CN112433158A - 一种锂离子电池膨胀率的测试方法 - Google Patents

一种锂离子电池膨胀率的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种锂离子电池膨胀率的测试方法，所述的测试方法包括：在一定温度下，对锂离子电池施加压力，测量得到电池的厚度，测量厚度后对电池进行充放电循环，连续记录厚度变化值ΔL，得到可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值，并计算得到膨胀率。本发明通过对锂离子电池的厚度进行连续测量，从而得到每一个循环过程中的可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值，并计算得到膨胀率，使锂离子电池充放电循环次数少，此外，本发明可以测试多种条件下，任意电池状态下的膨胀值和膨胀率，避免了普通方法测试时，压力去除后，电池厚度反弹带来的误差。

Description

一种锂离子电池膨胀率的测试方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，涉及锂离子电池膨胀率，尤其涉及一种锂离子电池膨胀率的测试方法。
背景技术
随着电动汽车的出现，降低了人们对化石能源的依赖，而且减小了尾气对环境的污染。锂离子电池作为电动汽车的动力输出，具有高比能量、循环寿命长、节能环保和经济适用等优点，此外，对比燃料电池、太阳能电池和全固态电池，二次锂离子电池，还具有开路电压高、能量密度高、寿命长、无污染及自放电小等优点，被认为是最理想的能量储存和转换装置。
锂离子动力电池已经成为发展电动汽车的关键。在软包装锂离子电池生命周期内，锂离子动力电池随着充放电的循环进行，电池体积会呈现一定比例的膨胀，而体积的膨胀往往伴随着电池厚度的增加，这种厚度的变化对锂离子电池的寿命和电池成组会造成非常不利的影响。因此，减小电池在生命周期内体积过快的膨胀造成的不良后果成为了电池包设计的关键，尤其是高比能量的硅负极材料在循环过程中容易产生较大的体积膨胀。
此外，准确测量电池的膨胀率也显得相当重要，膨胀率的测试对电池的设计和研究具有重要的意义。现有技术中，经常通过内压监测装置以及外压监测装置分别监测电芯壳体的内部的气体受力变化以及电芯壳体因膨胀对外界的施力变化，来获得电池的体积膨胀程度。但是，现有技术的测量电池体积膨胀的方法，无法为电池电芯之间的预留间隙及弹性填充材料提供准确的参考。
CN106405422A公开了一种锂离子电池极片膨胀断裂的测试方法，通过在电芯外缠绕不同断裂力值的导线，通过监控导线的电阻值变化，得到电池充放电循环次数和导线的断裂力值F导线的关系，并制作出电芯膨胀力与电池充放电循环次数的对应曲线图；分析电芯膨胀力与电池充放电循环次数的对应曲线图，得到锂离子电池充放电循环次数与极片断裂的对应关系。但是其得到的结果与实际工作状态下的结果存在偏差。
CN108899594A公开了一种锂金属负极膨胀幅度的分析方法，对锂离子电池进行充电和放电测试，在测试过程中，每隔一段预设时间，实时测量一次软包薄膜锂离子电池的厚度，并将其与预先采集的软包薄膜锂离子电池的初始厚度进行比较，获得对应的软包薄膜锂离子电池的厚度膨胀幅度，并将软包薄膜锂离子电池的厚度膨胀幅度作为对应的锂金属负极的厚度膨胀幅度。其未能满足实际工作状态下的膨胀率变化，而且需要测试的循环次数较多。
现有锂离子电池膨胀率测试方法均存在操作复杂、结果不准确和循环次数高等问题，因此，如何在保证锂离子电池膨胀率测试方法的测试结果准确，并且还具有操作简单和循环次数低等特点，成为目前迫切需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种锂离子电池膨胀率的测试方法，通过一定温度和压力的情况下，对电池的厚度变化值连续测量，得到可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值，计算得到膨胀率，具有循环次数少、操作简单和结果准确等特点。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种锂离子电池膨胀率的测试方法，所述的测试方法包括：
在一定温度下，对锂离子电池施加压力，测量得到电池的厚度，测量厚度后对电池进行充放电循环，连续记录厚度变化值ΔL，得到可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值，并计算得到膨胀率。
本发明通过在一定温度和压力下，测量锂离子电池在充放电循环过程中的厚度变化值，得到可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值，并计算得到膨胀率，具有循环次数少、操作工艺简单和结果准确等优点，避免了普通方法测试时，压力去除后，电池厚度反弹带来的误差；可以测试多种条件下，任意电池状态下的膨胀值和膨胀率，为电池电芯之间预留空隙和填充弹性材料提供了数据保证，进一步提高了电池的使用寿命和安全性。
