CN112086701A - 基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置及方法 - Google Patents

基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置，包括电池充电箱、电池充放电管理系统、控制器、超声激励信号发射器和超声换能装置，电池充电箱为一封闭的箱体结构，该电池充电箱内充满冷却液并且具有用于容纳锂金属电池的缺口槽；所述电池充放电管理系统用于与所述缺口槽内的锂金属电池连接；控制器通过超声激励信号发射器与所述超声换能装置连接，超声换能装置用于在锂金属电池充电时施加超声纵波在所述锂金属电池的多个外表面上。本发明运用超声的手段改善锂离子在电解质中的扩散速率，从而达到辅助提升锂金属电池稳定性和安全性的目的。与目前传统的改进策略不同，本发明工作模式简单，成本低，实用性强，改善效果明显。

Description

基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置 及方法
技术领域
本发明属于化学电源技术领域，更具体地，涉及一种锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置及方法。
背景技术
锂离子二次电池又称“摇椅电池”，其主要工作原理是借由锂离子在电池正负极材料间来回嵌入脱出，实现可重复的充放电应用。锂离子电池作为一种先进的电化学储能技术，在储能电站、3C电子、电动汽车等领域得到了广泛应。然而，目前锂离子电池的性能尤其是能量密度难以完全满足实际应用的需求。不幸的是，当前商业化电池的能量密度已经接近于其理论比容量，提升空间有限，因而开发高能量密度，倍率性能优异的下一代锂离子电池具有重要意义。
与石墨负极相比，近年来锂金属电池的金属锂负极因其极高的能量密度(3860mAh g-1)和最低的电极电位(-3.040V vs标氢电位)受到了越来越多的关注。采用金属锂负极替代石墨负极可以极大提升电池的整体能量密度，同时金属锂还可以与一些特定的正极材料匹配成高比能全电池体系，如三元电池，锂硫电池和锂空气电池。然而由于在充放电过程中锂离子在金属锂负极表面不均匀沉积，导致锂枝晶的不断生长，使得金属锂负极的库伦效率低下，循环稳定性差。甚至还存在锂枝晶刺穿隔膜的风险，引发电池的热失控甚至起火爆炸。因而能否解决金属锂负极枝晶生长的问题是能否实现锂金属电池商业化的关键问题。
为提高锂金属电池的稳定性和安全性，近年来研究者们提出了多种策略来提高锂金属负极的稳定性和安全性。如在电解液中添加氟代碳酸亚乙酯(FEC)，双(草酸)硼酸锂(LiBOB)和硝酸锂(LiNO3)等电解液添加剂。这些添加剂易于在电极表面形成富含LiF的更稳定的固体电解质中间相(SEI)层，能有效抑制电解液与锂金属的副反应和枝晶生长，从而极大地提高锂金属负极的稳定性。然而由于此类电解液添加剂会随着电池的循环不断被消耗，因而并不能持续有效的改善金属锂的性能。通过对金属锂负极的电极结构进行优化设计也是提高金属锂负极的稳定性的有效策略。如采用三维结构的铜箔，石墨烯基材料等作为锂的宿主材料，可以有效缓解金属锂循环过程中的体积膨胀。同时，所构建的基体结构拥有更大的比表面积，从而降低电流密度，有效抑制锂枝晶的生长。然而此类方法在降低电流密度的同时，也增加了金属锂与电解液反应的活性位点，会导致活性物质的进一步的损耗。采用固态电解质取代液态电解质也可以提升金属锂的安全性。与液态电解质相比，固态电解质因其高安全性、宽电压窗口和高剪切模量等优势吸引了越来越多的关注。但是固态电解质存在室温离子电导低，界面稳定性差等问题，严重制约了其产业化的发展。通过在锂金属负极表面构筑理想的固体电解质中间相(SEI)层也是一种有效的改性策略。通过在金属锂负极表面构筑一层具有优良机械性能和良好离子电导的人工 SEI层可以有效抑制电解液与金属锂负极的副反应，缓解锂枝晶生长。然而此类策略的规模化生产和长期有效性还有待提高。
