CN111864255A - 一种动力电池与电池云平台管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力电池，包括电池壳体，包覆于电池壳体内的电极组以及电解液；电极组由多个正、负极片以及隔膜叠合而成；所述正极片上涂布的高镍正极材料组合物，负极片上涂布的硅基负极材料组合物，采用高镍正极材料匹配硅基负极材料实现单体电池能量密度达281Wh/kg，1C倍率充放室温循环350次容量保持80%；采用富锂正极材料匹配硅基负极材料实现单体电池能量密度达302Wh/kg，0.5C倍充倍放室温循环195次容量保持80%。同时还提供电池云平台管理方法，考虑了极化环节的模型参数变化，通过模型研究指导电池安全设计，并采用数字化智能制造技术控制电池制造过程参数，保证电池制造的一致性。

Description

一种动力电池与电池云平台管理方法
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，特别的涉及一种动力电池与电池云平台管理方法。
背景技术
随着全球经济发展以及能源环保等问题的日益突出，汽车产业向节约能源的绿色汽车业转型，电动汽车以零排放和噪声低的优点成为节能环保汽车发展的主要方向之一。电动汽车的推广普及使得全球电动汽车的保有量日益上升，作为电动汽车的关键动力部分，动力电池的重要性不言而喻。在近年来迅速发展，人们对电子产品电池的小型化、高能量、使用寿命、快速充电以及续航里程和环境适应性等方面提出了越来越高的要求。与传统的铅酸蓄电池和镍铬、镍氢电池相比，锂离子电池具有电压高、能量密度高、循环寿命长、对环境友好等特点。与锂电池相比，其优点在于使用了锂离子可逆嵌入脱出的材料代替了金属锂，从根本上克服了锂金属的枝晶、钝化等问题，从而既保证了锂电池能量密度高、电压高等优点，又大大提高了锂电池的使用寿命，此外锂电池的安全性也得到了很大的改善。因此，开发对环境友好的电极材料和电池产品是当前电池行业的首要任务，而锂离子电池成为其中有力的候选者。
现有的动力电池通常使用磷酸铁锂正极和石墨负极，其中，正极的磷酸铁锂在制备烧结过程中，氧化铁在高温还原性气氛下可能被还原成单质铁，容易引起电池的微短路。磷酸铁锂的振实密度与压实密度很低，导致锂离子电池的能量密度较低，且低温性能较差，在低温下(0℃以下)无法使电动汽车行驶。并且，磷酸铁锂的合成反应是一个复杂的多相反应，很难保证产品的一致性，导致电池的制造成本较高，成品率低。负极的石墨本身的理论储锂容量较低，高倍率充放电性能差，限制了锂离子电池在高容量和高功率方面的发展。因此，现有的动力电池能量密度较低，环境适应性难以满足整车及其他储能需求。
另一方面，电池的荷电状态(SOC)描述了电池剩余电量的实际可用状态，是电池使用过程中的重要参数指标之一。为了能够调整电源分配控制策略以及防止过度充放电对电池造成不可修复的损伤，需要对动力电池SOC进行动态估算。因此，有必要研究适用于电力系统动力电池的SOC在线估算方法。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种高能量密度、长循环寿命、高安全性和低成本的动力锂离子电池。本发明还提供一种电池云平台管理方法，解决调整电源分配控制策略以及防止过度充放电对电池造成不可修复的损伤问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种动力电池，包括电池壳体，包覆于电池壳体内的电极组以及电解液；电极组由多个正、负极片以及隔膜叠合而成；其特征在于，所述正极片上涂布的高镍正极材料组合物，按重量百分比计，正极材料组合物中，粘结剂1-2.5％；导电剂2.5-4％，余量为高镍正极活性物；负极片上涂布的硅基负极材料组合物，按重量百分比计，硅基负极材料组合物中，粘结剂1-2％；导电剂2-4％，增稠剂1-2.5，余量为硅基负极活性物。
