CN111081979B - 一种锂离子电池、电极及其材料的设计与优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池、电极及其材料的设计与优化方法，属于锂离子电池领域。该方法包括：S1选择锂离子电池的相关材料并进行初步设计；S2制作电极片，然后组装成半电池，并进行活化，多次循环和静置，使其处于稳定的状态；S3对所制作的半电池进行脉冲充电和放电，记录脉冲充电和放电驰豫过程中的电压曲线；S4对上述电压曲线进行预处理，提取驰豫过程中的电压曲线；S5通过拟合的方法获取曲线的参数A和B，并以此为基础优化设计锂离子电池、电极及其材料的充电和放电性能；S6进行锂离子电池的生产，测试。本发明能够为锂离子电池、电极及其材料的设计与优化提供理论依据和参考指标，降低研发周期和研发成本。

Description

一种锂离子电池、电极及其材料的设计与优化方法

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，涉及锂离子电池、电极及其材料的设计和优化方法。

背景技术

目前，锂离子电池在电动汽车、混合动力汽车、便携电子设备以及储能装置中获得越来越多的应用。但是不同的应用场景对锂离子电池的性能提出的要求是不一样的，因此根据不同应用，需要对锂离子电池进行不同的设计，以满足不同应用场景的要求。比如在电动汽车和混合动力汽车中对锂离子电池的功率密度和能量密度均提出了较高的要求，这样才能使汽车有充足的功率储备，保证续航里程，使汽车保持良好的性能，同时可以在行驶过程中很好的进行能量回收。但是在便携电子设备中对锂离子电池的能量密度则有较高的要求，这决定了便携电子设备的使用和待机时间，对于手机和便携式计算机，高的能量密度使其在较轻的质量和较小的体积下具有较长的续航和待机时间，能带给用户更好的使用体验。对于电动工具则需要锂离子电池具有高的能量密度和功率密度，以保证电动工具具有长的使用时间，减少充电过程中的停工现象。

目前电池厂商在进行锂离子电池生产设计时，需要根据不同的应用场景，花费大量的时间进行锂离子电池的装配与测试，直至所设计的锂离子电池满足相关参数设计要求。整个设计过程十分繁琐复杂，不但增加了开发周期，同时也增加开发成本，整个过程也需要占用大量的人力资源，因此急需开发一种有效的新方法来缩短开发时间，降低开发成本。

针对上述难题，本发明开发了一种分析锂离子电池、电极及其材料的设计与优化方法，它可以针对不同电极材料，如正极材料中的钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂或三元材料，以及不同的负极材料如不同类型的石墨、硅碳或者钛酸锂等。通过脉冲充电和放电的方法得出有效的指导锂离子电池、电极及材料的优化与设计方向，从而可以快速找出限制锂离子电池、电极及材料性能提升的关键因素，为锂离子电池、电极及其材料的设计与优化提供理论依据和参考指标，具有重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锂离子电池、电极及其材料的设计与优化方法，该方法的使用可以获得具有指导意义的参数A和参数B，从而可以大幅度的降低锂离子电池、电极及其材料性能分析与优化的难度，为其提供有效的指导，降低锂离子电池，减少锂离子电池的研发周期。采用本方法可以有效的加快产品的上市过程，减小设计过程中浪费，有效的降低锂离子电池的研发成本，提高锂离子电池的性能。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种锂离子电池、电极及其材料的设计与优化方法，具体包括以下步骤：

S1：根据设计需要初步选择锂离子电池电极及其他材料，并进行初步设计，进行电解液和隔膜的选择；

S2：分别制作出电极片，然后分别使用相同的锂金属作为对电极，组装成CR2032半电池；对所组装的电池进行活化，并将所制作的半电池进行多次循环和静置，使所制作的电池处于稳定的状态；

