CN112034020A - 一种测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法和装置，所述方法包括模拟得到负极在不同嵌锂量时相对于正极的电位曲线；以实际电池时正负极间的稳定电压作为指示电位，将所述指示电位代入所述电位曲线中，从而计算得到实际电池时负极预嵌锂量。本发明实施例提供的测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，相较传统厚度测量或者称重的方法，具有操作简单、可靠等优点。本发明的方法在准确得到负极预嵌锂量的同时，不影响正常电池制作过程，从而为预嵌锂电池质量控制、后期预嵌锂电池筛选分级、配组等提供参考，保证电池制作和使用可控。

Description

一种测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法和装置
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法和装置。
背景技术
锂离子电池由于具有许多突出优点而广泛应用于诸多领域，但是随着应用领域的不断扩展和应用要求的不断提高，对高性能锂离子电池的需求更加迫切。高性能锂离子电池的开发则严重依赖于材料体系的进步，现阶段正极材料逐渐开展转向高镍三元或者下一代的高电压材料，负极材料则从完全的石墨材料逐渐开始掺入硅基材料，这些材料体系的改变往往带来正负极材料首次效率的不匹配，从而导致高容量的正极材料在实际电池中并不能发挥其高的容量。通过负极预锂化是解决这一问题实现电池高能量密度的主要手段。
目前负极预锂化方式包括添加保护锂粉和复合超薄锂带，对于锂粉，其在电极中分布的均匀性存在一定难度；而对于超薄锂带，一般是通过厚的锂带轧制而成，其厚度控制一般仅能做到±4μm，对应的电量约0.825mAh/cm2，但是对于锂离子电池电极一般面密度约2-6mAh/cm2。预嵌锂量对于锂离子电池的性能影响显著，过多会出现析锂导致的安全风险，过少则有可能无法实现材料容量发挥的目标。因此，如何准确测定锂离子电池负极预嵌锂量变得十分重要。
目前，常规的方法是通过对极片预嵌锂前后进行称重从而计算预嵌锂量，但是此方法一方面耗时费力，另一方面增加了单质锂在环境中的暴露时间，可能会影响电池的性能。
发明内容
本发明实施例提供一种测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法和装置，用以解决现有技术中通过称重测量影响电池性能的缺陷，实现方便、准确地测定负极预嵌锂量。
本发明实施例提供一种测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，包括：
模拟得到负极在不同嵌锂量时相对于正极的电位曲线；
以实际电池时正负极间的稳定电压作为指示电位，将所述指示电位代入所述电位曲线中，从而计算得到实际电池时负极预嵌锂量。
本发明根据电极处于不同嵌锂状态时其电位也会出现特征差异，将实际电池时正负极间的稳定电压作为指示电位，先模拟得到负极不同嵌锂量时相对于正极的电位曲线，再将指示电位代入其中，从而计算得到实际电池时负极预嵌锂量，相较传统厚度测量或者称重的方法，具有操作简单、可靠等优点。
根据本发明实施例提供的测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，包括以下步骤：
S1、以实际电池中的负极为工作电极，过量厚度的锂片为对电极，实际电池中的正极为参比电极，组成三电极电池；
S2、从所述过量厚度的锂片脱锂，并将脱出的锂嵌入负极工作电极，记录不同脱锂量时负极工作电极和正极参比电极之间的电位，得到不同负极预嵌锂量对应的电位曲线；
S3、将负极与单质锂源复合后与正极组装成实际电池，记录正负极之间稳定的电压，并将此电压代入步骤S2所得电位曲线，从而得到负极预嵌锂量。
根据本发明实施例提供的测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，步骤S1中，锂片与负极之间还设有隔膜，所述隔膜的作用为防止锂片与负极发生接触短路。
根据本发明实施例提供的测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，所述隔膜的材质为聚烯烃、聚酰胺或PET(聚对苯二甲酸乙二酯)。
根据本发明实施例提供的测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，所述过量厚度的锂片，其厚度≥50μm。
根据本发明实施例提供的测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，步骤S2中，采用恒电流滴定或恒电位滴定的方式从所述过量厚度的锂片脱锂，并将脱出的锂嵌入负极工作电极。
根据本发明实施例提供的测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，所述负极为硅氧碳材料、硅碳材料或石墨材料；
根据本发明实施例提供的测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，所述正极为富锂锰基固溶体、磷酸铁锂、锂镍钴锰或锰酸锂。
本发明实施例还提供一种测定锂离子电池负极预嵌锂量的装置，包括：
工作电极，其材质为实际电池中负极的材质；
对电极，为厚度≥50μm的锂片；
和参比电极，其材质为实际电池中正极的材质。
其中，所述对电极与所述工作电极之间设有隔膜且均与所述隔膜贴合，所述隔膜能通过脱锂，所述参比电极与所述工作电极基本在同一个平面且相互不接触。
该装置结构简单，能快速辅助测定锂离子电池负极预嵌锂量。
本发明还一种锂离子二次电池，具有正极、负极以及介于正极和负极之间的电解质，所述负极为经上述测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法测定后预嵌锂量合格的负极。
