CN110988715A - 一种检测电池电芯自放电电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型检测锂电池/电池组品质的方法，所述方法是通过电池自放电电流来预测电池自放电电流大小；所述电池电芯自放电电流的方法包括如下步骤：1)对样品电池进行充放电，模拟其自放电过程，得到样品电池的V‑Q曲线，对V‑Q曲线求微分，可得dV/dQ‑V曲线；2)测试样品电池在长期放置过程中各电压下的K值；3)根据如下公式计算得到所述电池电芯自放电电流：F(V)＝dV/dQ＝dV/d(T*I)＝dV/d(T)*/I＝K/I；I＝K/F(V)；采用所述方法获得的电池自放电电流在不同电压下变化程度非常小，不受电压变化的影响(现有的K值检测值不同电压下是波动的)，可以更精确的预测电池优劣和存放时间。

Description

一种检测电池电芯自放电电流的方法

技术领域

本发明属于软包锂离子电池制造技术领域，该方案涉及一种检测电池电芯自放电电流的方法，其适用于精确检测电池电芯自放电电流的方法，通过所述方法可以进一步判断锂电池/电池组品质的优劣。

背景技术

随着科技的发展，便携式设备成了人们生活中必不可少的生活用品；而锂电池由于其能量密度高、待机时间长等优点一直是便携式设备(诸如手机、笔电、平板、蓝牙耳机等等)的首选的配用电源。但是锂离子电池在放置过程中存在自放电现象，导致其应用环境受限。

发明内容

由于锂电池的材料体系以及制备过程等因素的影响，自放电是其一大特征。而自放电使锂电池在长期存储过程中容易出现低压、零压等失效现象；或者两个以上锂电池串并联配组时，极易出现串压差，导致电池组整体容量偏低，严重时可能会导致设备无法正常开机使用。而目前衡量电池自放电的特征指标是K值，公式为K＝ΔV/ΔT，其物理意义是单位时间内电压衰减值，单位为mV/h。目前用K值衡量电池自放电的测量方法有如下漏洞：

1.如图1所示，通过实际测量，相同制备过程和组成的不同电池在不同电压段测试的K值相差很大，且常规是凭借技术人员的经验确定K值拟定标准值，因此，通过K值判断电池的好坏不仅要考虑电压因素，还要考虑技术人员的评判标准是否一致，这进一步增加了判断电池优劣的难度；

2.笔记本用电源系统为多个电池串联在一起，即形成电池组，当组成电池组的各电池的品质不一致时，会产生串压差(电池组最高电压和最低电压的差值)，导致一部分容量损失(pass Q)无法放出，当电池组串压差或Pass Q过大时，最严重时会导致电脑无法开机。由于电池特性，不同电压段，相同的容量变化导致的电压变化不一样，即相同的容量损失pass Q在不同电压段电池组的串压差值差异大，所以用串压差衡量电芯容量损失pass Q不精准；而知道Pass Q时，反向推导电池组串压差，由于Pass Q不同电压段几乎恒定，所以求出的串压差相对更精准(串压差在充放电末端时需要考虑电池的直流内阻)。

为了改善现有技术的不足，本发明的目的是提供一种检测电池电芯自放电电流的方法和一种检测锂电池/电池组品质的方法，通过直接测试求取电池电芯自放电电流的方法可以精确检测电池电芯自放电电流速率，为进一步判断锂电池/电池组的优劣提供理论基础。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种检测电池电芯自放电电流的方法，所述方法包括如下步骤：

1)对样品电池进行充放电，模拟其自放电过程，实时检测电池的电压V和容量Q，得到样品电池的V-Q曲线，对V-Q曲线求微分，得到dV/dQ-V曲线；

2)测试样品电池在长期放置过程中各电压下的K值；

3)根据如下公式计算得到所述电池电芯自放电电流：

F(V)＝dV/dQ＝dV/d(T*I)＝dV/d(T)*/I＝K/I；

I＝K/F(V)；

其中，V为电压；Q为容量；I为自放电电流；T为自放电电流I对应的微分时间；K为电压衰减速率。

根据本发明，步骤1)中，所述样品电池可以为设计相同和制备过程相同的若干电池；例如通过抽样的方式选取具有代表性的电池为样品电池。

示例性地，所述设计相同例如为电池材料体系相同，结构尺寸相同。例如，所述电池的正负极活性材料相同、电解液相同、隔膜相同、集流体相同等等。所述电池的结构尺寸相同，例如为尺寸相同的软包锂电池等等。

根据本发明，步骤1)中，以5-15mA的电流对样品电池进行充放电，可以得到样品电池的V-Q曲线，例如图2所示，其中，图2的横坐标因为选择的电池的电芯不同，其电容也不同，一般为6000mA以内。

根据本发明，步骤1)中，dV/dQ-V曲线(F(V)曲线)主要受到电池设计体系和制备过程影响，对于相同的设计体系和制备过程的锂电池，其dV/dQ-V曲线(F(V)曲线)的变化度非常微小；例如图3所示的三个电池的F(V)曲线基本完全重合。

