CN111008478A - 一种锂离子电池最优n/p比的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池最优N/P比的确定方法，包括：S1.提供具有不同N/P比的两种锂离子电池；S2.对上述锂离子电池进行充放电测试，记录充放电曲线；S3.确定上述两种锂离子电池的初始析锂电压；S4.绘制N/P‑初始析锂曲线；S5.确定待设计锂离子电池的工作电压，基于所述工作电压确定其初始析锂电压；并根据上述N/P‑初始析锂曲线确定待设计锂离子电池的N/P比；S6.依据如下公式确定待设计锂离子电池最优N/P比：最优N/P比=待设计锂离子电池的N/P比+na；其中，n为锂离子电池的安全系数；a为N/P比的增减梯度值。本发明中只需通过设计两种过量比的锂离子电池便能确定最优N/P比，该方法操作简单、易行，适用性好，在电池设计方面具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及了锂离子电池技术领域，特别是涉及了一种锂离子电池最优N/P比的确定方法。
背景技术
锂离子电池是一种二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子电池具有高比能量、寿命长、绿色低碳等优点，在电动汽车、电子消费品中得到广泛应用。然而不合理的锂离子电池设计就会很容易引发电池内部的热失控，导致电池着火、爆炸等不安全事故的发生。
N/P比是电芯设计和使用过程中最重要的参数之一，其是指单位面积上负正极材料的实际容量的比，一般要求N/P比大于1，以确保电池的正常使用性能和安全性。在电芯制作过程中，控制N/P比，可协助确定面密度、活性物质含量等参数，辅助确定电芯使用各阶段“正负极有效容量”比值；在电芯使用过程中，N/P比决定电芯性能。但实际上，在电芯整个周期内，N/P比难以准确测定。这是因为在电芯设计过程中，正负极材料实际工作电压窗口难以确定，因此正负极可逆克容量和效率为估计值；而电芯工作过程中，正负极材料不断衰减，使电极可逆克容量不同程度降低。基于此，针对不同电芯体系，设计的过量比直接决定了电芯的电化学性能。
但目前并无可靠方法确定锂离子电池最优N/P比。
因此，提供一种锂离子电池最优N/P比的确定方法，已经成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
为了弥补已有技术的缺陷，本发明提供一种锂离子电池最优N/P比的确定方法。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
一种锂离子电池最优N/P比的确定方法，包括如下步骤：
S1.提供具有不同N/P比的两种锂离子电池；
S2.对上述具有不同N/P比的两种锂离子电池分别进行充放电测试，记录充放电曲线；
S3.基于所述充放电曲线确定上述两种锂离子电池的初始析锂电压；
S4. 以上述两种锂离子电池的N/P比为横坐标，初始析锂电压为纵坐标，绘制N/P-初始析锂曲线；
S5.确定待设计锂离子电池的工作电压，基于所述工作电压确定其初始析锂电压；并根据上述N/P-初始析锂曲线确定待设计锂离子电池的N/P比；
S6.依据如下公式确定待设计锂离子电池最优N/P比：最优N/P比=待设计锂离子电池的N/P比+na；其中，n为锂离子电池的安全系数；a为N/P比的增减梯度值。
进一步地，步骤S1.提供具有不同N/P比的两种锂离子电池的具体操作为：（1）分别确定正极活性材料和负极活性材料的克容量和效率；（2）基于所述克容量和效率，计算正极材料首次充电容量和负极材料首次充电容量；（3）根据公式计算N/P比，其中公式为：N/P比=(负极材料首次充电容量÷负极活性物质含量×负极面密度） ÷（正极材料首次充电容量÷正极活性物质含量×正极面密度）。
进一步地，步骤S1中两种锂离子电池的N/P比均小于1。
进一步地，所述充放电曲线包括放电曲线和充电曲线；所述充放电曲线以锂离子电池的电压做纵坐标、容量做横坐标。
进一步地，步骤S3.基于所述充放电曲线确定初始析锂电压的操作为：（1）基于所述放电曲线确定所述放电曲线在放电初始阶段出现析锂平台对应的放电时间，根据所述放电时间和放电电流计算析锂容量；（2）采集所述锂离子电池的充电容量；（3）基于所述充电容量和析锂容量的差值，获得初始析锂容量；（4）提取所述充电曲线中对应所述初始析锂容量的电压，即为初始析锂电压。