进一步，所述高镍正极材料采用如下方法制备而成：
1)将氧化镍、氧化锰、氧化锂及氧化镥球磨混合均匀，得到均匀的粉体，均匀粉体中镍、锰的摩尔比为0.8：0.1，镍锰与锂的摩尔比为1：1.05，氧化镥的质量为氧化镍、氧化锰和氧化锂质量总和的0.1％～2.0％；将上述粉体置于微波马弗炉中，500℃预焙烧6h，然后在900℃焙烧8h，进一步破碎过筛，得到稀土Lu掺杂高镍正极材料；稀土Lu掺杂高镍正极材料的D10为6～8μm，D50为10～14μm，D90为15～20μm；稀土Lu掺杂高镍正极材料的二次粒子的孔隙率为25％；
2)使用精密电子天平称取一定量上述筛分后的材料加入烧杯中，缓慢加入0.1mol/L硝酸，置于超声分散仪中超声30min，得到均匀溶液；
3)将上述溶液缓慢加入高压反应釜中，在20Mpa、10℃的高压低温条件下保持连续搅拌，加入0.1mol/L苯胺单体，打开精密计量泵加入0.1mol/L氧化剂H2O2，n苯胺单体:n氧化剂＝0.5:1，苯胺单体溶液加入速度为5mL/min，H2O2溶液加入速度为1mL/min，H2O2溶液滴加结束后继续反应1h，控制反应温度5℃，苯胺单体与稀土Lu掺杂高镍正极材料的质量比为0.5％～2.0％；
4)将上述反应得到的混合悬浮液置于高速离心机中离心15min，以无水乙醇为洗涤剂，将离心固态化合物后反复洗涤三次，置于180℃下真空干燥箱中10h，得到掺杂Lu且二次粒子的孔隙间形成有纳米树状导电聚苯胺网络的高镍正极材料；
5)将上述得到的掺杂Lu且二次粒子的孔隙间形成有纳米树状导电聚苯胺网络的高镍正极材料、氧化锂、氧化锗及氧化镧粉体混合均匀，缓慢倒入连续搅拌的去离子水中，得到均匀悬浮液；在上述均匀悬浮液中加入P2S5溶液，不断搅拌至水分蒸发，在150℃真空干燥箱中保持24h，得到掺杂Lu、二次粒子的孔隙间形成有纳米树状导电聚苯胺网络、表面包覆Li10GeLa3P2S12锂离子导体层的高镍正极材料。Li10GeLa3P2S12锂离子导体层的质量为基材质量的1％～5％。
进一步，所述硅基负极活性材料采用如下方法制备而成：
1)将10g纳米硅粉(粒径80nm左右)搅拌分散到乙醇和水的混合溶液中，得到纳米硅分散液，其中乙醇和水的混合溶液中，乙醇和水的体积比为1:1.3。
2)将2g PVP和90mL氨水加入纳米硅分散液中，混合均匀后，再逐滴加入220mlTEOS，而后室温搅拌反应30min，离心，干燥得到以纳米硅为核，二氧化硅为壳层的Si/SiO2复合材料粉末；
3)将3g GO分散到浓度为75％的乙醇中，得到GO分散液；
4)将80g Si/SiO2复合材料粉末加入到GO分散液中，搅拌6h，而后喷雾干燥，得到以氧化石墨烯为壳层，包覆Si/SiO2复合材料的Si/SiO2/GO复合材料粉末；
5)将Si/SiO2/GO复合材料粉末在500℃下煅烧1h，得到Si/SiO2/Graphene复合材料粉末，其中，煅烧在H2/Ar混合气保护下进行，且H2与Ar的体积比为5:95；
6)将1g Si/SiO2/Graphene复合材料粉末加入浓度为1M的HF溶液中，搅拌反应1.5h，而后水洗，干燥，即得到以纳米硅为核，从内至外依次包覆有二氧化硅层和石墨烯层，且纳米硅与二氧化硅层及二氧化硅层与石墨烯层之间均具有空隙的Si/void/SiO2/void/Graphene复合材料。