综上所述，锂金属电池的循环稳定性和安全性主要取决于金属锂负极表面锂离子沉积和溶解的均匀性，当电解质中锂离子的浓度梯度变大，金属锂负极表面发生不均匀的锂离子的沉积和溶解，会导致锂枝晶的生长，引发电池库伦效率降低，容量衰减，甚至还存在锂枝晶刺穿隔膜的风险，引发电池的热失控甚至起火爆炸。传统的抑制锂枝晶，提升锂金属电池稳定性和安全性的方法具有工艺复杂，成本高，难规模化生产等缺点。因而开发一种对现有锂离子电池生产线友好，成本低廉，可规模化生产的新策略具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置及方法，其通过施加适当频率与功率的超声纵波，能显著提高锂离子在电解质中的扩散速率，从而改善锂离子在金属锂负极表面的分布均匀性，抑制锂枝晶的生长。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置，其特征在于，包括电池充电箱、电池充放电管理系统、控制器、超声激励信号发射器和超声换能装置，其中：
所述电池充电箱为一封闭的箱体结构，该电池充电箱内充满冷却液，该电池充电箱上设置有缺口槽，以用于容纳锂金属电池，所述缺口槽内还设置有用于与锂金属电池的多个外表面接触的柔性介质层；
所述电池充放电管理系统与所述控制器连接，以用于与所述缺口槽内的锂金属电池连接并让锂金属电池充放电；
所述控制器通过所述超声激励信号发射器与所述超声换能装置连接，并且所述超声换能装置安装在所述电池充电箱的上，以用于在锂金属电池充电时施加超声纵波在所述锂金属电池的多个外表面上并使超声纵波穿过锂金属电池，其中，所述超声纵波穿过所述电池充电箱及柔性介质层后到达所述锂金属电池的多个外表面。
优选地，所述缺口槽呈长方体形状，以用于使柔性介质层与锂金属电池的其中五个外表面接触。
优选地，所述超声纵波在该柔性介质层的透过衰减率低于30％。
优选地，所述柔性介质层为橡胶层。
优选地，所述锂金属电池具有平板状封装结构，其为软包锂金属电池、硬壳锂金属电池或纽扣电池。这种平板封闭结构有利于超声换能装置贴合，使超声换能装置发出的超声纵波均匀稳定的覆盖整个锂金属电池的电极区域。
优选地，所述锂金属电池的正极的材料选自磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、硫、氧气中的一种，其负极采用金属锂箔。采用这种正、负极的锂金属电池的工作是基于锂离子在正负极材料间嵌入脱出的原理；由于本发明利用超声纵波加速锂离子在电解质中的扩散速率，改善锂离子在电极表面沉积的均匀性，所以本发明对这类基于锂离子嵌入脱出的工作原理的锂金属电池有效。
优选地，所述电池充电箱上还安装有用于检测该电池充电箱侧壁温度的温度传感器，所述温度传感器与所述控制器连接。
优选地，还包括与所述控制器连接的循环水泵，所述循环水泵的进水管和出水管均伸入所述电池充电箱内，以用于让所述电池充电箱内的冷却液循环流动。
优选地，所述控制器为可编程控制器。
优选地，电池充放电管理系统对锂金属电池执行充电时，控制器通过与电池充放电管理系统通讯获取电池荷电状态与充电电流信息，以控制超声激励信号发射器发射的频率和功率；
超声激励信号发射器以设定的频率和功率发出超声激励信号给超声换能装置，超声换能装置将超声激励信号发射器发射的电压激励信号转化为物理震动并形成超声纵波，超声纵波到达所述锂金属电池的多个外表面并穿过锂金属电池。
按照本发明的另一个方面，提供了所述的辅助装置提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助方法，其特征在于，电池充放电管理系统对锂金属电池执行充电时，控制器通过与电池充放电管理系统通讯获取电池荷电状态与充电电流信息，以控制超声激励信号发射器发射的频率和功率；