作为本发明的一个优选技术方案，所述的测试方法具体包括：
(Ⅰ)在一定温度下，对电池进行表面清理，并将电池放电至0％SOC状态，启动压力机，缓慢施加压力并保持，保持第一时间后将位移数值清零；
(Ⅱ)将电池置于压力机内，缓慢施加压力并保持，保持第二时间后，测量电池的厚度L；
(Ⅲ)将位移数值清零并保持压力不变，对电池进行充放电循环，连续记录充放电循环过程中的厚度变化值ΔL，得到可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值，并计算得到膨胀率。
本发明通过对锂离子电池进行清理，避免标签等影响表面平整度，进行测试前对压力机进行清零，避免压力机形变造成测量结果的误差。
需要说明的是SOC(State of charge)，即荷电状态，用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0～1，当SOC＝0时表示电池放电完全，当SOC＝1时表示电池完全充满。
作为本发明的一个优选技术方案，步骤(Ⅰ)中，所述的温度为-20～70℃，例如，温度为-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃或70℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明通过设置一定温度，是为了模拟实际工作状态下，电池的膨胀率变化情况，从而使测量得到的膨胀率结果具有真实性，避免实际工作中，温度等参数的影响而发生电池电芯之间预留空隙小的问题，使电池发生膨胀破损等安全问题。
作为本发明的一个优选技术方案，步骤(Ⅰ)中，所述的压力为100～5000N，进一步优选为500～2000N，例如，压力为100N、500N、1000N、1500N、2000N、2500N、3000N、3500N、4000N、4500N或5000N，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述施加压力的速率为10～20N/s，例如，施加压力的速率为10N/s、11N/s、12N/s、13N/s、14N/s、15N/s、16N/s、17N/s、18N/s、19N/s或20N/s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的第一时间为20～60s，例如，第一时间为20s、25s、30s、35s、40s、45s、50s、55s或60s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明通过缓慢施加压力，从而避免瞬间压力过大，使锂离子电池受到冲击从而破损。
作为本发明的一个优选技术方案，步骤(Ⅰ)和步骤(Ⅱ)中，所述的压力相同。
作为本发明的一个优选技术方案，步骤(Ⅱ)中，所述的第二时间为20～60s，例如，第二时间为20s、25s、30s、35s、40s、45s、50s、55s或60s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述施加压力的速率为10～20N/s，例如，施加压力的速率为10N/s、11N/s、12N/s、13N/s、14N/s、15N/s、16N/s、17N/s、18N/s、19N/s或20N/s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明的一个优选技术方案，步骤(Ⅲ)中，所述充放电循环的次数为10～100次，进一步优选为10～50次，例如，充放电循环的次数为10次、15次、20次、25次、30次、35次、40次、45次、50次、55次、60次、65次、70次、75次、80次、85次、90次、95次或100次，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明的一个优选技术方案，步骤(Ⅲ)中，所述的膨胀率＝ΔL/L*100％。
作为本发明的一个优选技术方案，步骤(Ⅲ)中，所述充放电循环的电压为2～5V。
作为本发明的一个优选技术方案，利用所述可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值进行模型计算，用于预测充放电循环过程中的膨胀变化趋势。
本发明通过可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值进行模型计算，从而预测充放电循环过程中的膨胀变化趋势，能够通过比较少的锂离子电池充放电循环次数即可，区分电池循环反应中的可逆膨胀和不可逆膨胀变化，预测电芯的膨胀率及变化趋势。