进一步，本发明还提供一种电池云平台管理方法，包括以下步骤：
1)基于电池云平台进行动力电池状态指标采集，包括：电池单体端电压u、电池充放电电流；
2)初始化，包括状态量初始化和协方差初始化以及误差协方差确定；
3)进行状态量时间更新；
4)进行卡尔曼滤波增益计算；
5)状态量测量更新；
6)进行更新釆样点，从步骤2)到5)步重新迭代计算得到新的状态量和协方差。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用高镍正极材料匹配硅基负极材料实现单体电池能量密度达281Wh/kg，1C倍率充放室温循环350次容量保持80％；采用富锂正极材料匹配硅基负极材料实现单体电池能量密度达302Wh/kg，0.5C倍充倍放室温循环195次容量保持80％。技术指标参数已达到了国内领先世界先进水平。并复配正极材料成膜剂和负极材料成膜剂，延长电池寿命，增加电池安全性能，开发聚丙烯酸类水性粘结剂有助于硅负极材料的粘接强度及对铜箔的附着力，从而提高硅基材料的电化学性能，进一步，采用高安全性湿法涂覆隔膜提高电池安全性能。通过对正极材料、负极材料、电解质、成膜剂和隔膜的相互配伍下，使本发明的动力电池具有高能量密度、长循环寿命、高安全性和良好的电化学性能，为实现高比能量电池的产业化生产并批量装车，推动新能源产业链的整体技术进步奠定了基础，具有良好的应用前景。
2、本发明提供的电池云平台管理方法，考虑了极化环节的模型参数变化，工作量更小，精度更高，更适合电池在线辨识，易于在控制器上实现。
通过模型研究指导电池安全设计，并采用数字化智能制造技术控制电池制造过程参数，保证电池制造的一致性；然后对单体电池及系统的热失控机理进行建模分析，为单体电池的设计、集成应用等提供设计理念和方案，也为电池安全和循环寿命提供保障。本发明突破了高比能量电芯的材料体系匹配技术、极片加工制备技术与环境控制技术，在电芯极片设计、电芯制备过程工艺技术、性能及安全性能测试等方面取得了显著成绩，形成了高比能电池开发的标准化作业流程与开发平台，保障车辆的正常运行并提高动力电池的使用寿命，降低进一步发生安全事故的风险，提高车辆安全性，从而保障终端用户的人身和财产安全。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一、一种动力电池，包括电池壳体，包覆于电池壳体内的电极组以及电解液；电极组由多个正、负极片以及隔膜叠合而成；其特征在于，所述正极片上涂布的高镍正极材料组合物，按重量百分比计，正极材料组合物中，粘结剂1-2.5％；导电剂2.5-4％，余量为高镍正极活性物；负极片上涂布的硅基负极材料组合物，按重量百分比计，硅基负极材料组合物中，粘结剂1-2％；导电剂2-4％，增稠剂1-2.5，余量为硅基负极活性物。
1、所述高镍正极材料采用如下方法制备而成：
1)将氧化镍、氧化锰、氧化锂及氧化镥球磨混合均匀，得到均匀的粉体，均匀粉体中镍、锰的摩尔比为0.8：0.1，镍锰与锂的摩尔比为1：1.05，氧化镥的质量为氧化镍、氧化锰和氧化锂质量总和的0.1％～2.0％；将上述粉体置于微波马弗炉中，500℃预焙烧6h，然后在900℃焙烧8h，进一步破碎过筛，得到稀土Lu掺杂高镍正极材料；稀土Lu掺杂高镍正极材料的D10为6～8μm，D50为10～14μm，D90为15～20μm；稀土Lu掺杂高镍正极材料的二次粒子的孔隙率为25％；