超声激励信号发射器以设定的频率和功率发出超声激励信号给超声换能装置，超声换能装置将超声激励信号发射器发射的电压激励信号转化为物理震动并形成超声纵波，超声纵波到达所述锂金属电池的多个外表面并穿过锂金属电池
这是因为锂金属电池内部为多层结构，且大部分含有电解液层，由于横波在液体中不传播，因此超声横波无法通过电解液层；而超声表面波沿界面传播，需要超声从电池侧面入射，对于软包电池以及绝大多数卷绕成型的硬壳锂金属电池，难以从侧面找到合适的入射截面，并且随着表面波强度在传播过程的衰减，还会造成电池内部声场不均，远离声源区域辅助效果不佳，从而引起电池面内不均匀老化等问题；而超声纵波产生简单，且可以很好的通过液体界面层
所述超声纵波的功率由电池充电功率确定，满足
Figure RE-GDA0002746343010000051
其中， P超为超声发射功率，d为锂金属电池的厚度，P充为锂金属电池的充电功率，K 为锂金属电池的超声系数，并且软包锂金属电池的K＝30～80，硬壳锂金属电池的K＝60～100。
所述超声纵波的频率根据锂金属电池的电极材料与厚度的不同，满足
Figure RE-GDA0002746343010000052
其中，f为超声纵波的频率，d为锂金属电池的厚度，η为受锂金属电池的材料与工艺影响的特征参数，并且软包锂金属电池的η＝1.75×10-6～4.4×10-3，硬壳锂金属电池的η＝5.5×10-6～1×10-2。这是由于超声纵波的穿透力受其频率决定，通常频率越低穿透力越好，而不同型号与材料的的锂金属电池超声穿透难度不同；同时超声对锂金属电池在不同电极材料中扩散速率的影响同频率有关，不同材料的最佳超声频率也不一样。综合考虑超声穿透力与敏感性，软包电池η取1.75×10-6～4.4×10-3，硬壳锂金属电池η取 5.5×10-6～1×10-2，能有效应用于市面上的绝大多数锂金属电池。
所述超声纵波信号为间歇脉冲信号，即超声换能器间歇产生穿透锂金属电池的超声纵波。在锂金属电池充电过程中，通过施加间歇脉冲信号，使超声换能器间歇产生穿透锂金属电池的超声纵波；通过动态调整间歇脉冲信号的间歇与强度，实现以最低的能耗改善锂离子在电解质中的分布均匀性，抑制锂枝晶的生长，从而提高锂金属电池的循环稳定性，达到辅助提升锂金属电池安全性的目的。
所述超声纵波的间歇具体通过以下过程获得：
1)测得同型号电池在室温无超声作用下，不同电池荷电状态下的临界锂枝晶生长电流I界与电池荷电状态x的关系曲线I界＝f(x)；
2)测得电池温度t对临界锂枝晶生长电流I界影响的传递函数G(t)；
3)测得超声纵波的间歇对临界锂枝晶生长电流影响的传递函数H(n)；
4)设温度与超声纵波对临界锂枝晶生长电流的作用相关独立，获得临界电流同温度，电池荷电状态与超声间隔的关系I界＝K(t,n,x)＝G(t)H(n)f(x)；
5)保留20％安全充电电流余量，令边界电流I界＝1.2I，通过步骤4)得到的关系式，反推保证不发生枝晶生长现象所需的超声发射间歇n＝K-1(t,1.2I,x)；其中边界电流I界为电池充电过程中不发生锂枝晶生长现象的最大临界电流，I 为电池当前充电电流；
6)由步骤5)得到的关系式，根据锂金属电池实时温度、充电电流和电池荷电状态动态调整超声脉冲发射间隔。
超声纵波信号为间歇脉冲信号，这么做是为了进一步降低此方法的功耗，提高能量使用效率。对锂金属电池充电过程中，对锂负极枝晶生长情况的改善并不一定要用到连续不断的超声纵波，通过间隔一定的时间发射一次超声激励即可取得理想的效果。锂金属电池所处温度越低，所处电池荷电状态越高或电池充电电流越大，对锂离子扩散速率的需求越高，因此需要更短的超声激励间隔。依照锂金属电池所处状态动态调整超声纵波的发射间隔，能将这种基于外加超声场提升锂金属电池稳定性和安全性的辅助方法的功耗降至最低。