需要说明的是，本发明对模型计算的方法不做具体要求和特殊限定，本领域技术人员可根据电池的可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值，建立合理的模型计算，从而对膨胀率及其变化趋势进行预测，例如，采用专利CN109565085A的预测方法对电池的变形量进行预测。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过一定温度和压力下对锂离子电池的厚度进行连续测量，从而得到每一个循环过程中的可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值，并计算得到膨胀率，使锂离子电池充放电循环次数少，仅需测量电池的厚度和膨胀值，数值均由机器自动给出，准确度高；此外，本发明可以测试多种条件下，任意电池状态下的膨胀值和膨胀率，避免了普通方法测试时，压力去除后，电池厚度反弹带来的误差；本发明通过测量多个充放电循环，区分电池循环反应中的可逆膨胀和不可逆膨胀变化，有效预测电芯的膨胀率及变化趋势。
附图说明
图1为本发明实施例1中提供的锂离子电池的厚度变化值的变化曲线图；
图2为本发明实施例1中提供的锂离子电池两个完整充放电过程的厚度变化值的变化曲线图，其中，L1为充电膨胀值，L2为不可逆膨胀值，L3为可逆膨胀值；
图3为本发明实施例1中提供的锂离子电池的充电膨胀值变化趋势图；
图4为本发明实施例1中提供的锂离子电池的可逆膨胀值变化趋势图；
图5为本发明实施例1中提供的锂离子电池的不可逆膨胀值变化趋势图；
图6为本发明实施例1中提供的锂离子电池的膨胀率预测变化趋势图。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供了一种锂离子电池膨胀率的测试方法，对AA和AB两种锂离子电池采用同样操作和参数进行膨胀率测试，其中，AA锂离子电池采用的负极材料包括未包覆的人造石墨，AB锂离子电池采用的负极材料包括软碳包覆的人造石墨，所述的测试方法具体包括：
(Ⅰ)温度为-20℃，对电池进行表面清理，并将电池放电至0％SOC状态，启动压力机，缓慢施加300N压力并保持，施加压力的速率为10N/s，保持30s后将位移数值清零；
(Ⅱ)将电池置于压力机内，缓慢施加300N压力并保持，施加压力的速率为10N/s，保持30s后，测量电池的厚度L；
(Ⅲ)将位移数值清零并保持压力不变，对电池进行充放电循环13次，充放电循环的电压为2.8～4.2V，如图1所示，连续记录充放电循环过程中的厚度变化值ΔL，如图2、图3、图4和图5所示，得到可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值，并计算得到膨胀率，膨胀率＝ΔL/L*100％。
如图6所示，根据可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值进行模型计算，预测充放电循环过程中的膨胀变化趋势，其中虚线部分为预测部分。
根据可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值，通过模型计算预估循环过程中所示，从图6中可看出AA、AB两种锂离子电池的差异，AB锂离子电池充放电循环次数为500时，膨胀率比AA锂离子电池高19％左右，预测结果与实测结果吻合。
实施例2
本实施例提供了一种锂离子电池膨胀率的测试方法，所述的测试方法具体包括：
(Ⅰ)温度为0℃，对电池进行表面清理，并将电池放电至0％SOC状态，启动压力机，缓慢施加100N压力并保持，施加压力的速率为15N/s，保持60s后将位移数值清零；
(Ⅱ)将电池置于压力机内，缓慢施加100N压力并保持，施加压力的速率为13N/s，保持56s后，测量电池的厚度L；
(Ⅲ)将位移数值清零并保持压力不变，对电池进行充放电循环20次，充放电循环的电压为2～3V，连续记录充放电循环过程中的厚度变化值ΔL，得到可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值，并计算得到膨胀率，膨胀率＝ΔL/L*100％。
根据可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值进行模型计算，预测充放电循环过程中的膨胀变化趋势。
实施例3
本实施例提供了一种锂离子电池膨胀率的测试方法，所述的测试方法具体包括：
(Ⅰ)在温度为15℃，对电池进行表面清理，并将电池放电至0％SOC状态，启动压力机，缓慢施加5000N压力并保持，施加压力的速率为16N/s，保持20s后将位移数值清零；
(Ⅱ)将电池置于压力机内，缓慢施加5000N压力并保持，施加压力的速率为14N/s，保持26s后，测量电池的厚度L；
(Ⅲ)将位移数值清零并保持压力不变，对电池进行充放电循环100次，充放电循环的电压为2～5V，连续记录充放电循环过程中的厚度变化值ΔL，得到可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值，并计算得到膨胀率，膨胀率＝ΔL/L*100％。