2)使用精密电子天平称取一定量上述筛分后的材料加入烧杯中，缓慢加入0.1mol/L硝酸，置于超声分散仪中超声30min，得到均匀溶液；
3)将上述溶液缓慢加入高压反应釜中，在20Mpa、10℃的高压低温条件下保持连续搅拌，加入0.1mol/L苯胺单体，打开精密计量泵加入0.1mol/L氧化剂H2O2，n苯胺单体:n氧化剂＝0.5:1，苯胺单体溶液加入速度为5mL/min，H2O2溶液加入速度为1mL/min，H2O2溶液滴加结束后继续反应1h，控制反应温度5℃，苯胺单体与稀土Lu掺杂高镍正极材料的质量比为0.5％～2.0％；
4)将上述反应得到的混合悬浮液置于高速离心机中离心15min，以无水乙醇为洗涤剂，将离心固态化合物后反复洗涤三次，置于180℃下真空干燥箱中10h，得到掺杂Lu且二次粒子的孔隙间形成有纳米树状导电聚苯胺网络的高镍正极材料；
5)将上述得到的掺杂Lu且二次粒子的孔隙间形成有纳米树状导电聚苯胺网络的高镍正极材料、氧化锂、氧化锗及氧化镧粉体混合均匀，缓慢倒入连续搅拌的去离子水中，得到均匀悬浮液；在上述均匀悬浮液中加入P2S5溶液，不断搅拌至水分蒸发，在150℃真空干燥箱中保持24h，得到掺杂Lu、二次粒子的孔隙间形成有纳米树状导电聚苯胺网络、表面包覆Li10GeLa3P2S12锂离子导体层的高镍正极材料。Li10GeLa3P2S12锂离子导体层的质量为基材质量的1％～5％。
2、所述硅基负极活性材料采用如下方法制备而成：
1)将10g纳米硅粉(粒径80nm左右)搅拌分散到乙醇和水的混合溶液中，得到纳米硅分散液，其中乙醇和水的混合溶液中，乙醇和水的体积比为1:1.3。
2)将2g PVP和90mL氨水加入纳米硅分散液中，混合均匀后，再逐滴加入220mlTEOS，而后室温搅拌反应30min，离心，干燥得到以纳米硅为核，二氧化硅为壳层的Si/SiO2复合材料粉末；
3)将3g GO分散到浓度为75％的乙醇中，得到GO分散液；
4)将80g Si/SiO2复合材料粉末加入到GO分散液中，搅拌6h，而后喷雾干燥，得到以氧化石墨烯为壳层，包覆Si/SiO2复合材料的Si/SiO2/GO复合材料粉末；
5)将Si/SiO2/GO复合材料粉末在500℃下煅烧1h，得到Si/SiO2/Graphene复合材料粉末，其中，煅烧在H2/Ar混合气保护下进行，且H2与Ar的体积比为5:95；
6)将1g Si/SiO2/Graphene复合材料粉末加入浓度为1M的HF溶液中，搅拌反应1.5h，而后水洗，干燥，即得到以纳米硅为核，从内至外依次包覆有二氧化硅层和石墨烯层，且纳米硅与二氧化硅层及二氧化硅层与石墨烯层之间均具有空隙的Si/void/SiO2/void/Graphene复合材料。
二、一种动力电池的制备方法，包括如下步骤：
1、正极混合浆料的制备
①将导电剂和正极活性物混合均匀形成第一混合物；
②将粘结剂：聚偏氟乙烯加入装有溶剂的搅拌机中，然后置于45温度环境下真空搅拌2小时，形成第二混合物；
③向所述第二混合物中加入所述第一混合物，然后置于25温度环境下真空搅拌6小时形成第三混合物；
④将上述第三混合物过150目筛2次，获得正极混合浆料。
2、负极混合浆料的制备
①将增稠剂加入装有溶剂的搅拌机中，搅拌2小时，形成第一混合物；
②将在第一混合物中加入导电剂，搅拌1小时，形成第二混合物；
③向第二混合物依次加入负极活性物质和粘结剂，搅拌1小时，形成第三混合物；
④将上述第三混合物过150目筛2次，获得负极混合浆料。
