CN110487367A - 一种锂离子电池最大安全注液量的评测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池最大安全注液量的评测方法，先测量设计注液量m_标的锂离子电池在约束至设计厚度h_标状态下的内部空电剩余体积V_标、电池从空电到满电极片体积的增加值ΔV_胀以及电池单位厚度变化所导致的电池内部体积变化η，得到注液量为最大安全注液量m(未知数)的电池在在无约束自由状态(厚度h_自，一般大于设计厚度h_标)下的内部空电剩余体积V₀以及在约束至模组预留厚度h_模状态下的电池内部满电剩余体积V_m，从而得到最大安全注液量m。本发明中的评测方法考虑了电池在模组中使用时内部的上限气压作为计算锂离子电池最大安全注液量的依据，具有较强的实用性及灵活性，且免去了复杂的注液量梯度实验，操作简单快捷。

Description

一种锂离子电池最大安全注液量的评测方法

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子电池最大安全注液量的评测方法。

背景技术

锂离子电池的注液量是电池设计的一项关键参数，其不仅影响着电池的电性能参数，更与电池的安全性能密切相关。

注液量过多会导致电池内部剩余空间减小，内部气压增大，电池过充安全保护装置(OSD，OverchargeSafetyDevice)及防爆阀有反转开阀的风险，从而导致电池漏液失效，因此找到一种方法用于确定锂离子电池最大安全注液量极为重要。此外，安全评估要结合实际使用环境，锂离子电池广泛应用于电动汽车，通常在模组限位约束条件下使用，因此在评估电池的最大安全注液量时更需要考虑电池在模组中的约束状态。

目前还没有一种行之有效的锂离子电池最大安全注液量的评测方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种锂离子电池最大安全注液量的评测方法，以较简单的试验操作，即可获取锂离子电池最大安全注液量，且可用于不同模组约束厚度下的评测。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种锂离子电池最大安全注液量的评测方法，包括以下步骤：

S1、测量注液量为设计注液量m_标的电池在约束至设计厚度h_标状态下的空电内部剩余体积V_标以及电池从空电到满电状态极片体积的增加值ΔV_胀；其中，设计厚度h_标、设计注液量m_标均为给定值；

S2、测量电池单位厚度变化所导致的电池内部体积变化η，具体步骤：

S22、胶封未注液电池的注液口，测量电池厚度h₁后，将电池完全浸没于装水容器中，采用排水法，得到装水容器内液位体积变化V₁；

S23、取出电池，打开注液口，充入空气使电池体积膨胀增加0.5％～1％，重新胶封注液口，测量此时电池厚度h₂，将电池完全浸没于装水容器中，采用排水法，得到此时装水容器内液位体积变化V₂；

S24、重复步骤S23多次，得到h_n与V_n的对应点，n≥3，以h_n为横坐标，V_n为纵坐标作图并线性拟合，拟合线斜率即为所述电池单位厚度变化所导致的电池内部体积变化η；

S3、测量电池在无约束的自由状态下的厚度h_自得到最大注液量m的电池在无约束自由状态下的内部空电剩余体积V₀＝V_标-(m-m_标)/ρ+(h_自-h_标)·η；具体来说，可根据V_标、h_标、η得到注液量为最大安全注液量m(未知数)的电池在无约束自由状态(厚度h_自，一般大于设计厚度h_标)下的内部空电剩余体积V₀：即V_标减去由电解液量导致的体积变化(m-m_标)/ρ，再加上由厚度增加导致的体积变化(h_自-h_标)·η，从而得到：V₀＝V_标-(m-m_标)/ρ+(h_自-h_标)·η；