上述超声辅助方法中的频率、功率、间歇等参数的进一步计算可参考专利“CN202010391210-基于外加超声场的锂离子电池快充辅助方法及装置”。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明通过冷却液的引入，实现了超声纵波对锂金属电池的多角度入射，增大了超声纵波的入射面积，从而避免了单一入射超声波在电池内部因多次反射、折射而衰减的现象，提升了超声波在电池中的传播效率，提高了锂离子在电解液中的迁移速率与分布均匀性，使超声信号能够覆盖电池的整个内部区域，并且保证超声信号不随电池的老化而衰减，保证了该超声辅助充电装置对提升各类健康状态的金属锂电池性能的有效性，实现了超声效率的最大化。
2)本发明运用超声的手段改善锂离子在电解质中的扩散速率，从而达到辅助提升锂金属电池稳定性和安全性的目的。与目前传统的改进策略不同，本发明工作模式简单，成本低，实用性强，改善效果明显。并且对现有锂离子电池的生产工艺友好，无需对现有产线进行改造，作为一个辅助装置能安装于绝大多数现有的商业软包、硬壳锂金属电池上，在3C电子、电动汽车、储能电站、电动自行车等领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的辅助装置的示意图；
图2是实施例1的电池A(有超声辅助)与电池B(无超声辅助)在常温充放电的电池容量-循环圈数曲线图；
图3a、图3b分别是实施例1的电池A(有超声辅助)与电池B(无超声辅助)在常温充放电后的金属锂负极的金相图；
图4是实施例2的电池C(有超声辅助)和电池D(无超声辅助)低温高速充放电的电池容量-循环圈数曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
通过外加超声纵波声场辅助常温下三元材料-金属锂箔软包电池充电：
基于外加超声场提升锂金属电池5稳定性及安全性的辅助装置的结构参照图1，可辅助该三元电池进行充电，其包括电池充电箱10、电池充放电管理系统6、控制器1、超声激励信号发射器8和超声换能装置9，控制器1优选采用可编程控制器1，其中：
所述电池充电箱10为一封闭的箱体结构，该电池充电箱10内充满冷却液3，并且该电池充电箱10具有用于容纳锂金属电池5的缺口槽；所述缺口槽内还设置有用于与所述锂金属电池5的多个外表面接触的柔性介质层4，所述超声纵波在该柔性介质层4的透过衰减率低于30％；锂金属电池5放置在缺口槽内，并且锂金属电池5的任意一个表面均不超出所述柔性介质层4，也即锂金属电池5被柔性介质层4包裹，锂金属电池5整体没有突出柔性介质层4。
所述电池充放电管理系统6与所述控制器1连接，以用于与所述缺口槽内的锂金属电池5连接并让锂金属电池5充放电；
所述控制器1通过所述超声激励信号发射器8与所述超声换能装置9连接，并且所述超声换能装置9安装在所述电池充电箱10的上，以用于在锂金属电池 5充电时施加超声纵波在所述锂金属电池5的多个外表面并穿过所述锂金属电池5，并且超声纵波穿过所述电池充电箱10(当然也穿过电池充电箱10内的所述冷却液3)和柔性介质层4后达到锂金属电池5的多个外表面。柔性介质层4 自身能产生弹性变形，其可以选用橡胶层。冷却液3可以作为超声纵波的传播介质，使超声换能装置9产生的超声纵波在无衰减的情况下通过冷却液3均匀传递到柔性介质层4，并通过柔性介质层4均匀传递到锂金属电池5，从而使得超声纵波信号从锂金属电池5的多个表面均匀射入锂金属电池5，实现了多角度的超声纵波的射入，从而避免了单一入射超声纵波在电池内部因多次反射、折射而衰减的现象，提升了超声纵波在电池中的传播效率，提高了锂离子在电解液中的迁移速率与分布均匀性，使超声纵波信号能够覆盖锂金属电池5的整个内部区域，并且保证超声纵波信号不随锂金属电池5的老化而衰减，保证了该超声辅助装置对提升各类健康状态的锂金属电池5的性能的有效性，实现了超声效率的最大化。与从单一表面射入超声信号相比，通过以冷却液3作为传播介质，还可以降低超声换能装置9的能耗。本发明的用于容纳锂金属电池5 的缺口槽，起到固定锂金属电池5的作用，保证了即使是在复杂的工况下仍能使超声换能装置9产生的超声纵波在无衰减的情况下穿透锂金属电池5，拓宽了该辅助装置的应用场景，如车载充电等移动式充电方式。同时，该缺口槽可以根据商用电池的具体尺寸来调节大小，满足各类硬壳电池和软包电池的充电需求，如电动汽车用动力电池，手机和笔记本用消费类电池。