实施例2：与实施例1不同的是，正极材料组合物中，粘结剂2.1％；导电剂2.9％，余量为正极活性物。负极材料组合物，按重量百分比计，包括以下组分：粘结剂1.6％；导电剂3.6％，增稠剂1.6，余量为负极活性物。
实施例3：与实施例1不同的是，正极材料组合物中，粘结剂2.2％；导电剂2.5％，余量为正极活性物。负极材料组合物，按重量百分比计，包括以下组分：粘结剂2％；导电剂2.8％，增稠剂2，余量为负极活性物。
实施例4：与实施例1不同的是，正极材料组合物中，粘结剂1％；导电剂3.5％，余量为正极活性物。负极材料组合物，按重量百分比计，包括以下组分：粘结剂1.6％；导电剂3.3％，增稠剂2，余量为负极活性物。
将上述方法制备的动力电池进行循环充放电性能测试。结果如表1所示。
其中，能量密度计算公式：能量密度(Wh/kg)＝(电池容量(Ah)×标称电压(V))÷(电池重量(g)÷1000)，计算各实施例制备动力电池的能量密度。
续航里程S的计算公式如下：
Figure BDA0002043882770000071
式中，EB为蓄电池总能量(KW·h)
ηmc一一电机及控制器效率(取0.9)
ηq电池平均放电效率(取0.95)
表1
Figure BDA0002043882770000072
由上述实验数据可知，该动力电池具有高能量密度、长循环寿命、高安全性和良好的电化学性能。在硅基负极材料和正极材料外附着聚丙烯酸类水性粘结剂形成聚合物的功能层，且具有核壳结构，因此制备所得的硅基负极材料和正极材料在放电体积缩小以后，即使再次充电发生膨胀，也存在足够的膨胀空间，使得在硅基体表面形成的聚合物功能层较为完整，也不会出现为实现较好的性能形成聚合物功能层较多的情况，从而使得动力电池的可逆容量提高，可逆循环性显著变好，寿命显著增长，倍率显著提升，可以进行大倍率的充放电循环。
三、电池云平台管理方法
本发明还提供一种电池云平台管理方法，包括以下步骤：
1)基于电池云平台进行动力电池状态指标采集，包括：电池单体端电压u、电池充放电电流；
2)初始化，包括状态量初始化和协方差初始化以及误差协方差确定；
3)进行状态量时间更新；
4)进行卡尔曼滤波增益计算；
5)状态量测量更新；
6)进行更新釆样点，从步骤2)到5)步重新迭代计算得到新的状态量和协方差。
本发明考虑了极化环节的模型参数变化，工作量更小，精度更高，更适合电池在线辨识，易于在控制器上实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种动力电池，包括电池壳体，包覆于电池壳体内的电极组以及电解液；电极组由多个正、负极片以及隔膜叠合而成；其特征在于，所述正极片上涂布的高镍正极材料组合物，按重量百分比计，正极材料组合物中，粘结剂1-2.5％；导电剂2.5-4％，余量为高镍正极活性物；负极片上涂布的硅基负极材料组合物，按重量百分比计，硅基负极材料组合物中，粘结剂1-2％；导电剂2-4％，增稠剂1-2.5，余量为硅基负极活性物。
2.根据权利要求1所述动力电池，其特征在于，所述高镍正极材料采用如下方法制备而成：
1）将氧化镍、氧化锰、氧化锂及氧化镥球磨混合均匀，得到均匀的粉体，均匀粉体中镍、锰的摩尔比为0.8：0.1，镍锰与锂的摩尔比为1：1.05，氧化镥的质量为氧化镍、氧化锰和氧化锂质量总和的0.1％～2.0％；将上述粉体置于微波马弗炉中，500℃预焙烧6h，然后在900℃焙烧8h，进一步破碎过筛，得到稀土Lu掺杂高镍正极材料；稀土Lu掺杂高镍正极材料的D10为6～8μm，D50为10～14μm，D90为15～20μm；稀土Lu掺杂高镍正极材料的二次粒子的孔隙率为25％；