进一步地，所述n的范围为0.01-10；所述a的范围为0.01-10。
进一步地，待设计锂离子电池的正极活性材料为高镍材料，负极活性材料为石墨时，a为0.1。
进一步地，所述待设计锂离子电池在高温条件下作业时，n为0.5；所述待设计锂离子电池在在低温-10℃条件下作业时，n为6；所述待设计锂离子电池在常温下作业时，n为2。
进一步地，充放电测试为：在25℃±2℃的恒温环境下，将锂离子电池以设定倍率恒流充电至充电截止电压；充电结束后静置；以该设定倍率恒流放电至放电截止电压。
本发明具有如下有益效果：
本发明中只需通过设计两种过量比的锂离子电池便能确定最优N/P比，该方法操作简单、易行，适用性好，在电池设计方面具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1的放电曲线；
图2为本发明实施例1的充电曲线；
图3为本发明实施例1的N/P-初始析锂曲线。
具体实施方式
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
如无特殊说明，本说明书中的术语的含义与本领域技术人员一般理解的含义相同，但如有冲突，则以本说明书中的定义为准。
本文中“包括”、“包含”、“含”、“含有”、“具有”或其它变体意在涵盖非封闭式包括，这些术语之间不作区分。术语“包含”是指可加入不影响最终结果的其它步骤和成分。术语“包含”还包括术语“由…组成”和“基本上由…组成”。本发明的组合物和方法/工艺包含、由其组成和基本上由本文描述的必要元素和限制项以及本文描述的任一的附加的或任选的成分、组分、步骤或限制项组成。
在说明书和权利要求书中使用的涉及组分量、工艺条件等的所有数值或表述在所有情形中均应理解被“约”修饰。涉及相同组分或性质的所有范围均包括端点，该端点可独立地组合。由于这些范围是连续的，因此它们包括在最小值与最大值之间的每一数值。还应理解的是，本申请引用的任何数值范围预期包括该范围内的所有子范围。
一种锂离子电池最优N/P比的确定方法，包括如下步骤：
S1.提供具有不同N/P比的两种锂离子电池；
S2.对上述具有不同N/P比的两种锂离子电池分别进行充放电测试，记录充放电曲线；
S3.基于所述充放电曲线确定上述两种锂离子电池的初始析锂电压；
S4. 以上述两种锂离子电池的N/P比为横坐标，初始析锂电压为纵坐标，绘制N/P-初始析锂曲线；
S5.确定待设计锂离子电池的工作电压，基于所述工作电压确定其初始析锂电压；并根据上述N/P-初始析锂曲线确定待设计锂离子电池的N/P比；
S6.依据如下公式确定待设计锂离子电池最优N/P比：最优N/P比=待设计锂离子电池的N/P比+na；其中，n为锂离子电池的安全系数；a为N/P比的增减梯度值。
具体地，步骤S1.提供具有不同N/P比的两种锂离子电池的具体操作为：（1）分别确定正极活性材料和负极活性材料的克容量和效率；（2）基于所述克容量和效率，计算正极材料首次充电容量和负极材料首次充电容量；（3）根据公式计算N/P比，其中公式为：N/P比=（负极材料首次充电容量÷负极活性物质含量×负极面密度） ÷（正极材料首次充电容量÷正极活性物质含量×正极面密度）。
其中，步骤S1中两种锂离子电池的N/P比均小于1，作为举例，两种锂离子电池的N/P比分别为0.9、0.95，但不局限于此，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
步骤S2中，所述充放电测试为：在25℃±2℃的恒温环境下，将锂离子电池以设定倍率恒流充电至充电截止电压；充电结束后静置；以该设定倍率恒流放电至放电截止电压。
本发明中，对上述设定倍率的具体参数没有特别限制，只要保证其与锂离子电池的实际工作倍率一致即可。作为举例，锂离子电池的实际工作倍率为0.5C，则在充放电测试中设定倍率为0.5C。
本发明中，对充电截止电压的具体参数没有特别限制，充电截止电压要保证锂离子电池过度充电。作为举例，若锂离子电池在4.1V就过充了，则充电截止电压要大于4.1V。
