CN111025152A - 一种锂离子电池的耐压电性能测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适应于全海深范围内承压的锂离子电池的耐压电性能测试方法，第一步是目测锂离子电池外观，需满足电池表面无颗粒以及无电解液痕迹、褶皱、破损、变形现象的要求；第二步是对锂离子电池进行耐压电性能测试，不低于35次循环的常压充放电和不低于125MPa条件下的放电测试，前后电池容量满足Q35/Q0≥98%后完成测试；通过本发明所规定的压力筒模拟测试，以电池的放电容量为判定主要依据进行锂离子电池在承压状态的电性能判断，通过本测试方法，可以快速、简单地对锂离子电池单体是否具备在全海深压力范围内安全放电的潜力进行快速评估，为万米承压的深海潜器在0～11000米海水下压力范围内的运行提供安全、可靠的能源动力保障。

Description

一种锂离子电池的耐压电性能测试方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，涉及锂离子电池的筛选方法，特别涉及一种适用于全海深运行的锂离子电池耐压电性能测试方法。
背景技术
锂离子电池由于其高比能、高比功率特性已经成为最具潜力的深海装备用电池，用锂离子电池替换深海潜器传统的银锌电池可大幅提升深海装备的续航能力、电负载能力等。但锂离子电池能否承受深海巨大的海水压力是制约其应用于深海装备的首要难题。
目前，应用于深海装备的锂离子电池主要采用两种承压方式：（1）依靠承压壳体承压；（2）锂离子电池直接承压。前者所需的厚重壳体使得整个电池系统的质量比能大大降低，难以满足深海装备发展的需求。后者由于锂离子电池直接承压，对电池技术水平的要求高，其耐深海压力的能力评估尚不明确。如何考察经过耐压设计的锂离子电池能否真正承受深海复杂的压力环境，保障深海潜器在全海深范围内安全运行，已成为深海电池技术的瓶颈技术之一。
锂离子电池的放电容量是行业内技术人员用来衡量电池电性能的重要参数，然而在万米范围内的海水压力环境对长期循环的电池内部微观结构的影响巨大，使得锂离子电池放电容量衰减的加速，其影响因素与压力变化制度、放电热量等参数多项耦合作用不明，导致无法用行业内常规的容量筛选原则判断其深海耐压循环可靠性。
因此考核锂离子电池耐压循环可靠性的压力变化制度以及压力考核过程中的容量衰减之间关系尚不分明，是目前深海锂离子电池技术发展的尚待解决的难题之一。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种适用于全海深运行的锂离子电池耐压电性能测试方法。
为实现上述目的，本发明提供一种锂离子电池的耐压电性能测试方法，步骤如下：
第一步，目测锂离子电池外观，需满足电池表面无颗粒（含铝塑膜内层颗粒）以及无电解液痕迹、褶皱、破损、变形现象的要求；
第二步，对锂离子电池进行耐压电性能测试，不低于35次循环的常压充放电和极限压力125MPa条件下的放电测试：
第1步，依据锂离子电池的额定容量对电池进行0.1C～1C倍率条件下恒流充电，充电至额定充电截止电压后停止充电，将电池单体静置，静置时间≥20min；
第2步，将锂离子电池置于打压工装内，正负极外接至充放电柜（精度0.01A）；
第3步，将打压工装放入压力模拟装置（精度为115MPa/0.1MPa）的耐压罐中；
第4步，启动加压系统，按1～20MPa/min的加压速率加压至100～120 MPa，保压100～150min；
第5步，锂离子电池单体在升压大于等于20min后以额定容量0.1C倍率恒电流放电，放电至额定放电截止电压后停止，将电池单体静置，静置时间≥20min；0.1C为耐压电性能测试的最低放电速率，还包括大于0.1C的放电倍率；
第6步，第4步结束后，按1～20MPa/min的加压速率加压至125MPa及以上，保压≥20min；
第7步，压力模拟装置按卸压速率≥1MPa/min卸压至100～120 MPa，保压100～180min；
第8步，压力模拟装置按卸压速率≥1MPa/min卸压至常压；
第9步，将第1步到第8步循环进行35次，记录第35次的放电容量Q35和第一次的放电容量Q0；35次循环为耐压电性能测试的最低次数，还包括35次以上的相同步骤的测试循环；
测试前后电池容量需满足Q35/Q0≥98%后完成测试；进行耐压电性能测试的锂离子电池需依次进行上述两步进行测试，且必须同时满足测试要求，该锂离子电池方可通过全海深耐压电性能测试。
所述的一种锂离子电池的耐压电性能测试方法，第二步中的性能测试是在温度15～35℃，相对湿度25～85%，气压90～108kPa的环境中进行。
所述的一种锂离子电池的耐压电性能测试方法，锂离子电池为三元镍钴锰电池或三元镍钴铝电池或磷酸铁锂或钛酸锂电池或富锂基电池。
本发明的有益效果是：经过上述方法测试后的锂离子电池可以在0～11000米的水压或海水压力环境中，在长循环过程中的承压压力达到114MPa，最大极限耐压能力达到125MPa的状态下安全地负载放电。
