(1200mAh的1倍率)。
在一实施例中，第一截止电压为3.8伏特至3.9伏特，第二截止电压为2.5伏特，第三截止电压为-1伏特。
在一实施例中，废旧锂离子电池完全放电的设备工作在小于等于45摄氏度的室温环境中。
相应提供一种锂离子电池放电方法,包括：
S502，监测待放电电池的开路电压。
S504，对待放电电池进行第一阶段放电。
当所述开路电压大于或等于第一预设值时，待放电电池串联直流电源和负载电阻进行第一阶段放电。
S506，对待放电电池进行第二阶段放电。
当所述开路电压处于第一预设值和第二预设值之间时，待放电电池串联直流电源和负载电阻进行第二阶段放电，其中，第一预设值大于第二预设值。
S508，对待放电电池进行第三阶段放电。
当所述开路电压小于或等于第二预设值时，所述待放电电池串联直流电源和负载电阻进行第三阶段放电，直至所述开路电压降为第三预设值。
直流电源在第一阶段提供的放电电流小于第二阶段的放电电流、大于第三阶段的放电电流。
在一实施例中，第一阶段放电的放电电流为1至3倍电池容量，例如2倍电池容量。第二阶段放电的放电电流为3至5倍电池容量，第三阶段放电的放电电流为0.5至1倍电池容量。
在一实施例中，监测待放电电池的开路电压的步骤，是将放电电池串联直流电源和负载电阻，通过与待放电电池并联的电压测试装置测得的负载电压反映开路电压。在一实施例中，第一阶段放电在负载电压大于或等于第一截止电压时进行，第二阶段放电在负载电压处于第一截止电压和第二截止电压之间时进行，第三阶段放电在负载电压小于第二截止电压时进行，其中，第一截止电压大于所述第二截止电压，第二截止电压大于第三截止电压。
在一实施例中，第一截止电压为3.8伏特至3.9伏特，第二截止电压为2.5伏特，第三截止电压为-1伏特。
在一实施例中，锂离子电池放电方法在锂离子电池放电设备中的具体操作流程步骤如下：
S602，待放电电池表面处理及设备放置。
首先，将待放电锂离子单体电池正极和负极两端表面清洁干净。其次，将该待放电锂离子电池和锂离子电池放电设备放置在室温环境中，例如25℃±5℃、23℃±2℃、20℃±5℃的环境温度中。
在一实施例中，锂离子电池放电是在小于等于45摄氏度的环境中进行的。
S604，将待放电电池接入串联电路中。
将表面处理过的待放电电池装到防呆夹具上，确保夹具与电池的正极和负极接触良好，并且确认该待放电电池与设备电路装置中的直流电源为串联电连接，即该放电电池与电路装置内部直流电源和负载电阻形成的串联电路构成一个电流回路。
S606，设置待放电电池对应的放电程序。
为确保作业的安全性，在待放电电池高电位时以较小的电流放电，低电位时以较大的电流放电，“过放电”时又以较小的电流放电。步骤S602至S604可以在步骤S502之前进行。
在一实施例中，待放电电池的放电程序步骤如下：
S702，开路电压大于等于3.9伏特时，以1C～3C的电流恒流放电。
锂电池以3C的放电电流放电是指锂电池的放电电流是锂电池标称容量的3倍。当待放电电池开路电压(OCV，open circuit voltage)大于等于3.9伏特时，电流回路的恒流放电电流设置为1倍至3倍电池容量，直至截止电压为3.8伏特至3.9伏特，优选的截止电压值为3.8伏特。
S704，开路电压小于3.9伏特大于等于2.75伏特时，以3C～5C的电流恒流放电。
当待放电电池OCV小于3.9伏特大于等于2.75伏特时，电流回路的恒流放电电流设置为3倍至5倍电池容量，直至截止电压为2.5伏特。
S706，开路电压小于2.75伏特时，以0.5C～1C的电流恒流放电。
当待放电电池OCV小于2.75伏特时，电流回路的恒流放电电流设置为0.5倍至1倍电池容量，直至截止电压为-1伏特，即是OCV为0伏特～0.5伏特。
以18650单体圆柱电池为例，待放电电池的放电程序设置如图8所示，其中，工步1截止电压为3.9V，恒流电流为2C，工步2截止电压为2.5V，恒流电流为3C，工步3截止电压为-1V，恒流电流为1C。待放电电池的总的放电时间不超过20分钟，与传统放电方式相比效率提高了500倍以上。
在一实施例中，待放电电池对应的放电程序可通过电路装置进行设置。
在一实施例中，待放电电池放电完成后还要验证其稳定性(安全性)，验证步骤如下：
S902，测试待放电电池的OCV值。
使用万用表测试待放电电池放电稳定后的OCV值，并统计其OCV数值的分布情况，以18650单体圆柱电池为例，对100个放电完成样品进行OCV测试，稳定化处理后的OCV数据如图10所示，对应的OCV数据分布图如图11所示，通过图10、11可知，经过本发明的待放电锂离子电池放电设备进行放电稳定化处理之后，电池的OCV均低于0.5V，并且集中分布在0.17V左右。
S904，对放电电池进行破碎处理。
在一实施例中，采用双轴撕碎机对放电处理过的电池进行破碎处理，并且在破碎处理过程中观察是否有冒烟、起火、爆炸等现象。
