CN111426959A - 方型电芯循环压力预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方型电芯循环压力预测方法，其特征在于，包括至少如下步骤：S1：选取同一体系下的软包电芯和方型电芯；S3：测量软包电芯在充电过程成限制其形变的压强；S5：将方型电芯循环至寿命终点，测量此时方型电芯的极组厚度，并根据软包电芯和方型电芯的极片层数计算方型电芯所需的最大压强。该方法能够预测电芯极组在有限次的循环过程中各个节点的压强变化，为电芯极组提供合理的压强。

Description

方型电芯循环压力预测方法

技术领域

本发明涉及锂离子方型电芯技术领域，尤其是涉及方型电芯循环压力预测方法。

背景技术

方型电芯在充放电循环后，电芯极组的厚度会随着充放电的次数不断增加，需要方型电芯外的壳体给极组相应的束缚力，使电池包在充放电工程中不被损坏。

合适的束缚力会对电芯循环有促进作用，如抑制SEI膜的破裂、促进SEI膜重整；会使电芯的电接触变好，减小接触阻抗；但壳体对极组施加的束缚力超过一定程度，就会对电芯的电性能产生反作用，如极片孔隙率减小、离子迁移阻力增加，极化增大，容量降低等。

因此，针对方型电芯，如何能够预测电芯极组在有限次的循环过程中各个节点的压强变化，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种方型电芯循环压力预测方法，能够预测电芯极组在有限次的循环过程中各个节点的压强变化，为电芯设计与模组对接提供合理的压强范围。

为达到上述目的，本发明提出了方型电芯循环压力预测方法，包括至少如下步骤：

S1：选取同一体系下的软包电芯和方型电芯；

S3：测量软包电芯在充电过程成限制其形变的压强；

S5：将方型电芯循环至寿命终点，测量此时方型电芯的极组厚度，并根据软包电芯和方型电芯的极片层数计算方型电芯所需的最大压强。

根据本发明方型电芯循环压力预测方法，能够预测电芯极组在有限次的循环过程中各个节点的压强变化，为电芯设计提供合理的数据；一方面保证在数次充放电过程中，电池包不会被损坏，延长模组的使用寿命；另一方面保证电池不会因压力过大导致极化变大，影响容量发挥。

进一步地，步骤S3包括：

S31：测量软包电芯在0％SOC的厚度为R1，方型电芯在0％SOC的极组的厚度为F1；

S33：将软包电芯从0％SOC充电到100％SOC，并测量此时软包电芯的厚度为R2；

S35：使用压力机将软包电芯从厚度R2压至厚度R1，并记录此时压力机的压强P1。

进一步地，步骤S5包括：

S51：根据软包电芯和方型电芯的极片层数计算，在压强P1下，方型电芯极组极组的厚度变化F2-F1；

S53：将方型电芯循环至寿命终点，测量此时方型电芯极组的厚度F3，计算此时壳体对极组的最大压强P2＝(F3-F1)*P1/(F2-F1)。

进一步地，步骤S5还包括：

S52：测量所述方型电芯在未循环和循环状态下的电芯极组的厚度，并以此计算壳体对极组的压强。

进一步地，所述S52包括：

S521：在方型电芯未循环时，将方型电芯从0％SOC充电到100％SOC，测量方型电芯在100％SOC状态下的极组的厚度为F4，计算壳体对极组的压强为P3，则P3＝(F4-F1)*P1/(F2-F1)。

进一步地，所述S52还包括：

S523：在方型电芯循环至某一状态时，将方型电芯从0％SOC充电到100％SOC，测量方型电芯在100％SOC状态下的极组的厚度为F5，计算壳体对极组的压强为P4，则P4＝(F5-F1)*P1/(F2-F1)。

进一步地，所述方型电芯的极组类型与所述软包电芯的极组类型相同。

进一步地，所述方型电芯为叠片电芯或卷绕式电芯。

进一步地，所述软包电芯和所述方型电芯均在相同的倍率下进行常温循环测试。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例中的方型电芯循环压力预测方法的流程图；

图2是本发明实施例中的软包电芯循环过程中厚度变化曲线图；

图3是软包电芯从0％SOC到100％SOC的厚度随压强变化曲线图；

图4是方型叠片电芯100％SOC时压强与厚度变化曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1描述根据本发明实施例的一种方型电芯循环压力预测方法，包括至少如下步骤：