缺口槽柔性介质层4可以实现与电池的紧密贴合，避免超声波在接触界面处的衰减。同时，柔性介质层4与锂金属电池5间的良好面接触提升了超声纵波的入射面积，使超声纵波的入射范围更加均匀，实现了超声纵波信号能够覆盖锂金属电池5的整个内部区域，保证了锂金属电池5整个内部超声环境的一致性，更利于提升锂金属电池5的安全性。由于超声纵波在介质中传播时，超声纵波会出现散射衰减，而散射衰减和传播物体的材质有关，固体介质中的颗粒界面会导致超声纵波不能再沿着原来的方向传播，使超声纵波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，导致部分声能转化为热能，导致声能的损耗，当超声纵波的衰减率大于30％时，会导致超声纵波无法穿透锂金属电池5，使锂金属电池5内部的超声信号不足以覆盖整个锂金属电池5的内部区域，让锂金属电池 5内部的超声信号分布不均匀，会加剧锂金属电池5内部锂离子分布的不均匀性，恶化锂金属电池5性能，因而本申请选用橡胶材质作为柔性介质层4，可以有效降低超声波的衰减率。
进一步，还包括与所述控制器1连接的循环水泵7，所述循环水泵7的进水管和出水管均伸入所述电池充电箱10内，以用于让所述电池充电箱10内的冷却液3循环流动。通过循环水泵7带动冷却液3循环流动，将锂金属电池5 在充电过程中产生的热量带走，可以防止锂金属电池5在大电流充电过程中温度过高，避免电池热失控的发生，极大提升了锂金属电池5快充时的安全性。
进一步，在电池充电箱10上还安装了温度传感器2，以获得电池充电箱10 的温度，温度传感器2与控制器1连接。
本实施例的电池充放电管理系统6采用新威电池测试仪，模拟电池的实际工作场景，可编程控制器1为STM32单片机，通过RJ45接口同电池测试仪通讯，获取电池荷电状态信息；通过电池充放电管理系统6获取电池的充电电流大小与实时温度；通过RS485通讯向超声激励信号发射器8下达指令，设定发射超声信号的频率、强度与发射周期。超声换能装置9为PZT压电陶瓷片，超声换能装置9通过环氧树脂胶紧密的贴于电池槽的一侧。
随机抽取同一批次的两块三元材料-金属锂软包电池，分别标记为电池A 与电池B。锂软包电池的正极材料为LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2，负极为金属锂箔，标称容量为1Ah，厂家规定工作温度为5℃～40℃，厂家额定最大充电电流为1.5A。
将抽取的两块电池置于25℃恒温箱内，同新威电池充放电测试仪相连。电池A装入超声辅助充电装置的缺口槽中，并开启超声信号。电池B同样装入电池充电箱10的缺口槽中，但不开启超声信号。
通过新威电池测试仪以5A的电流对两块电池进行充放电循环测试，同时对电池A进行超声辅助，对电池B不进行超声辅助。
超声频率选取为200KHz，超声发射电压设定为
Figure RE-GDA0002746343010000101
I为当前充电电流，I0为电池额定最大充电电流，此公式下充电电流越大，超声的发射电压越高，超声强度越大。
图2展示了电池A与电池B常温充放电的容量-循环圈数曲线。在100圈的循环过程中，无超声辅助的电池B容量衰减非常严重。这是由于5A的充电电流远大于电池额定充电电流，锂离子的在金属锂表面沉积速度无法满足充电电流密度，在金属锂表面发生严重的锂枝晶生长现象。金属锂箔表面生长的锂枝晶同电解液反应，消耗了电池内的活性锂离子，导致电池整体容量降低。而超声辅助的电池A在经历100圈循环后容量依然保持稳定，这说明本发明使用的超声辅助方法有效的提高了三元材料-金属锂箔的循环稳定性。