S4、测量得到电池约束至模组内预留厚度h_模，得到最大注液量m的电池在厚度h_模状态下内部满电剩余体积V_m＝V_标-(m-m_标)/ρ-ΔV_胀+(h_模-h_标)·η；具体来说，可根据V_标、h_标、ΔV_胀、η得到注液量为最大安全注液量m(未知数)的电池在约束至模组内预留厚度h_模状态下内部满电剩余体积V_m：即V_标减去由电解液量导致的体积变化(m-m_标)/ρ，再减去空电到满电的极片体积膨胀ΔV_胀，再加上由厚度增加导致的体积变化(h_自-h_标)·η，从而得到：V_m＝V_标-(m-m_标)/ρ-ΔV_胀+(h_模-h_标)·η；

S5、根据理想气体状态方程P_mV_m＝P₀V₀，可得到P_m＝P₀V₀/V_m；进一步地并基于电池的安全条件：内部气压低于OSD结构翻转压力P_m≤P_反，其中，P_反为OSD结构反转压力，得到最大安全注液量将V₀及V_m的表达式带入P_m的表达式即可推导最大安全注液量表达式：

这是由于，从实际情况来说，电池在空电自由状态下封口(此时气压为大气压P₀)，再被约束至模组预留厚度h_模，则基于理想气体状态方程P_mV_m＝P₀V₀，得到P_m＝P₀V₀/V_m，并进一步基于电池的安全条件：内部气压低于OSD结构翻转压力P_m≤P_反，其中，P_反为OSD结构反转压力)，得到最大安全注液量将V₀及V_m的表达式带入理想气体状态方程得到最大安全注液量。

进一步的，步骤S1中，所述电池内部空电剩余体积V_标的测试包括以下步骤：

S11、在露点环境下，称量注液量等于设计注液量m_标的锂离子电池重量m₀；

S12、将电池约束至设计厚度h_标状态下，电池在空电状态下打开电池注液口，向所述电池中补充电解液直至电解液溢出，擦拭清理去除溢出的电解液后，封闭电池注液口，静置至少12h，主要是为了使得电解液充分浸润极片；

S13、重复步骤S12至少两次，步骤S12的次数可根据操作调整，但为了保证电解液充分浸润极片，电解液充满电池内部，步骤S12应至少重复两次，可根据实际情况进行适当增加次数。

S14、去除电池注液口的封闭物，称重充满电解液的电池重量m₁，得到电池内部空电剩余体积V_标＝(m₁-m₀)/ρ，其中ρ为电解液密度；

步骤S1中，所述电池从空电到满电状态极片体积的增加值ΔV_胀的测试方法为：将完成步骤S14的电池约束至设计厚度h_标的状态下，对电池充满电，由于充电过程极片膨胀，电解液会由于内部剩余空间不足而溢出，此时，擦拭清理去除溢出电解液，称量电池重量m₂，得到电池由空电到满电极片体积的增加值ΔV_胀＝(m₁-m₂)/ρ。

进一步的，步骤S1中，所述对电池充满电的具体过程为：采用1C电流恒流转恒压将电池从空电充电至满电。由于不同电池型号状态不同，因此，这里空电电压和满电电压不做具体的限定。

进一步的，步骤S2中，所述排水法的具体步骤为：先记录电池未浸入时装水容器液位H₁，将电池完全浸没于水中后，记录装水容器的液位H₂，得到所述装水容器内液位体积变化为(H₂-H₁)s，其中s为装水容器底面积。

进一步的，所述评测方法中，除设计厚度h_标、模组内预留厚度h_模均为给定值，其电池厚度的测量均采用游标卡尺测量为实测值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的评测方法所需的实验操作简单，考虑了电池在模组中使用时内部的上限气压作为计算锂离子电池最大安全注液量的依据，具有较强的实用性及灵活性，且免去了复杂的注液量梯度实验，操作简单快捷。可用于不同模组预留厚度下最大注液量的计算，灵活性强、结果准确，可避免电池由于注液量过多导致的漏液风险，为电池的注液量设计提供准确的风险评估参数。

附图说明

图1为本发明实施例中电池排水体积V_n与厚度h_n之间关系曲线。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合具体的实施例对本发明进行更全面的描述。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方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