S1：选取同一体系下的软包电芯和方型电芯；

S3：测量软包电芯在充电过程成限制其形变的压强；

S5：将方型电芯循环至寿命终点，测量此时方型电芯的极组厚度，并根据软包电芯和方型电芯的极片层数计算方型电芯所需的最大压强。

根据本发明方型电芯循环压力预测方法，能够通过测量同一体系下的软包电芯在充电过程成限制其形变的压强，间接预测方型电芯所需的最大压强。同时预测电芯极组在有限次的循环过程中各个节点的压强变化，为电芯设计提供合理的数据。

根据本发明方型电芯循环压力预测方法，一方面保证在数次充放电过程中，电池包不会被损坏，延长模组的使用寿命；另一方面保证电池不会因压力过大导致极化变大，影响容量发挥。

需要解释的是，本发明中提到的软包电芯是方型电芯的DOE样品，DOE样品的层数和电芯面积大小和方型电芯不同，但因本发明实验结果为压强，是单位面积上的受力情况，因此面积大小可以忽略。在电池进行批量生产前，需要先对样品进行各种检测，以保证成品的质量安全，有利于为公司节省时间成本和资金成本。

进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤S3包括：

S31：测量软包电芯在0％SOC的厚度为R1，方型电芯在0％SOC的极组的厚度为F1；

S33：将软包电芯从0％SOC充电到100％SOC，并测量此时软包电芯的厚度为R2；

S35：使用压力机将软包电芯从厚度R2压至厚度R1，并记录此时压力机的压强P1。

进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤S5包括：

S51：根据软包电芯和方型电芯的极片层数计算，在压强P1下，方型电芯极组极组的厚度变化F2-F1；

S53：将方型电芯循环至寿命终点，测量此时方型电芯极组的厚度F3，计算此时壳体对极组的最大压强P2＝(F3-F1)*P1/(F2-F1)。

本发明是选取同一体系下软包电芯和方型电芯进行压力预测的，因此看作电芯内部材质、循环能力、循环后电芯厚度增加等其他因素相同，因为计算结果为压强，因此不用考虑受力面积，相应地只需考虑极片层数；在相同条件下极片层数与压强成正比。

在本发明的一个实施例中，步骤S5还包括：

S52：测量方型电芯在未循环和循环状态下的电芯极组的厚度，并以此计算壳体对极组的压强。

具体的，S52包括：

S521：在方型电芯未循环时，将方型电芯从0％SOC充电到100％SOC，测量方型电芯在100％SOC状态下的极组的厚度为F4，计算壳体对极组的压强为P3，则P3＝(F4-F1)*P1/(F2-F1)。

具体的，S52还包括：

S523：在方型电芯循环至某一状态时，将方型电芯从0％SOC充电到100％SOC，测量方型电芯在100％SOC状态下的极组的厚度为F5，计算壳体对极组的压强为P4，则P4＝(F5-F1)*P1/(F2-F1)。

在本发明的一个实施例中，所述方型电芯的极组类型与所述软包电芯的极组类型相同；方型电芯可以为叠片式电芯或卷绕式电芯。锂离子电池可以根据形状分为圆柱形锂离子电池、方型锂离子电池和软包电芯等，方型锂离子电池根据内部极组制备方式不同，分为卷绕式和叠片式；本发明不止适用于方型叠片式电芯，方型卷绕式电芯同样适用，其中原理基本一致。

在本发明的一个实施例中，软包电芯和方型电芯均在相同的倍率下进行常温循环测试。保证变化量单一是测量的前提条件，本发明测量的结果是压强，因此需保证其他外在条件全部相同，才能得到的测量结果。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，横坐标为软包电芯循环次数，纵坐标为软包电芯的厚度变化。在电芯充放电循环后，其厚度都会随着循环次数的增加逐渐变厚，壳体发生不可逆膨胀，使电芯厚度不断增加。

在本发明的一个实施例中，某一体系的软包电芯和方型叠片电芯，将化成后的软包电芯从0％SOC充电至100％SOC后，预将其压回至初始状态。其中，如图3所示，初始状态的软包电芯厚度约为5.5mm，满充后的厚度约为5.75mm，将电芯压回初始状态使用的压力换算为压强约1MPa；按照方型叠片电芯和软包电芯的极片层数进行换算，方型叠片电芯在约1MPa的压强下形变约1.8mm；由此可以推断出，当循环至某一状态时，方型叠片电芯相较初始厚度变化约3.6mm时，那么其所受压强约为2MPa。