2）使用精密电子天平称取一定量上述筛分后的材料加入烧杯中，缓慢加入0.1mol/L硝酸，置于超声分散仪中超声30min，得到均匀溶液；
3）将上述溶液缓慢加入高压反应釜中，在20Mpa、10℃的高压低温条件下保持连续搅拌，加入0.1mol/L苯胺单体，打开精密计量泵加入0.1mol/L氧化剂H2O2，n苯胺单体:n氧化剂＝0.5:1，苯胺单体溶液加入速度为5mL/min，H2O2溶液加入速度为1mL/min，H2O2溶液滴加结束后继续反应1h，控制反应温度5℃，苯胺单体与稀土Lu掺杂高镍正极材料的质量比为0.5％～2.0％；
4）将上述反应得到的混合悬浮液置于高速离心机中离心15min，以无水乙醇为洗涤剂，将离心固态化合物后反复洗涤三次，置于180℃下真空干燥箱中10h，得到掺杂Lu且二次粒子的孔隙间形成有纳米树状导电聚苯胺网络的高镍正极材料；
5）将上述得到的掺杂Lu且二次粒子的孔隙间形成有纳米树状导电聚苯胺网络的高镍正极材料、氧化锂、氧化锗及氧化镧粉体混合均匀，缓慢倒入连续搅拌的去离子水中，得到均匀悬浮液；在上述均匀悬浮液中加入P2S5溶液，不断搅拌至水分蒸发，在150℃真空干燥箱中保持24h，得到掺杂Lu、二次粒子的孔隙间形成有纳米树状导电聚苯胺网络、表面包覆Li10GeLa3P2S12锂离子导体层的高镍正极材料。Li10GeLa3P2S12锂离子导体层的质量为基材质量的1％～5％。
3.根据权利要求1所述动力电池，其特征在于，所述硅基负极活性材料采用如下方法制备而成：
1）将10g纳米硅粉(粒径80nm左右)搅拌分散到乙醇和水的混合溶液中，得到纳米硅分散液，其中乙醇和水的混合溶液中，乙醇和水的体积比为1:1.3。
2）将2g PVP和90mL氨水加入纳米硅分散液中，混合均匀后，再逐滴加入220ml TEOS，而后室温搅拌反应30min，离心，干燥得到以纳米硅为核，二氧化硅为壳层的Si/SiO2复合材料粉末；
3）将3g GO分散到浓度为75％的乙醇中，得到GO分散液；
4）将80g Si/SiO2复合材料粉末加入到GO分散液中，搅拌6h，而后喷雾干燥，得到以氧化石墨烯为壳层，包覆Si/SiO2复合材料的Si/SiO2/GO复合材料粉末；
5）将Si/SiO2/GO复合材料粉末在500℃下煅烧1h，得到Si/SiO2/Graphene复合材 料粉末，其中，煅烧在H2/Ar混合气保护下进行，且H2与Ar的体积比为5:95；
6）将1g Si/SiO2/Graphene复合材料粉末加入浓度为1M的HF溶液中，搅拌反应1.5h，而后水洗，干燥，即得到以纳米硅为核，从内至外依次包覆有二氧化硅层和石墨烯层，且纳米硅与二氧化硅层及二氧化硅层与石墨烯层之间均具有空隙的Si/void/SiO2/void/Graphene复合材料。
4.一种电池云平台管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）基于电池云平台进行动力电池状态指标采集，包括：电池单体端电压u、电池充放电电流；
2）初始化，包括状态量初始化和协方差初始化以及误差协方差确定；
3）进行状态量时间更新；
4）进行卡尔曼滤波增益计算；
5）状态量测量更新；
6）进行更新釆样点，从步骤2）到5）步重新迭代计算得到新的状态量和协方差。本发明考虑了极化环节的模型参数变化，工作量更小，精度更高，更适合电池在线辨识，易于在控制器上实现。
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