一种锂离子电池最大安全注液量的评测方法，包括以下步骤：

S1、测量注液量为设计注液量m_标＝138g的电池在约束至设计厚度h_标＝26.5mm状态下的空电(2.8V)内部剩余体积V_标以及电池从空电(2.8V)到满电(4.2V)状态极片体积的增加值ΔV_胀，具体方法如下：

S11、在露点环境(≤-50℃)下，称量注液量为设计注液量m_标＝138g的锂离子电池总重量m₀＝885g；

S12、将电池约束至设计厚度h_标＝26.5mm状态下，电池在空电状态(2.8V)下打开电池注液口，向所述电池中补充电解液直至电解液溢出，擦拭清理去除溢出的电解液后，胶封电池注液口，静置至少12h，使得电解液浸润极片；

S13、重复步骤S12三次，保证电解液充分浸润极片，电解液充满电池内部；

S14、去除电池注液口的封胶，称量充满电解液的电池重量m₁＝897g，得到电池内部V_标＝(m₁-m₀)/ρ＝(897-885)/1.2＝10mL，其中ρ为电解液密度，本实施例中为1.2g/cm³；

步骤S1中，所述电池从空电2.8V到满电4.2V状态极片体积的增加值ΔV_胀的测试方法为：将完成步骤S14的电池约束至设计厚度h_标＝26.5mm状态下，对电池采用1C电流恒流转恒压从2.8V充至4.2V，由于充电过程极片膨胀，电解液会由于内部剩余空间不足而溢出，擦拭清理去除溢出电解液，称重电池重量m₂＝892.56g，可得到电池由空电到满电极片体积的增加值ΔV_胀＝(m₁-m₂)/ρ＝(897-892.56)/1.2＝3.7mL；

S2、获取电池单位厚度变化所导致的电池内部体积变化η，具体方法如下：

S21、取未注液电池采用密封胶封堵注液口，测量电池厚度h₁＝26.5mm，将电池完全浸没于底面积为30cm²、初始液位高度为200.00mm的量筒中，浸入后液位高度变为309.00mm，计量此时水箱液位体积变化即为电池体积V₁＝327.0mL；

S22、取出电池，打开注液口，充入空气使电池体积膨胀约0.5％-1％，重新采用密封胶封堵注液口，测量此时电池厚度h₂＝26.8mm，将电池完全浸没于水箱中，采用与S21的排水法，计量此时水箱液位体积变化V₂＝328.5mL；

S23、重复步骤S22n次，得到多个h_n与V_n对应点；n≥3，以h_n为横坐标，V_n为纵坐标作图并线性拟合，如图1所示，可拟合得到电池排水体积与厚度之间的关系V_n＝4.0001h+221.35，则电池单位厚度变化所导致的电池内部体积变化η取拟合线斜率近似为4mL/mm；

S3、根据V_标、h_标、η得到注液量为最大安全注液量m(未知数)的电池在在无约束自由状态(厚度h_自＝27.3mm)下的内部空电剩余体积V₀：即V_标减去由电解液量导致的体积变化(m-m_标)/ρ，再加上由厚度增加导致的体积变化(h_自-h_标)·η，从而得到：V₀＝V_标-(m-m_标)/ρ+(h_自-h_标)·η＝10-(m-138)/1.2+(27.3-26.5)×4；

S4、根据V_标、h_标、ΔV_胀、η推算注液量为最大安全注液量m的电池在约束至模组预留厚度h_模＝27mm时内部满电剩余体积V_m：即V_标减去电解液量导致体积变化(m-m_标)/ρ，再减去空电到满电的极片体积膨胀ΔV_胀，再加上由厚度增加导致的体积变化(h_自-h_标)·η，有