S3：对所制作的半电池进行脉冲充电和放电，记录脉冲充电和放电驰豫过程中的电压曲线；

S4：对脉冲充电和放电驰豫过程中的电压曲线进行预处理，提取相应驰豫过程中的电压曲线，以便进行后期的参数辨识；

S5：得到本方法优化设计后的锂离子电池、电极及其材料的充电和放电性能；

S6：根据优化设计得到的锂离子电池、电极及其材料进行锂离子电池的生产，测试，达到设计要求。

进一步，所述步骤S3中，使用电流脉冲的方法对所制作的半电池进行脉冲充电和放电。

进一步，所述步骤S5中，优化设计的锂离子电池、电极及其材料的充电和放电性能的具体步骤为：

S51：获取半电池脉冲充电和放电驰豫过程中的电压曲线，基于公式(1)，使用参数辨识的方法获取充电和放电驰豫过程中的参数A与参数B，以SOC作为横坐标，绘制参数A与参数B的曲线。公式(1)如下所示：

其中，U表示驰豫过程中的电压值，I表示对电极施加的脉冲充电或放电电流值，t表示时间值。

S52：对比参数A与参数B的曲线及相应的值，得出需要改善的具体指标参数；

S53：通过改变电极材料或者电极设计，提升电极参数A的值，使较小的电极参数A接近较大的电极参数A，使两个电极参数A的比值介于0.5-2之间，从而实现电极参数A的良好匹配，实现锂离子电池正极或者负极的改善与设计；同时在整个过程中降低电极参数B的值，通过降低参数B的值，提高电池的倍率性能，从而实现全电池倍率性能的改善；

进一步，所述步骤S3中，记录脉冲充电和放电驰豫过程的电压曲线的采样频率不低于1次/秒，每个脉冲充电或者放电脉冲的电流不小于0.1C。每个脉冲持续时间为1分钟左右，每两个脉冲的间隔为2分钟左右。

进一步，所述步骤S4中，所述参数辨识的方法为包括但不限于最小二乘法。

本发明的有益效果在于：本发明通过较小的正极和负极设计，采用脉冲测试的方法，获取脉冲充电或放电驰豫过程中的电压曲线，使用数学方法获取具有指导意义的指标参数，为锂离子电池、电极及其材料的设计与优化提供有效设计方法。本发明脱离了单纯使用容量进行电极匹配的方法。本发明通过获取正极和负极的相关参数，使用获取得相关指标参数，有目的性的优化设计，通过相关优化，达到改善锂离子电池性能的方法。整个过程不需要进行繁杂的电化学性能测试与分析，从而加速了锂离子电池、电极及其材料的设计与优化进程，有效的减少锂离子电池、电极及其材料的开发周期，降低了开发成本，对于锂离子电池、电极及其材料的开发与设计具有重大的指导意义。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述锂离子电池、电极及其材料设计与优化方法的流程图；

图2为本发明脉冲充电驰豫过程中的辨识曲线；

图3为本发明脉冲放电驰豫过程中的辨识曲线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

请参阅图1～图3，磷酸铁锂、钴酸锂或三元/石墨电池的设计，具体方法为：

首先按照设计要求初步计算出需要的磷酸铁锂、钴酸锂或三元(NCA,NCM)和石墨的量，经过匀浆、涂布、碾压、烘干和分切后，分别制作出厚度合理的小尺寸磷酸铁锂电极、钴酸锂电极或三元(NCA,NCM)电极和石墨电极。分别使用CR2032电池壳和其他配件在手套箱内，使用相同尺寸的锂金属片、隔膜和电解液组装成磷酸铁锂半电池、钴酸锂半电池或三元(NCA,NCM)半电池和石墨半电池。然后将所装配好的磷酸铁锂半电池、钴酸锂半电池或三元(NCA,NCM)半电池和石墨半电池从手套箱取出，使用电化学工作站在25摄氏度的环境下进行活化，然后将所制作的半电池在恒温的条件下进行充分静置，并进行多次充电和放电循环。在每次充电和放电间隔中静置充足时间，使所制作的电池达到稳定状态，以便使后面的测试能得到稳定准确的结果。