图3a、图3b展示了循环测试后电池A与电池B的负极的金相图，从照片中可以看出，无超声辅助的电池B在经历了100圈5A电流循环充放电后，金属锂箔表面产生了大量的锂枝晶，如果继续进行循环实验，金属锂负极表面的锂枝晶继续增长，有刺穿电池隔膜引起电池短路着火的风险；而有超声辅助的电池A在经历了100圈5A电流循环充放电后，负极表面整洁干净，无明显锂枝晶生长。这进一步证明了本通过外加声场辅助提升锂金属电池5稳定性和安全性方法的有效性。
实施例2
本实施例与实施例1的测试的具体对象不同，是通过外加声场辅助低温下磷酸铁锂-金属锂硬壳锂金属电池充电：
本实施例的基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置的结构参见图1，与实施例1的辅助装置的结构一致。
随机抽取同一批次的两块磷酸铁锂-金属锂箔硬壳锂金属电池，分别标记为电池C与电池D。锂金属电池的正极材料为LiFePO4，负极为金属锂箔，标称容量为5Ah，厂家规定工作温度为5℃～45℃，厂家额定最大充电电流为5A。
将抽取的两块电池置于-5℃恒温箱内，同新威电池充放电测试仪相连。电池C装入超声辅助充电装置的缺口槽中，并开启超声信号。电池D同样装入超声辅助充电装置的缺口槽中，但不开启超声信号。
通过新威电池测试仪以10A的电流对两块电池进行高速充放电循环测试，同时对电池进行C超声辅助，对电池D不进行超声辅助。
超声频率选取为100KHz，超声发射电压设定为
Figure RE-GDA0002746343010000111
I为当前充电电流，I0为电池额定最大充电电流，此公式下充电电流越大，超声的发射电压越高，超声强度越大。
图4展示了电池C与电池D低温高速充放电的容量-循环圈数曲线。在100 圈的循环过程中，无超声辅助的电池D容量衰减严重。这是由于电池所处的工作温度远低于额定工作温度，低温下锂离子在电解质中的迁移严重受阻，同时 10A的充电电流大于电池额定充电电流，因此在金属锂负极表面发生严重的锂枝晶生长现象，电池性能迅速衰减。而超声辅助的电池C在经历100圈循环后容量依然保持稳定，这说明本发明使用的超声辅助方法有效的提高了低温下锂金属电池的充电稳定性和安全性。
实施例3
本实施例与实施例1的测试的具体对象不同，是通过外加声场同时辅助复杂工况下一组三元材料-金属锂箔软包电池充电：
本实施例的基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置的结构参见图1，与实施例1的辅助装置的结构一致。
随机抽取十块三元材料-金属锂箔软包电池。电池正极材料为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2，负极材料为金属锂箔，标称容量为5Ah，工作温度为-5℃～45℃，额定最大充电电流为5A。
将抽取到的电池置于恒温箱内，温度设定为-5℃～45℃间随机变动以模拟电池实际使用环境。所有的电池同新威电池充放电测试仪相连并装入超声辅助充电装置的缺口槽中，并开启超声信号。
通过新威电池测试仪以5A的电流对所有电池进行充放电循环测试，同时通过电池辅助充电装置对所有电池进行超声辅助。
超声频率选取为200KHz，超声发射电压设定为
Figure RE-GDA0002746343010000121
I为当前充电电流，I0为电池额定最大充电电流，此公式下充电电流越大，超声的发射电压越高，超声强度越大。
经由超声同时辅助的十块的电池在大电流、随机环境温度下100圈循环后容量依然保持稳定，经统计，在此过程中超声辅助装置消耗的能量为十块电池总充电能量的0.25％，这说明本发明方法能以较低的能耗对多块电池进行快充辅助，且效果优良有巨大的应用前景。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)