本发明中，所述放电截止电压低于3.5V，更优选地，所述放电截止电压为2.5-3V。
锂离子电池在过度充电时，正极转移到负极的锂离子过多，负极本体材料无法接收多余的锂离子，这些多余的锂离子在负极活性材料本体外失电子后变成锂单质，这就是析锂。放电过程中，这些锂首先得到电子变成锂离子重新回到正极，反应过程中正负极电位是基本恒定的，因此放电曲线会出现一个电压平台，即锂单质重新得到电子回到正极的反应，也叫“析锂平台”，有这个析锂平台就说明在充电的时候，负极有多余的锂，也就是析锂了。因此，只要在充放电测试中是过充，就会出现析锂平台。
步骤S2中，所述充放电曲线包括放电曲线和充电曲线。
所述充放电曲线以锂离子电池的电压做纵坐标、容量做横坐标。具体地，所述放电曲线以锂离子电池的放电电压做纵坐标、容量做横坐标；所述充电曲线以锂离子电池的充电电压做纵坐标、容量做横坐标。
本发明中，步骤S3.基于所述充放电曲线确定初始析锂电压的操作为：（1）基于所述放电曲线确定所述放电曲线在放电初始阶段出现析锂平台对应的放电时间，根据所述放电时间和放电电流计算析锂容量；（2）采集所述锂离子电池的充电容量；（3）基于所述充电容量和析锂容量的差值，获得初始析锂容量；（4）提取所述充电曲线中对应所述初始析锂容量的电压，即为初始析锂电压。
本发明中，对采集所述锂离子电池的充电容量的方法没有特定限定，采用本领域技术人员熟知的方法即可。作为举例，采用蓝电测试柜采集所述锂离子电池的充电容量，其根据充电时间和充电电流的乘积确定。
需要说明的是，步骤S5中基于所述工作电压确定其初始析锂电压的方法为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
步骤S6中，n代表锂离子电池的安全系数，n越大，锂离子电池越安全，本领域技术人员可以根据产品需求进行设定。a为N/P比的增减梯度值，其大小根据体系确定。作为优选，所述n的范围为0.01-10；所述a的范围为0.01-10。
更优选地，待设计锂离子电池的正极活性材料为高镍材料，负极活性材料为石墨时，a为0.1；所述待设计锂离子电池在高温条件下作业时，n为0.5；所述待设计锂离子电池在在低温-10℃条件下作业时，n为6；所述待设计锂离子电池在常温下作业时，n为2。
下面结合实施例对本发明进行详细的说明，实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限定。
实施例1
一种锂离子电池最优N/P比的确定方法，包括如下步骤：
S1.提供具有不同N/P比的两种锂离子电池：（1）以镍钴锰酸锂作为正极活性材料，经扣式电池测试，在电压窗口为2.75-4.3V，倍率为0.1时，正极活性材料的克容量为198mAh/g，效率为90%；以硅氧/石墨复合材料作为负极活性材料，经扣式电池测试，在电压窗口为0.01V-2V，倍率为0.1时，负极活性材料的克容量为469mAh/g，效率为81%；（2）基于所述克容量和效率，计算正极材料首次充电容量为220 mAh/g，负极材料首次充电容量为579 mAh/g；（3）设计两种锂离子电池的N/P比分别为0.90、0.95；选择正极粘结剂为PVDF，其在正极中含量为0.5%；正极剂为导电炭黑，其含量为4.5%；负极粘结剂为CMC，其含量为1%；负极导电剂为导电炭黑，其含量为9%。；确定负极面密度为16g/cm2,根据公式N/P比=（负极材料首次充电容量÷负极活性物质含量×负极面密度） ÷（正极材料首次充电容量÷正极活性物质含量×正极面密度），计算对应的N/P比的锂离子电池的正极面密度分别为49.39 g/cm2、46.79 g/cm2；具体的锂离子电子体系参数参见表1；
S2.对N/P比为0.90和0.95的两种锂离子电池分别进行充放电测试，记录充放电曲线；其中，充放电测试为：在25℃±2℃的恒温环境下，将锂离子电池以0.2C恒流充电至4.2V；充电结束后静置10min；以0.2C恒流放电至2.75V；所述充放电曲线包括放电曲线和充电曲线；所述充放电曲线以锂离子电池的电压做纵坐标、容量做横坐标；
