CN112526357A - 一种锂离子电池功率匹配性评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种锂离子电池功率匹配性评价方法，包括下述步骤：在待评价的锂离子电池中置入参比电极；对具有该参比电极的锂离子电池采用电池充放电设备进行不同倍率下的充放电测试，记录电池的容量Q，同时采用数据采集仪监测并记录电位值，正极与参比之间的电位值记为VP，负极与参比之间的电位值记为VN；在同一坐标系中绘制不同倍率充电或放电时的VP‑Q曲线和VN‑Q曲线，不同VP‑Q曲线之间的电位差定性表示正极的极化程度，不同VN‑Q曲线之间的电位差定性表示负极的极化程度；根据上述曲线的变化和相对电位差，评价锂离子电池功率匹配性。本发明可以精确判断影响锂离子电池功率特性的薄弱环节，有针对性地优化电池设计。

Description

一种锂离子电池功率匹配性评价方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种适用于锂离子电池功率匹配性的评价方法。
背景技术
锂离子电池作为新型电源已被广泛应用于电动汽车、电动工具、3C数码以及航空航天等领域，针对用电设备体积小、质量轻、输出功率大、工作时间短等使用需求，对锂离子电池的能量密度和功率密度均提出了更高的要求。但是，锂离子电池的能量密度和功率密度是相互制约的关系，在电池设计过程中，合理匹配正极、负极、电解液、隔膜等，使电池在满足特定功率输出的同时最大限度地减重是需要解决的关键问题。例如，一味的增大正极导电剂用量、降低正极活性物质载量可以有效提升电池的倍率放电能力，但是会造成电池内部惰性物质重量增加，电池重量随之增大，导致锂离子电池的能量密度降低。
传统的锂离子电池研制手段，是将电池作为一个整体研究，通过电池性能的表象反推电池设计的合理性，这种方法往往会造成电池内部各组分之间能力参差不齐、局部冗余过大的情况，很难实现高能量密度和高功率密度的兼顾。因此，需要一种锂离子电池功率匹配性的评价方法，将电池内部各组份分开研究，在工况状态下找到电池的薄弱环节，优化设计，全面均衡地提升电池的能量密度和功率特性。
中国发明专利申请(公布号：CN106707185A)公开了一种软包装锂离子二次电池性能评估方法，采用金属锂箔为参比电极，制作了三电极电芯，测试并分析化成和电性能测试不同阶段时电芯整体、正极与负极的电化学阻抗图谱，可以建立制作过程图谱数据与电化学性能的关系模型，但分析方法和分析效果并未提及。
中国发明专利申请(公布号：CN110133527A)公开了一种基于三电极锂离子电池分析容量衰减的方法，采用三电极锂离子电池，通过分析循环老化中不同循环次数下的正极、负极以及全电池的放电电压曲线V-Q图和电压微分曲线dV/dQ-Q图，判断锂离子电池容量衰减的原因，但并未提及锂离子电池功率匹配性的评价方法。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种适用于锂离子电池功率匹配性的评价方法，可以通过正极和负极在不同充放电倍率下的电位-容量曲线，定性判断影响电池功率特性的薄弱环节，优化电池设计，有效调控电池体系的功率性能，避免电池设计冗余过大，造成电池能量密度的降低。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种锂离子电池功率匹配性评价方法，其特征在于，其包括下述步骤：
在待评价的锂离子电池中置入参比电极，该参比电极在电芯内部采用隔膜与正极和负极分隔开，该参比电极在电芯外部引出一个单独的极耳；
对具有该参比电极的锂离子电池采用电池充放电设备进行不同倍率下的充放电测试，记录电池的容量Q，同时，在测试过程中采用数据采集仪监测并记录正极与参比、负极与参比之间的电位值，其中正极与参比之间的电位值记为VP，负极与参比之间的电位值记为VN；
在同一坐标系中绘制不同倍率充电或放电时的VP-Q曲线，不同VP-Q曲线之间的电位差定性表示正极的极化程度，同样地在同一坐标系中绘制不同倍率充电或放电时的VN-Q曲线，不同VN-Q曲线之间的电位差定性表示负极的极化程度；
根据所述VP-Q曲线和VN-Q曲线的变化和相对电位差，分析限制锂离子电池倍率性能的薄弱环节，评价锂离子电池功率匹配性。
进一步的，所述数据采集仪采样时间选取为0.01s～10s。
进一步的，对于充电倍率能力，分析限制锂离子电池倍率能力的薄弱环节的具体方法为：
如果在VP-Q和VN-Q曲线中，随着充电倍率的增加，充电末期正极电位逐渐下降，负极电位逐渐接近0V，甚至出现低于0V的情况，VN-Q曲线中不同曲线之间的电位差大于VP-Q曲线中不同曲线的电位差，则判断限制锂离子电池充电倍率能力的是负极；
如果在VP-Q和VN-Q曲线中，随着充电倍率的增加，充电末期正极电位和负极电位逐渐升高，VN-Q曲线中不同曲线之间的电位差小于VP-Q曲线中不同曲线的电位差，则判断限制锂离子电池充电倍率能力的是正极；
如果VN-Q和VP-Q曲线中不同曲线之间的电位差比较接近，则判断正极和负极的充电倍率能力相互匹配。
进一步的，对于放电倍率能力，分析限制锂离子电池倍率能力的薄弱环节的具体方法为：