测试结果显示，经过该方法处理过的锂离子电池均未出现冒烟、起火、爆炸等严重安全事故。
综上所述，采用该方法对锂离子电池作稳定化处理，其效率比常规方法高500倍以上，且操作安全，不对环境造成任何污染。
锂离子电池放电方法应用于锂离子电池放电设备中，对于方法和设备的实施例相关内容可以互相参考借鉴，这里不做赘述。
上述锂离子电池放电设备和方法，在电池高电位(开路电压大于或等于第一预设值)时以较小的电流放电，低电位(开路电压处于第一预设值和第二预设值之间)时以较大的电流放电，“过放电”(开路电压小于或等于第二预设值)时又以较小的电流放电，能够确保作业的安全性，并保证电池能够彻底放电，达到再生处理前稳定化的目的。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种锂离子电池放电设备，包括：
电压测试装置，用于监测待放电电池的开路电压；
电路装置，包括直流电源、电流电压控制系统、负载电阻，所述待放电电池、所述直流电源和所述负载电阻串联形成一个电流回路，所述待放电电池的正极与所述直流电源的负极连接；所述电流电压控制系统根据所述电压测试装置的检测值控制所述直流电源输出的电流值，使得在所述开路电压大于或等于第一预设值时待放电电池进行第一阶段放电，所述开路电压处于第一预设值和第二预设值之间时待放电电池进行第二阶段放电，所述开路电压小于或等于第二预设值时待放电电池进行第三阶段放电；所述直流电源在第一阶段输出的电流值小于所述第二阶段输出的电流值、大于所述第三阶段输出的电流值。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电压测试装置与所述待放电电池并联，通过测得的负载电压反映所述开路电压，所述第一阶段放电在所述负载电压大于或等于第一截止电压时进行，所述第二阶段放电在所述负载电压处于第一截止电压和第二截止电压之间时进行，所述第三阶段放电在所述负载电压小于第二截止电压时进行，所述第一截止电压大于第二截止电压，所述第二截止电压大于所述第三截止电压。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括防呆夹具，所述待放电电池通过所述防呆夹具电连接所述电路装置，通过防呆夹具避免电池正负极接反。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一、第二及第三阶段放电为恒流放电。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，所述第一阶段放电的放电电流为1至3倍电池容量，所述第二阶段放电的放电电流为3至5倍电池容量，所述第三阶段放电的放电电流为0.5至1倍电池容量。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述第一截止电压为3.8伏特至3.9伏特，所述第二截止电压为2.5伏特，所述第三截止电压为-1伏特。
7.一种锂离子电池放电方法,包括：
监测待放电电池的开路电压；
当所述开路电压大于或等于第一预设值时，所述待放电电池串联直流电源和负载电阻进行第一阶段放电；
当所述开路电压处于第一预设值和第二预设值之间时，所述待放电电池串联直流电源和负载电阻进行第二阶段放电；所述第一预设值大于所述第二预设值；
当所述开路电压小于或等于第二预设值时，所述待放电电池串联直流电源和负载电阻进行第三阶段放电，直至所述开路电压降为第三预设值；所述直流电源在第一阶段提供的放电电流小于所述第二阶段的放电电流、大于所述第三阶段的放电电流。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一阶段放电的放电电流为1至3倍电池容量，所述第二阶段放电的放电电流为3至5倍电池容量，所述第三阶段放电的放电电流为0.5至1倍电池容量。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一预设值为3.9伏特，所述第二预设值为2.75伏特，所述第三预设值为0至0.5伏特。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述监测待放电电池的开路电压的步骤，是将待放电电池串联直流电源和负载电阻，通过与所述待放电电池并联的电压测试装置测得的负载电压反映所述开路电压；
所述第一阶段放电在所述负载电压大于或等于第一截止电压时进行，所述第二阶段放电在所述负载电压处于第一截止电压和第二截止电压之间时进行，所述第三阶段放电在所述负载电压小于第二截止电压时进行，所述第一截止电压为3.8伏特至3.9伏特，所述第二截止电压为2.5伏特，所述第三截止电压为-1伏特。
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