S3.基于所述充放电曲线确定上述两种锂离子电池的初始析锂电压：（1）基于所述放电曲线确定所述放电曲线在放电初始阶段出现析锂平台对应的放电时间，根据所述放电时间和放电电流计算析锂容量，则N/P比为0.90和0.95的两种锂离子电池的析锂容量分别为438mAh和320mAh；（2）采集N/P比为0.90和0.95的两种锂离子电池的充电容量；（3）基于所述充电容量和析锂容量的差值，获得初始析锂容量；（4）提取所述充电曲线中对应所述初始析锂容量的电压，即为初始析锂电压，则N/P比为0.90和0.95的两种锂离子电池的初始析锂电压分别是4.087V和4.119V；
S4. 以上述两种锂离子电池的N/P比为横坐标，初始析锂电压为纵坐标，绘制N/P-初始析锂曲线；
S5.确定待设计锂离子电池的工作电压，基于所述工作电压确定其初始析锂电压为4.15V；并根据上述N/P-初始析锂曲线确定待设计锂离子电池的N/P比为1；
S6.依据如下公式确定待设计锂离子电池最优N/P比：最优N/P比=待设计锂离子电池的N/P比+na；其中，n为2；a为0.1，则待设计锂离子电池最优N/P比为1.2。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种锂离子电池最优N/P比的确定方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1.提供具有不同N/P比的两种锂离子电池；
S2.对上述具有不同N/P比的两种锂离子电池分别进行充放电测试，记录充放电曲线；
S3.基于所述充放电曲线确定上述两种锂离子电池的初始析锂电压；
S4. 以上述两种锂离子电池的N/P比为横坐标，初始析锂电压为纵坐标，绘制N/P-初始析锂曲线；
S5.确定待设计锂离子电池的工作电压，基于所述工作电压确定其初始析锂电压；并根据上述N/P-初始析锂曲线确定待设计锂离子电池的N/P比；
S6.依据如下公式确定待设计锂离子电池最优N/P比：最优N/P比=待设计锂离子电池的N/P比+na；其中，n为锂离子电池的安全系数；a为N/P比的增减梯度值。
2.如权利要求1所述的锂离子电池最优N/P比的确定方法，其特征在于，步骤S1.提供具有不同N/P比的两种锂离子电池的具体操作为：（1）分别确定正极活性材料和负极活性材料的克容量和效率；（2）基于所述克容量和效率，计算正极材料首次充电容量和负极材料首次充电容量；（3）根据公式计算N/P比，其中公式为：N/P比=(负极材料首次充电容量÷负极活性物质含量×负极面密度） ÷（正极材料首次充电容量÷正极活性物质含量×正极面密度）。
3.如权利要求1所述的锂离子电池最优N/P比的确定方法，其特征在于，步骤S1中两种锂离子电池的N/P比均小于1。
4.如权利要求1所述的锂离子电池最优N/P比的确定方法，其特征在于，所述充放电曲线包括放电曲线和充电曲线；所述充放电曲线以锂离子电池的电压做纵坐标、容量做横坐标。
5.如权利要求4所述的锂离子电池最优N/P比的确定方法，其特征在于，步骤S3.基于所述充放电曲线确定初始析锂电压的操作为：（1）基于所述放电曲线确定所述放电曲线在放电初始阶段出现析锂平台对应的放电时间，根据所述放电时间和放电电流计算析锂容量；（2）采集所述锂离子电池的充电容量；（3）基于所述充电容量和析锂容量的差值，获得初始析锂容量；（4）提取所述充电曲线中对应所述初始析锂容量的电压，即为初始析锂电压。
6.如权利要求1所述的锂离子电池最优N/P比的确定方法，其特征在于，所述n的范围为0.01-10；所述a的范围为0.01-10。
7.如权利要求1所述的锂离子电池最优N/P比的确定方法，其特征在于，待设计锂离子电池的正极活性材料为高镍材料，负极活性材料为石墨时，a为0.1。
8.如权利要求7所述的锂离子电池最优N/P比的确定方法，其特征在于，所述待设计锂离子电池在高温条件下作业时，n为0.5；所述待设计锂离子电池在在低温-10℃条件下作业时，n为6；所述待设计锂离子电池在常温下作业时，n为2。
9.如权利要求1所述的锂离子电池最优N/P比的确定方法，其特征在于，充放电测试为：在25℃±2℃的恒温环境下，将锂离子电池以设定倍率恒流充电至充电截止电压；充电结束后静置；以该设定倍率恒流放电至放电截止电压。
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