本专利方法操作简单，使用性强，大大提高了锂离子电池在深海环境中的耐压循环可靠性。
附图说明
图1 为本发明实施例1中电池单体耐压电性能测试过程中的压力装置的升压曲线；
图2为本发明实施例1和对比例1中D1和D2在第500周的放电容量对比。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明，但并不意于限制本发明的保护范围。
实施例1
一种适用于全海深运行的锂离子电池耐压电性能测试方法，选取规格为41Ah的全海深软包磷酸铁锂电池单体100个（中国船舶重工集团公司第七一二研究所）进行耐压电性能测试，具体操作步骤如下：
（1）用充放电柜（精度0.01A，中国船舶重工集团公司第七一二研究所）将待测试的电池单体按照充电程序：1个大气压、25℃的条件下以0.1C电流恒流充电，至电池单体电压达到3.60V停止充电。充电后静置20分钟。
（2）将充电后的电池单体放入深海压力模拟装置（精度为115MPa/0.1MPa）的耐压罐中，正负极测量线引出连接于充放电柜（精度0.01A，中国船舶重工集团公司第七一二研究所），开启深海压力模拟装置，按如下表1的程序进行耐压电性能试验。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
升压曲线图见附图1 ，锂离子电池单体在升压20分钟后以0.1C恒定电流放电，至电池单体电压达到2.65V时停止放电，静置20分钟。
（3）重复步骤（1）～（2），循环次数35次，记录第35次的放电容量Q35和第一次的放电容量Q0。
上述100个全海深软包磷酸铁锂电池中Q35/ Q0的值＜98%的记为A1类电池单体，其余的电池单体记为B1类。各类电池单体的数量分布如表1所示。
采用电池用充放电柜（精度0.01A，中国船舶重工集团公司第七一二研究所），将B1类电池单体按照常压电池容量0.1C充电，和万米载人深海潜器所需的115MPa和125MPa压力环境下按常压电池容量0.5C进行放电循环500周测试，在500周测试过程中B1类电池单体放电容量下降到32.8Ah及以下的电池单体个数除以B1类电池单体总数，为记为C1，如表2所示。
实施例2
选取规格为41Ah的全海深软包磷酸铁锂电池单体100个（中国船舶重工集团公司第七一二研究所）进行实施例1的耐压电性能测试，其区别仅在于升压均速率为20MPa/分钟，上述100个全海深软包磷酸铁锂电池中Q35/ Q0的值＜98%的记为A2类电池单体，其余的电池单体记为B2类。各类电池单体的数量分布如表1所示。
采用电池用充放电柜（精度0.01A，中国船舶重工集团公司第七一二研究所），将B2类电池单体按照常压电池容量0.1C充电，和万米载人深海潜器所需的115MPa和125MPa压力环境下按常压电池容量0.5C进行放电循环500周测试，在500周测试过程中B2类电池单体放电容量下降到32.8Ah及以下的电池单体个数除以B2类电池单体总数，为记为C2，如表2所示。
对比例1
一种适用于全海深运行的锂离子电池耐压电性能测试方法，选取规格为41Ah的全海深软包磷酸铁锂电池单体100个（中国船舶重工集团公司第七一二研究所）进行耐压测试，具体操作步骤如下：
（1）用充放电柜（精度0.01A，中国船舶重工集团公司第七一二研究所）将待测试的电池单体按照充电程序：1个大气压、25℃的条件下以0.1C电流恒流充电，至电池单体电压达到3.60V停止充电。充电后静置20分钟。
（2）将充电后的电池单体放入深海压力模拟装置（精度为115MPa/0.1MPa）的耐压罐中，正负极测量线引出连接于充放电柜（精度0.01A，中国船舶重工集团公司第七一二研究所），开启深海压力模拟装置，按表1的程序进行耐压电性能试验。锂离子电池单体在升压20分钟后以0.1C恒定电流放电，至电池单体电压达到2.65V时停止放电，静置20分钟。
（3）重复步骤（1）～（2），循环次数25次，记录第25次的放电容量Q25和第一次的放电容量Q0。
上述100个全海深软包磷酸铁锂电池中Q25/ Q0的值＜98%的记为A3类电池单体，其余的电池单体记为B3类。各类电池单体的数量分布如表1所示。
采用电池用充放电柜（精度0.01A，中国船舶重工集团公司第七一二研究所），将B3类电池单体按照常压电池容量0.1C充电，和万米载人深海潜器所需的115MPa和125MPa压力环境下按常压电池容量0.5C进行放电循环500周测试，在500周测试过程中B3类电池单体放电容量下降到32.8Ah及以下的电池单体个数除以B3类电池单体总数，为记为C3，如表2所示。
对比例2
选取规格为41Ah的全海深软包磷酸铁锂电池单体100个（中国船舶重工集团公司第七一二研究所）进行耐压测试，具体操作步骤如下：
（1）用充放电柜（精度0.01A，中国船舶重工集团公司第七一二研究所）将待测试的电池单体按照充电程序：1个大气压、25℃的条件下以0.2C电流恒流充电，至电池单体电压达到3.60V停止充电。充电后静置60分钟。