本发明实施例提供的测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，通过模拟负极不同嵌锂量时相对于正极的电位曲线，并将实际电池时正负极间的稳定电压作为指示电位代入其中，从而计算得到实际电池时负极预嵌锂量，相较传统厚度测量或者称重的方法，具有操作简单、可靠等优点。本发明的方法在准确得到负极预嵌锂量的同时，不影响正常电池制作过程，从而为预嵌锂电池质量控制、后期预嵌锂电池筛选分级、配组等提供参考，保证电池制作和使用可控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种测定锂离子电池负极预嵌锂量的装置；
图2为本发明实施例中预嵌锂程度为0～100％的硅氧碳负极工作电极对应富锂锰基固溶体正极参比电极之间的电位曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种测定锂离子电池负极预嵌锂量的装置，包括：
工作电极，其材质为实际电池中负极的材质；
对电极，为厚度≥50μm的锂片；
和参比电极，其材质为实际电池中正极的材质；
所述对电极与所述工作电极之间设有隔膜且均与所述隔膜贴合，所述隔膜能通过脱锂，所述参比电极与所述工作电极基本在同一个平面且相互不接触。
实施例1
本发明实施例提供一种测定锂离子电池负极预嵌锂量的装置，以厚度≥50μm的锂片为对电极1，硅氧碳负极为工作电极3，富锂锰基固溶体正极为参比电极4，隔膜2采用聚烯烃隔膜，按照对电极1、隔膜2、工作电极3和参比电极4的顺序组装成如图1所示的结构，其中，对电极1与隔膜2是相互贴合的，工作电极3、参比电极4与隔膜2也是贴合的，参比电极4为圆环状，与工作电极3在同一水平面上但不发生接触，参比电极4圆环的外半径大于工作电极3的半径至少2mm。
实施例2
本发明实施例提供一种测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，具体步骤如下：
1)以硅氧碳负极为工作电极，厚度≥50μm的锂片为对电极，富锂锰基固溶体正极为参比电极，隔膜采用聚烯烃隔膜，制作成如图1所示的三电极结构；
2)采用电化学工作站或充放电测试仪以恒电流滴定的方式每1-10％的电量对硅氧碳负极工作电极进行嵌锂，弛豫时间≥10小时，记录硅氧碳负极工作电极与富锂锰基固溶体正极参比电极之间的电位，从而得到0～100％预嵌锂程度的硅氧碳负极工作电极对应富锂锰基固溶体正极参比电极之间的电位曲线，如图2所示；
3)将超薄锂带与硅氧碳负极进行复合后与富锂锰基固溶体正极组成实际电池，注液后置于充放电测试仪进行搁置，记录电池实际电压变化，初期超薄锂带-硅氧碳复合电极中锂逐渐嵌入硅氧碳电极，对应电池电压发生变化，在完成锂嵌入后电压基本保持稳定，取此时电位2.7424V作为预嵌锂指示电位，将指示电位代入图2中得到对应的预嵌锂量为17.3％。
为验证指示电位得到的预嵌锂量是否可靠，同步利用称重法进行验证，具体方法为，采用相同工艺，首先将硅氧碳负极称重，将超薄锂带与硅氧碳负极进行复合，完成锂嵌后再进行称重，从而得到预嵌锂量为17.2％，与电位指示结果基本一致，可见本实施例方法的可靠性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，其特征在于，包括：
模拟得到负极在不同嵌锂量时相对于正极的电位曲线；
以实际电池时正负极间的稳定电压作为指示电位，将所述指示电位代入所述电位曲线中，从而计算得到实际电池时负极预嵌锂量。
2.根据权利要求1所述的测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以实际电池中的负极为工作电极，过量厚度的锂片为对电极，实际电池中的正极为参比电极，组成三电极电池；
S2、从所述过量厚度的锂片脱锂，并将脱出的锂嵌入负极工作电极，记录不同脱锂量时负极工作电极和正极参比电极之间的电位，得到不同负极预嵌锂量对应的电位曲线；
S3、将负极与单质锂源复合后与正极组装成实际电池，记录正负极之间稳定的电压，并将此电压代入步骤S2所得电位曲线，从而得到负极预嵌锂量。
3.根据权利要求2所述的测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，其特征在于，步骤S1中，锂片与负极之间还设有隔膜，所述隔膜的作用为防止锂片与负极发生接触短路。
4.根据权利要求3所述的测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，其特征在于，所述隔膜的材质为聚烯烃、聚酰胺或聚对苯二甲酸乙二酯。
5.根据权利要求2～4任一项所述的测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，其特征在于，所述过量厚度的锂片，其厚度≥50μm。
6.根据权利要求2～5任一项所述的测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，其特征在于，步骤S2中，采用恒电流滴定或恒电位滴定的方式从所述过量厚度的锂片脱锂，并将脱出的锂嵌入负极工作电极。
7.根据权利要求2～6任一项所述的测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，其特征在于，所述负极为硅氧碳材料、硅碳材料或石墨材料。
8.根据权利要求2～7任一项所述的测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法，其特征在于，所述正极为富锂锰基固溶体、磷酸铁锂、锂镍钴锰或锰酸锂。
9.一种测定锂离子电池负极预嵌锂量的装置，其特征在于，包括：
工作电极，其材质为实际电池中负极的材质；
对电极，为厚度≥50μm的锂片；
和参比电极，其材质为实际电池中正极的材质。
10.一种锂离子二次电池，具有正极、负极以及介于正极和负极之间的电解质，其特征在于，所述负极为经权利要求1～8任一项所述测定锂离子电池负极预嵌锂量的方法测定后预嵌锂量合格的负极。
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