将所制作稳定的磷酸铁锂半电池、钴酸锂半电池或三元(NCA,NCM)半电池和石墨半电池，分别至于充放电仪上进行测试，依据所要进行的优化方向进行脉冲充电和放电测试，以得到相关数据。

具体测试方式：每次脉冲充电或放电脉冲时长为1分钟左右，每次脉冲充电或放电脉冲之间间隔为2分钟左右，以便电池在脉冲过后达到相对稳定的状态。在这个过程中记录脉冲充电或放电驰豫过程中的电压数据，在整个过程中，采样频率不低于1次/秒。每个脉冲充电或者放电脉冲的电流不小于0.1C。

如果要优化设计电池脉冲充电或放电性能，则需要在测试过程中提取正极和负极半电池在充电和放电驰豫过程中的电压数据。将所获得驰豫过程中的电压曲线，采用参数辨识的方法获取公式(1)中的参数A和参数B，然后使用SOC为横坐标，分别绘制参数A和参数B曲线。通过对比正极半电池和负极半电池的充电和放电驰豫过程中获得的参数A和参数B的曲线，则可以得出需要改善的是负极还是正极设计。如果负极的参数A较小，则需要修改负极的材料或者设计，使负极的参数A的值增加，最终需要使负极的参数A达到正极参数A的1/2-2之间；反之若正极的参数A的值较小，则需要修改正极材料或者设计，最终需要使正极参数A的值达到负极参数A的1/2-2之间。同时在正极和负极的整个过程中，需要在整个修改的过程中降低负极和正极的参数B值，从而得到性能更好的电池设计，实现有针对性性设计正极或者负极的目的。当负极和正极的参数A的比值介于0.5-2之间时，完成设计过程，此时可以进行后续的生产与测试，完成电池的设计过程。公式(1)具体如下所示：

其中，U表示驰豫过程中的电压值，I表示对电极施加的脉冲充电或放电电流值，t表示时间值。

反复进行上述过程，完成参数A与参数B的匹配,最终可以实现锂离子电池和对应正极与负极的设计与优化，由于整个过程仅需使用较少的材料进行分析与测试。整个过程所浪费的材料会大大减少，成本会大幅度降低。同时在上述过程中采用脉冲的测试方法进行分析，因此所需要的时间较少，使产品的研发周期大幅度降低。

实施例2：

请参阅图1～图3，正极或者负极材料的设计，具体方法为：

首先选择需要优化与设计的正极或负极材料，经过匀浆、涂布、碾压、烘干和分切后，分别制作出厚度合理的小尺寸正极或者负极。分别使用CR2032电池壳和其他配件在手套箱内，使用相同尺寸的锂金属片、隔膜和电解液组装成正极或负极的半电池。然后将所装配好的半电池从手套箱取出，使用电化学工作站在25摄氏度的环境下进行活化，然后将所制作的半电池在恒温的条件下进行充分静置，并进行多次充电和放电循环。在每次充电和放电间隔中静置充足时间，使所制作的电池达到稳定状态，以便使后面的测试能得到稳定准确的结果。

将稳定的半电池，置于充放电仪上进行测试，依据所要进行的优化方向进行脉冲充电和放电测试，以得到相关数据。

具体测试方式：每次脉冲充电或放电脉冲时长为1分钟左右，每次脉冲充电或放电脉冲之间间隔为2分钟左右，以便电池在脉冲过后达到相对稳定的状态。在这个过程中记录脉冲充电或放电驰豫过程中的电压数据。在整个过程中，采样频率不低于1次/秒。每个脉冲充电或者放电脉冲的电流不小于0.1C。