（2）将充电后的电池单体放入深海压力模拟装置（精度为115MPa/0.1MPa）的耐压罐中，正负极测量线引出连接于充放电柜（精度0.01A，中国船舶重工集团公司第七一二研究所），开启深海压力模拟装置，按如下表2的程序进行耐压电性能试验。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
锂离子电池单体在升压10分钟后以0.1C恒定电流放电，至电池单体电压达到2.65V时停止放电，静置60分钟。
（3）重复步骤（1）～（2），循环次数35次，记录第35次的放电容量Q35和第一次的放电容量Q0。
上述100个全海深软包磷酸铁锂电池中Q35/ Q0的值＜95%的记为A4类电池单体，其余的电池单体记为B4类。各类电池单体的数量分布如表1所示。
采用电池用充放电柜（精度0.01A，中国船舶重工集团公司第七一二研究所），将B4类电池单体按照常压电池容量0.1C充电，和万米载人深海潜器所需的115MPa和125MPa压力环境下按常压电池容量0.5C进行放电循环500周测试，在500周测试过程中B4类电池单体放电容量下降到32.8Ah及以下的电池单体个数除以B4类电池单体总数，为记为C4，如表2所示。
对比例3
实施例1中B1类电池通过500周测试后放电容量仍然保持在32.8以上的电池单体抽样一个记为D1，对比例1中B3类电池通过500周测试后放电容量仍然保持在32.8以上的电池单体抽样一个记为D2，D1和D2在第500周的放电容量对比如附图2所示，从附图2可以看出相比对比例1，通过本发明第一方面所提供的耐压电性能测试的电池，电池容量和电压均可保持更优的水平，当电池串联成组时可使得电池组具有更高的额定电压，对锂离子电池组在深海长循环运行具有十分重要的意义。
实施例1、实施2、对比例1、对比例2所采用相同规格相同厂家生产的锂离子电池单体，如下表3（实施1、对比例1、对比例2中各类耐压电性能测试后通过测试电池单体数量）可以说明三种方法均可以检测电池的耐压电性能。
Figure DEST_PATH_IMAGE003
本发明实施例1、实施2的耐压电性能测试方法比本发明对比例1和对比例2所提供的耐压电性能测试方法更严格。如下表4（实施1、对比例1、对比例2中通过检测后的电池500周耐压循环后容量不满足要求的概率）可以说明本发明所提供的实施例1、实施2采用的耐压电性能测试方法相比其他两种方法，对于长循环的深海循环使用的锂离子电池具有更好的放电性能评估效果，通过本发明第一方面所提供的耐压电性能测试的电池单体在500周耐压循环实测过程中均实现电池容量保持率≥80%，不满足电性能要求的电池概率为0%。
Figure DEST_PATH_IMAGE004
本发明的测试方法中的锂离子电池用在深海武器装备上，还可应用于深海潜器、深海预置平台等，以及深海水下机器人、深海电站、深海通讯基站等领域，并不限于此。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (3)

1.一种锂离子电池的耐压电性能测试方法，其特征在于：包括以下步骤
第一步，目测锂离子电池外观，需满足电池表面无颗粒以及无电解液痕迹、褶皱、破损、变形现象的要求；
第二步，对锂离子电池进行耐压电性能测试，不低于35次循环的常压充放电和125MPa条件下的放电测试：
第1步，依据锂离子电池的额定容量对电池进行0.1～1C倍率条件下恒流充电，充电至额定充电截止电压后停止充电，将电池单体静置，静置时间≥20min；
第2步，将锂离子电池置于打压工装内，正负极外接至外电路；
第3步，将打压工装放入压力模拟装置中；
第4步，启动加压系统，按1～20MPa/min的加压速率加压至100～120MPa，保压100～180min；
第5步，锂离子电池单体在升压时间≥20min后以不低于额定容量0.1～1C倍率恒流电流放电，放电至额定放电截止电压后停止，将电池单体静置，静置时间≥20min；
第6步，在第4步完成后，按1～20MPa/min的加压速率加压至125Mpa及以上，保压时间大于20min；
第7步，压力模拟装置按卸压速率≥1MPa/min卸压至100～120MPa，保压100～180min；
第8步，压力模拟装置按卸压速率≥1MPa/min卸压至常压；
第9步，将第1步到第8步循环进行至少35次，记录第35次的放电容量Q35和第一次的放电容量Q0；
测试前后电池容量满足Q35/Q0≥98%后完成测试。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池的耐压电性能测试方法，其特征在于，所述第二步中的性能测试是在温度15～35℃，相对湿度25～85%，气压90～108kPa的环境中进行。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池的耐压电性能测试方法，其特征在于，所述的锂离子电池为三元镍钴锰电池或三元镍钴铝电池或磷酸铁锂或钛酸锂电池或富锂基电池。
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