根据本发明，步骤2)中，电池在存放过程中，电压会随着存放时间的延长逐渐降低，在预设存放时间点测试不同电压下的K值。示例性地，将待测电池放置在恒温环境中，在预定的时刻t测量电芯的电压，比如t₀的电压为V₀，t₁的电压为V₁，K值＝(V₀-V₁)/(t₁-t₀)。

例如，测试待测电池在3.82～3.98V的K值。

根据本发明，步骤3)中，根据公式I＝K/F(V)，求取不同电压下的自放电电流，电池在不同电压下的自放电电流几乎不变；如图5所示；图5中，三条直线从上到下依次为0.015、0.042、0.075，表示K值分别为0.015、0.042、0.075时对应的电芯自放电值。

本发明还提供一种检测锂电池/电池组品质的方法，所述方法包括上述的检测电池电芯自放电电流的方法，所述方法还包括如下步骤：

设定自放电电流阈值，当测试得到的电池的自放电电流大于该阈值时，说明待检测的锂电池/电池组品质不好；当测试得到的电池的自放电电流小于等于该阈值时，说明待检测的锂电池/电池组品质好。

根据本发明，所述阈值可以根据行业规定或电池组保护板定义值的阈值进行设定。

本发明还提供一种检测锂电池/电池组品质的方法，所述方法包括上述的检测电池电芯自放电电流的方法，所述方法还包括如下步骤：

(1)计算电池在不同自放电电流下满足规格电压时的理论存放时间；

(2)将电池恒温存储并检测电池电压衰减，确认至规格电压时的测试时间；

(3)根据理论存放时间和测试时间判断待检测的锂电池/电池组的品质。

根据本发明，步骤(1)具体包括如下步骤：

(1-1)通过上述的检测电池电芯自放电电流的方法，计算出电池电芯的自放电电流I₁；

(1-2)通过如下公式计算理论存放时间：

假设电池从目前的V₂电压衰减到V₃电压时容量损失为Q；理论存放时间T为：T＝Q/I₁。

根据本发明，步骤(1)和步骤(2)中，所述规格电压例如为不小于3.90V。

根据本发明，步骤(3)具体包括如下步骤：

(3-1)当电池电压衰减至规格电压时的测试时间大于理论存放时间30～50％以上时，说明电池自放电电流在增大(理论是不变)，其内部自放电不可控，电池很大几率是坏品；

(3-2)当电池电压衰减至规格电压时的测试时间小于或等于理论存放时间时，说明电池自放电电流不变或减小(理论是不变)，其内部自放电可控，电池很大几率是良品；

(3-3)当电池电压衰减至规格电压时的测试时间大于理论存放时间0-30％时，说明电芯自放电电流品质能满足产品需求电池，电池很大几率是良品。

电池自放电失效模式会以多种形式存在，整体上可概括为两种：一种是电池材料特性决定或者受到制程一定程度的影响(其影响未导致电池质变)，不可避免的会存在自放电电流，这种电池在不同电压下的自放电电流阈值是可控的；一种是当制程因素影响失控或显著增大时，电池生产过程粉尘污染加剧，粉尘会在卷芯制造或使用过程中，击穿正负极间的隔膜层导致正负极产生较大的自放电电流(大于阈值)；以及正极被金属杂质(如铜、铁、镍等)污染，其杂质会在正负极产生氧化还原反应，在正负极间形成导通的导体，加剧电池的自放电电流。通过本申请的检测锂电池/电池组品质的方法可以控制或识别出这种失效模式的锂电池/电池组。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种新型检测锂电池/电池组品质的方法，所述方法是通过电池自放电电流来预测电池自放电电流大小；采用所述方法获得的电池自放电电流在不同电压下变化程度非常小，不受电压变化的影响(现有的K值检测值不同电压下是波动的)，可以更精确的预测电池优劣和存放时间。

附图说明

图1为相同制备过程和组成的不同电池在不同电压下K值分布状态；

图2为以5-15mA的电流对样品电池进行放电，得到样品电池的V-Q曲线；

图3为相同制备过程和组成的三个电池的放电dV/dQ-V曲线；

图4为相同制备过程和组成的3个电池长期放置K值测试数据；

图5为相同制备过程和组成的3个电池在不同K值下计算的电池自放电电流值；

图6为实施例3的电池从3.94～3.90V的dV/dQ图；

图7为实施例4的电池串联放电模式；

图8为实施例4的电池组的ΔV/ΔQ图。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的制备方法做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

选取3个相同制备方法和组成的4.45V体系的电池，在0.02C倍率下进行充放电，获得dV/dQ图；测试其在3.94V的K值，分别为0.015mV/h、0.045mV/h、0.08mV/h；通过I＝K/F(V)计算自放电电流为57μA/h，196μA/h，309μA/h。如图4和图5所示。

实施例2

选取3个相同制备方法和组成的4.40V体系电池，测量其在3.97V时的K值分别为0.03mV/h，0.051mV/h，0.084mV/h；根据某电压段的已知K值，I＝K/F(V)；由于I不变，F(V)曲线已知，可求取某电压下的K值，理论计算3.944V，3.941V，3.90V下的K值分别为0.0305mV/h，0.057mV/h，0.108mV/h；实际测试其值误差在3％以内。结果如下表所示。