为了验证此结果，将方型叠片电芯使用压力机进行压力测试，将首次充电的方型叠片电芯充电至100％SOC，并压至初始厚度；压强厚度曲线如图4所示，实验结果为，压至初始厚度所需压强约为2MPa，与通过软包电芯压力变化来推算方型叠片电芯的压力变化计算结果接近，说明预测基本准确，本发明对方型电芯循环压力预测方法可行。

通过此方法可以估算出方型电芯的压强范围，既可以节约经费，又具有指导电芯设计等优点。本发明对于企业而言，可以节省大量的时间成本和资源成本，因该预测不需要额外工装，故可以节省大量人力，操作简单，计算方便。

在本发明的一个实施例中，观察方型电芯的循环容量保持率曲线，有时会出现下降式拐点，此处压强即为方型电芯壳体可承受的最大压强，换言之，为压强临界值；具体原理为，如果在电解液充足的情况下，当压强增加到某一临界值时，由于极片孔隙率减小，迂曲度增加，电解液中的锂离子传输变难，使电极表面析出大量锂金属，会导致电池容量快速衰减。压强临界值的计算对电芯设计、模组设计、性能测试有实际的指导意义。

根据本发明实施例中提到几个名词：

电荷的单位SOC(state of charge)为荷电状态；

孔隙率：孔隙率是指电极涂层中孔洞所占体积分数，可通过涂层的压实密度，涂层各组分质量百分比和涂层组分真密度来计算，是一个相对宏观的概念。

迂曲度：根据颗粒形状的不同，导致堆积孔大多不是直通孔，迂曲度是描述多孔介质中孔形态的重要参数，物理定义为物质在孔介质中的实际通过路径长度L’与介质距离L的比值。

根据本发明实施例中提到的方型电芯其他构成，例如SEI膜等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“实施例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种方型电芯循环压力预测方法，其特征在于，包括至少如下步骤：

S1：选取同一体系下的软包电芯和方型电芯；

S3：测量软包电芯在充电过程成限制其形变的压强；

S5：将方型电芯循环至寿命终点，测量此时方型电芯的极组厚度，并根据软包电芯和方型电芯的极片层数计算方型电芯所需的最大压强。

2.根据权利要求1所述的方型电芯循环压力预测方法，其特征在于，步骤S3包括：

S31：测量软包电芯在0％SOC的厚度为R1，方型电芯在0％SOC的极组的厚度为F1；

S33：将软包电芯从0％SOC充电到100％SOC，并测量此时软包电芯的厚度为R2；

S35：使用压力机将软包电芯从厚度R2压至厚度R1，并记录此时压力机的压强P1。

3.根据权利要求2所述的方型电芯循环压力预测方法，其特征在于，步骤S5包括：

S51：根据软包电芯和方型电芯的极片层数计算，在压强P1下，方型电芯极组的的厚度变化F2-F1；

S53：将方型电芯循环至寿命终点，测量此时方型电芯极组的厚度F3，计算此时壳体对极组的最大压强P2＝(F3-F1)*P1/(F2-F1)。

4.根据权利要求3所述的方型电芯循环压力预测方法，其特征在于，步骤S5还包括：

S52：测量所述方型电芯在未循环和循环状态下的电芯极组的厚度，并以此计算壳体对极组的压强。

5.根据权利要求4所述的方型电芯循环压力预测方法，其特征在于，所述S52包括：

S521：在方型电芯未循环时，将方型电芯从0％SOC充电到100％SOC，测量方型电芯在100％SOC状态下的极组的厚度为F4，计算壳体对极组的压强为P3，则P3＝(F4-F1)*P1/(F2-F1)。

6.根据权利要求5所述的方型电芯循环压力预测方法，其特征在于，所述S52还包括：

S523：在方型电芯循环至某一状态时，将方型电芯从0％SOC充电到100％SOC，测量方型电芯在100％SOC状态下的极组的厚度为F5，计算壳体对极组的压强为P4，则P4＝(F5-F1)*P1/(F2-F1)。

7.根据权利要求1所述的方型电芯循环压力预测方法，其特征在于，所述方型电芯的极组类型与所述软包电芯的极组类型相同。

8.根据权利要求7所述的方型电芯循环压力预测方法，其特征在于，所述方型电芯为叠片式电芯或卷绕式电芯。

9.根据权利要求1所述的方型电芯循环压力预测方法，其特征在于，所述软包电芯和所述方型电芯均在相同的倍率下进行常温循环测试。

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