提取正极和负极半电池在充电和放电驰豫过程中的电压数据。将所获得驰豫过程中的电压曲线，采用参数辨识的方法获取公式(1)中的参数A和参数B，然后使用SOC为横坐标，分别绘制参数A和参数B曲线。通过与优化前电极材料的参数A和参数B的曲线进行对比，得出此次优化的效果。如果负极的参数A变小，则说明此次优化使电极材料性能变差；如果参数A变大，则说明此次优化使电极材料性能改善。最终需要通过优化与合成使电极材料的参数A的值得以提升。同时在整个过程中，需要降低参数B值，从而得到倍率性能更好的电极材料。

反复进行上述过程，实现所设计电极材料参数A值的提升与参数B值的降低，最终可以实现对电极材料的设计与优化，由于整个过程仅需使用较少的材料进行分析与测试，因此整个过程所浪费的材料会大大减少，成本会大幅度降低。同时在上述过程中采用脉冲的测试方法进行分析，因此所需要的时间较少，使产品的研发周期大幅度降低。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种锂离子电池、电极及其材料的设计与优化方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：根据需要初步选择锂离子电池、电极及其材料，并进行电解液和隔膜的选择；

S2：分别制作出电极片，然后分别使用相同的锂金属作为对电极，组装成CR2032半电池；对所组装的半电池进行活化，并将所制作的半电池进行多次循环和静置，使所制作的电池处于稳定的状态；

S3：对所制作的半电池进行脉冲充电和放电，记录脉冲充电和放电驰豫过程中的电压曲线；

使用电流脉冲的方法对所制作的半电池进行脉冲充电和放电；记录脉冲充电和放电驰豫过程的电压曲线的采样频率为不低于1次/秒，每个充电脉冲或者放电脉冲的电流不小于0.1C；每个脉冲持续时间为1分钟，每两个脉冲的间隔为2分钟；

S4：对脉冲充电和放电驰豫过程中的电压曲线进行预处理，提取相应驰豫过程中的电压曲线，以便进行后期的数据分析；

S5：得到优化设计后的锂离子电池、电极及其材料的充电和放电性能；

优化设计的锂离子电池的脉冲充电和放电性能的具体步骤为：

S51：获取半电池脉冲充电和放电驰豫过程中的电压曲线，使用公式(1)和参数辨识的方法获取充电和放电过程中的参数A与参数B，以SOC作为横坐标，绘制参数A与参数B的曲线；

公式(1)如下所示：

其中，U表示驰豫过程中的电压值，I表示对电极施加的脉冲充电或放电电流值，t表示时间值；

S52：对比参数A与参数B的曲线及相应的值，得出需要改善的指标参数；

S53：通过改变电极材料或者电极设计，通过提升参数A的值，使较小的电极参数A接近较大的电极参数A，使两个电极参数A的比值介于0.5-2之间，从而实现电极参数A的良好匹配；同时在整个过程中降低参数B的值，通过降低参数B的值，提高电池的倍率性能；

步骤S53具体包括：通过对比正极半电池和负极半电池的充电和放电驰豫过程中获得的参数A和参数B的曲线，则得出需要改善的是负极还是正极设计；如果负极的参数A较小，则需要修改负极的材料或者设计，使负极的参数A的值增加，最终需要使负极的参数A达到正极参数A的1/2-2之间；反之若正极的参数A的值较小，则需要修改正极材料或者设计，最终需要使正极参数A的值达到负极参数A的1/2-2之间；同时在正极和负极的整个过程中，需要在整个修改的过程中降低负极和正极的参数B值，从而得到性能更好的电池设计，实现有针对性设计正极或者负极的目的；当负极和正极的参数A的比值介于0.5-2之间时，完成设计过程，此时进行后续的生产与测试，完成电池的设计过程；

S6：根据测试得到的锂离子电池、电极及其材料的设计进行锂离子电池的生产，测试，以达到设计要求。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池、电极及其材料的设计与优化方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述参数辨识的方法包括最小二乘法。

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