实施例3

预测用于手机领域的电池从一个电压段衰减到另一个电压段的时间。

电池的设计电压为4.45V，额定容量为3340mAh，已知该电池在3.94V的K值上限值为0.06mV/h。采用如下两种方式确认电池电压从3.94V衰减到3.90V的时间。

方案1：

由于3.94V的K值为0.06mV/h，通过公式求取I＝K/F(V)，获得电池自放电电流I为242μA/h(0.242mA/h)，同时测试得电池从3.94V放电到3.90V的容量占总容量的4.25％；计算出电池存储时间为3340*4.25％/0.242/24＝24.4天。

方案2：

由于电池自放电电流恒定，在0.02C充放电做dV/dQ曲线，然后通过origin积分，参照3.94V的K值为0.06mV/h求取3.94V到3.90V的平均K值为0.0732mV/h；如图6中的直线所示。计算出电芯电压从3.94V降低到3.90V的放置时间为22.8天((3.94-3.90)*1000/0.0732/24＝22.8天)。

实际测试该批量电池的实际存储时间最低为26天，与预测时间基本吻合。

实施例4

预测用于笔电领域的电池组从初始时间电池电压相同(串压差等于0)，根据实施例1预测三个电池组成的电池组的自放电电流差为309-57＝252μA/h；假设该电池组在pack仓库放置了2个月，其量Pass Q＝252μA/h*2*30d*24h＝362880μA＝362.88mA，即该电池组存放两个月后的容量损失为362.88mA；如图7所示。

由于已知电池组损失容量值，可根据公式F(V)＝ΔV/ΔQ，通过如图8的图表查询，相同ΔQ不同电压下的串压差ΔV的变化。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种检测电池电芯自放电电流的方法，所述方法包括如下步骤：

1)对样品电池进行充放电，模拟其自放电过程，实时检测电池的电压V和容量Q，得到样品电池的V-Q曲线，对V-Q曲线求微分，得到dV/dQ-V曲线；

2)测试样品电池在长期放置过程中各电压下的K值；

3)根据如下公式计算得到所述电池电芯自放电电流：

F(V)＝dV/dQ＝dV/d(T*I)＝dV/d(T)*/I＝K/I；

I＝K/F(V)；

其中，V为电压；Q为容量；T为时间；I为自放电电流；K为电压衰减速率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤1)中，以5-15mA的电流对样品电池进行充放电，得到样品电池的V-Q曲线。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤2)中，电池在存放过程中，电压不断降低，在预设存放时间点测试不同电压下的K值；

优选地，测试待测电池电压在3.82～3.98V的K值。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤2)中，将待测电池放置在恒温环境中，定时测量电芯的电压，比如t₀的电压为V₀，t₁的电压为V₁，K＝(V₀-V₁)/(t₁-t₀)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其中，步骤3)中，根据公式I＝K/F(V)，求取不同电压下的自放电电流，电池在不同电压下的自放电电流波动在3％以内。

6.一种检测锂电池/电池组品质的方法，所述方法包括权利要求1-5任一项所述的检测电池电芯自放电电流的方法，所述方法还包括如下步骤：

设定自放电电流阈值，当测试得到的电池的自放电电流大于该阈值时，说明待检测的锂电池/电池组品质不好；当测试得到的电池的自放电电流小于等于该阈值时，说明待检测的锂电池/电池组品质好。

7.一种检测锂电池/电池组品质的方法，所述方法包括权利要求1-5任一项所述的检测电池电芯自放电电流的方法，所述方法还包括如下步骤：

(1)计算电池在不同自放电电流下满足规格电压时的理论存放时间；

(2)将电池恒温存储并检测电池电压衰减，确认至规格电压时的测试时间；

(3)根据理论存放时间和测试时间判断待检测的锂电池/电池组的品质。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤(1)具体包括如下步骤：

(1-1)通过上述的检测电池电芯自放电电流的方法，计算出电池电芯的自放电电流I₁；

(1-2)通过如下公式计算理论存放时间：

假设电池从目前的V₂电压衰减到V₃电压时容量损失为Q；理论存放时间T为：T＝Q/I₁。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，步骤(1)和步骤(2)中，所述规格电压例如为不小于3.90V。

10.根据权利要求7-9任一项所述的方法，其中，步骤(3)具体包括如下步骤：

(3-1)当电池电压衰减至规格电压时的测试时间大于理论存放时间30～50％以上时，说明电池自放电电流在增大(理论是不变)，其内部自放电不可控，电池很大几率是坏品；

(3-2)当电池电压衰减至规格电压时的测试时间小于或等于理论存放时间时，说明电池自放电电流不变或减小(理论是不变)，其内部自放电可控，电池很大几率是良品；

(3-3)当电池电压衰减至规格电压时的测试时间大于理论存放时间0-30％时，说明电芯自放电电流品质能满足产品需求电池，电池很大几率是良品。

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