V_m＝V_标-(m-m_标)/ρ-ΔV_胀+(h_模-h_标)·η＝10-(m-138)/1.2-3.7+(27-26.5)×4；

S5、根据实际情况来说，电池在空电自由状态下封口(此时气压为大气压P₀)，再被约束至模组预留厚度，则基于理想气体状态方程P_mV_m＝P₀V₀，再基于根据电池的安全条件：内部气压低于OSD结构翻转压力P_m≤P_反(P_反为OSD结构反转压力，本实施例中取值400kPa)，将V₀及V_m的表达式待入理想气体方程即可得到最大安全注液量：

采用本发明的评测方法操作简单，可用于不同模组预留厚度下最大注液量的计算，灵活性强，结果准确，可避免电池由于注液量过多导致的漏液风险。

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 (5)

1.一种锂离子电池最大安全注液量的评测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、测量注液量为设计注液量m_标的电池在约束至设计厚度h_标状态下的空电内部剩余体积V_标以及电池从空电到满电状态极片体积的增加值ΔV_胀；

S2、测量电池单位厚度变化所导致的电池内部体积变化η，具体步骤：

S22、胶封未注液电池的注液口，测量电池厚度h₁后，将电池完全浸没于装水容器中，采用排水法，得到装水容器内液位体积变化V₁；

S23、取出电池，打开注液口，充入空气使电池体积膨胀增加0.5％～1％，重新胶封注液口，测量此时电池厚度h₂，将电池完全浸没于装水容器中，采用排水法，得到此时装水容器内液位体积变化V₂；

S24、重复步骤S23多次，得到h_n与V_n的对应点，n≥3，以h_n为横坐标，V_n为纵坐标作图并线性拟合，拟合线斜率即为所述电池单位厚度变化所导致的电池内部体积变化η；

S3、测量电池在无约束的自由状态下的厚度h_自，从而得到最大注液量m的电池在无约束自由状态下的内部空电剩余体积V₀＝V_标-(m-m_标)/ρ+(h_自-h_标)·η；

S4、测量得到电池约束至模组内预留厚度h_模，从而得到最大注液量m的电池在厚度h_模状态下内部满电剩余体积V_m＝V_标-(m-m_标)/ρ-ΔV_胀+(h_模-h_标)·η；

S5、根据理想气体状态方程P_mV_m＝P₀V₀，并基于电池的安全条件：内部气压低于OSD结构翻转压力P_m≤P_反，其中，P_反为OSD结构反转压力，得到最大安全注液量：

2.如权利要求1所述的评测方法，其特征在于，步骤S1中，所述电池内部空电剩余体积V_标的测试包括以下步骤：

S11、在露点环境下，称量注液量等于设计注液量m_标的锂离子电池重量m₀；

S12、将电池约束至设计厚度h_标状态下，电池在空电状态下打开电池注液口，向所述电池中补充电解液直至电解液溢出，擦拭清理去除溢出的电解液后，封闭电池注液口，静置至少12h；

S13、重复步骤S12至少两次；

S14、去除电池注液口的封闭物，称重充满电解液的电池重量m₁，得到电池内部空电剩余体积V_标＝(m₁-m₀)/ρ，其中ρ为电解液密度；

步骤S1中，所述电池从空电到满电状态极片体积的增加值ΔV_胀的测试方法为：将完成步骤S14的电池约束至设计厚度h_标的状态下，对电池充满电，擦拭清理去除溢出电解液，称量电池重量m₂，得到电池由空电到满电极片体积的增加值ΔV_胀＝(m₁-m₂)/ρ。

3.如权利要求2所述的评测方法，其特征在于，步骤S1中，所述对电池充满电的具体过程为：采用1C电流恒流转恒压将电池从空电充电至满电。

4.如权利要求1所述的评测方法，其特征在于，步骤S2中，所述排水法的具体步骤为：先记录电池未浸入时装水容器液位H₁，将电池完全浸没于水中后，记录装水容器的液位H₂，得到所述装水容器内液位体积变化为(H₂-H₁)s，其中s为装水容器底面积。

5.如权利要求1所述的评测方法，其特征在于，所述评测方法中，电池厚度的测量均采用游标卡尺测量。