根据可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值进行模型计算，预测充放电循环过程中的膨胀变化趋势。
实施例4
本实施例提供了一种锂离子电池膨胀率的测试方法，所述的测试方法具体包括：
(Ⅰ)温度为40℃，对电池进行表面清理，并将电池放电至0％SOC状态，启动压力机，缓慢施加2000N压力并保持，施加压力的速率为20N/s，保持50s后将位移数值清零；
(Ⅱ)将电池置于压力机内，缓慢施加2000N压力并保持，施加压力的速率为16N/s，保持60s后，测量电池的厚度L；
(Ⅲ)将位移数值清零并保持压力不变，对电池进行充放电循环50次，充放电循环的电压为2.3～4.5V，连续记录充放电循环过程中的厚度变化值ΔL，得到可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值，并计算得到膨胀率，膨胀率＝ΔL/L*100％。
根据可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值进行模型计算，预测充放电循环过程中的膨胀变化趋势。
实施例5
本实施例提供了一种锂离子电池膨胀率的测试方法，所述的测试方法具体包括：
(Ⅰ)温度为70℃，对电池进行表面清理，并将电池放电至0％SOC状态，启动压力机，缓慢施加4000N压力并保持，施加压力的速率为12N/s，保持40s后将位移数值清零；
(Ⅱ)将电池置于压力机内，缓慢施加4000N压力并保持，施加压力的速率为20N/s，保持43s后，测量电池的厚度L；
(Ⅲ)将位移数值清零并保持压力不变，对电池进行充放电循环75次，充放电循环的电压为2.3～3.5V，连续记录充放电循环过程中的厚度变化值ΔL，得到可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值，并计算得到膨胀率，膨胀率＝ΔL/L*100％。
根据可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值进行模型计算，预测充放电循环过程中的膨胀变化趋势。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池膨胀率的测试方法，其特征在于，所述的测试方法包括：
在一定温度下，对锂离子电池施加压力，测量得到电池的厚度，测量厚度后对电池进行充放电循环，连续记录厚度变化值ΔL，得到可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值，并计算得到膨胀率。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述的测试方法具体包括：
(Ⅰ)在一定温度下，对电池进行表面清理，并将电池放电至0％SOC状态，启动压力机，缓慢施加压力并保持，保持第一时间后将位移数值清零；
(Ⅱ)将电池置于压力机内，缓慢施加压力并保持，保持第二时间后，测量电池的厚度L；
(Ⅲ)将位移数值清零并保持压力不变，对电池进行充放电循环，连续记录充放电循环过程中的厚度变化值ΔL，得到可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值，并计算得到膨胀率。
3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)中，所述的温度为-20～70℃。
4.根据权利要求2或3所述的测试方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)中，所述的压力为100～5000N，进一步优选为500～2000N；
优选地，所述施加压力的速率为10～20N/s；
优选地，所述的第一时间为20～60s。
5.根据权利要求2-4任一项所述的测试方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)和步骤(Ⅱ)中，所述的压力相同。
6.根据权利要求2-5任一项所述的测试方法，其特征在于，步骤(Ⅱ)中，所述的第二时间为20～60s；
优选地，所述施加压力的速率为10～20N/s。
7.根据权利要求2-6任一项所述的测试方法，其特征在于，步骤(Ⅲ)中，所述充放电循环的次数为10～100次，进一步优选为10～50次。
8.根据权利要求2-7任一项所述的测试方法，其特征在于，步骤(Ⅲ)中，所述的膨胀率＝ΔL/L*100％。
9.根据权利要求2-8任一项所述的测试方法，其特征在于，步骤(Ⅲ)中，所述充放电循环的电压为2～5V。
10.根据权利要求1-9任一项所述的锂离子电池膨胀率的测试方法，其特征在于，利用所述可逆膨胀值、不可逆膨胀值和充电膨胀值进行模型计算，用于预测充放电循环过程中的膨胀变化趋势。
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