1.基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置，其特征在于，包括电池充电箱、电池充放电管理系统、控制器、超声激励信号发射器和超声换能装置，其中：
所述电池充电箱为一封闭的箱体结构，该电池充电箱内充满冷却液，该电池充电箱上设置有缺口槽，以用于容纳锂金属电池，所述缺口槽内还设置有用于与锂金属电池的多个外表面接触的柔性介质层；
所述电池充放电管理系统与所述控制器连接，以用于与所述缺口槽内的锂金属电池连接并让锂金属电池充放电；
所述控制器通过所述超声激励信号发射器与所述超声换能装置连接，并且所述超声换能装置安装在所述电池充电箱的上，以用于在锂金属电池充电时施加超声纵波在所述锂金属电池的多个外表面上并使超声纵波穿过锂金属电池，其中，所述超声纵波穿过所述电池充电箱及柔性介质层后到达所述锂金属电池的多个外表面。
2.根据权利要求1所述的基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置，其特征在于，所述缺口槽呈长方体形状，以用于使柔性介质层与锂金属电池的其中五个外表面接触。
3.根据权利要求1所述的基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置，其特征在于，所述超声纵波在该柔性介质层的透过衰减率低于30％。
4.根据权利要求3所述的基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置，其特征在于，所述柔性介质层为橡胶层。
5.根据权利要求1所述的基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置，其特征在于，所述锂金属电池具有平板状封装结构，其为软包锂金属电池、硬壳锂金属电池或纽扣电池。
6.根据权利要求1所述的基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置，其特征在于，所述锂金属电池的正极的材料选自磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、硫、氧气中的一种，其负极采用金属锂箔。
7.根据权利要求1所述的基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置，其特征在于，所述电池充电箱上还安装有用于检测该电池充电箱侧壁温度的温度传感器，所述温度传感器与所述控制器连接。
8.根据权利要求1所述的基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置，其特征在于，还包括与所述控制器连接的循环水泵，所述循环水泵的进水管和出水管均伸入所述电池充电箱内，以用于让所述电池充电箱内的冷却液循环流动。
9.根据权利要求1所述的基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置，其特征在于，所述控制器为可编程控制器。
10.权利要求1～9中任一权利要求所述的辅助装置提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助方法，其特征在于，电池充放电管理系统对锂金属电池执行充电时，控制器通过与电池充放电管理系统通讯获取电池荷电状态与充电电流信息，以控制超声激励信号发射器发射的频率和功率；
超声激励信号发射器以设定的频率和功率发出超声激励信号给超声换能装置，超声换能装置将超声激励信号发射器发射的电压激励信号转化为物理震动并形成超声纵波，超声纵波到达所述锂金属电池的多个外表面并穿过锂金属电池。
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