如果在VP-Q和VN-Q曲线中，随着放电倍率的增加，放电末期正极电位和负极电位逐渐升高，VN-Q曲线中不同曲线之间的电位差大于VP-Q曲线中不同曲线的电位差，则判断限制锂离子电池放电倍率能力的是负极；
如果在VP-Q和VN-Q曲线中，随着放电倍率的增加，放电末期正极电位和负极电位逐渐降低，VN-Q曲线中不同曲线之间的电位差小于VP-Q曲线中不同曲线的电位差，则判断限制锂离子电池放电倍率能力的是正极；
如果VN-Q图和VP-Q曲线中不同曲线之间的电位差比较接近，则判断正极和负极的放电倍率能力相互匹配。
进一步的，对锂离子电池中不同电解液和不同隔膜体系的功率匹配性进行评价。
进一步的，在电池制备时选用不同的电解液和不同的隔膜，然后每个电池独立研究。
进一步的，在电芯内部植入铜丝作为参比电极。
进一步的，将正极与参比电极接入充放电设备，以5μA恒流充电10h，完成参比电极原位镀锂。
进一步的，所述数据采集仪采样时间选取为1s。
进一步的，所述极耳为镍极耳。
本发明具有以下优点：可以精确判断影响锂离子电池功率特性的薄弱环节，有针对性地优化电池设计，调控匹配度最佳的锂离子电池体系，避免设计冗余过大，有效提升电池功率密度的同时提升电池的能量密度，助力高比能高功率兼顾型锂离子电池的研制。
附图说明
图1是本发明实施例1的不同倍率放电时正极电位变化曲线；
图2是本发明实施例1的不同倍率放电时负极电位变化曲线；
图3是本发明实施例2的不同倍率放电时正极电位变化曲线；
图4是本发明实施例2的不同倍率放电时负极电位变化曲线。
具体实施方式
以下对本发明的技术方案的具体实施方式作进一步的详细说明，但本发明的范围并不限于这些具体实施方式。
本发明提供了一种锂离子电池功率匹配性的评价方法，其包括下述步骤：
在待评价的锂离子电池中置入参比电极，该参比电极在电芯内部采用隔膜与正极和负极分隔开，该参比电极在电芯外部引出一个单独的极耳；
对具有该参比电极的锂离子电池采用电池充放电设备进行不同倍率下的充放电测试，记录电池的容量Q；同时，在测试过程中采用数据采集仪监测并记录正极与参比、负极与参比之间的电位值，其中正极与参比之间的电位值记为VP，负极与参比之间的电位值记为VN；
数据采集仪采样时间选取为0.01s～10s。
在同一坐标系中绘制不同倍率充电或放电时的VP-Q曲线，不同VP-Q曲线之间的电位差可以定性表示正极的极化程度，采用同样的方法绘制不同倍率充电或放电时的VN-Q曲线，不同VN-Q曲线之间的电位差可以定性表示负极的极化程度。
根据所述VP-Q曲线和VN-Q曲线的变化和相对电位差，分析限制锂离子电池倍率性能的薄弱环节，评价锂离子电池功率匹配性。
对于充电倍率能力，分析限制锂离子电池倍率能力的薄弱环节的具体方法例如可以为：
如果在VP-Q和VN-Q曲线中，随着充电倍率的增加，充电末期正极电位逐渐下降，负极电位逐渐接近0V，甚至出现低于0V的情况，VN-Q曲线中不同曲线之间的电位差大于VP-Q曲线中不同曲线的电位差，则判断限制锂离子电池充电倍率能力的是负极；
如果在VP-Q和VN-Q曲线中，随着充电倍率的增加，充电末期正极电位和负极电位逐渐升高，VN-Q曲线中不同曲线之间的电位差小于VP-Q曲线中不同曲线的电位差，则判断限制锂离子电池充电倍率能力的是正极；
如果VN-Q图和VP-Q曲线中不同曲线之间的电位差比较接近，则判断正极和负极的充电倍率能力相互匹配。
对于放电倍率能力，分析限制锂离子电池倍率能力的薄弱环节的具体方法例如可以为：
如果在VP-Q和VN-Q曲线中，随着放电倍率的增加，放电末期正极电位和负极电位逐渐升高，VN-Q曲线中不同曲线之间的电位差大于VP-Q曲线中不同曲线的电位差，则判断限制锂离子电池放电倍率能力的是负极；
如果在VP-Q和VN-Q曲线中，随着放电倍率的增加，放电末期正极电位和负极电位逐渐降低，VN-Q曲线中不同曲线之间的电位差小于VP-Q曲线中不同曲线的电位差，则判断限制锂离子电池放电倍率能力的是正极；
如果VN-Q图和VP-Q曲线中不同曲线之间的电位差比较接近，则判断正极和负极的放电倍率能力相互匹配。
同样地，上述分析方法也适用于锂离子电池中不同电解液和不同隔膜体系的功率匹配性评价。例如可以在电池制备时选用不同的电解液和不同的隔膜，然后每个电池独立研究。
实施例
实施例1
制作一个具有参比电极的软包装锂离子电池，额定容量3Ah，比能量210Wh/kg，电芯内部植入铜丝作为参比电极，外部以镍极耳引出。(本发明中针对参比电极无特殊限定，本领域技术人员可通过常规实验方法获知。)
将正极与参比接入充放电设备，以5μA恒流充电10h，完成参比电极原位镀锂。然后将电池的正负极接入充放电设备，以0.2C恒流充电至4.1V，转恒压4.1V充电至电流不大于0.05C，随后分别以0.2C、0.5C、1C、2C、3C、4C和5C恒流放电至3.0V，记录电池的电压、容量等参数；同时，在测试过程中采用数据采集仪记录正极与负极、正极与参比、负极与参比之间的电位值，采样时间为1s。
图1为不同倍率放电时的正极电位变化曲线，图2为不同倍率放电时的负极电位变化曲线，曲线中不同曲线之间的电位差可以定性表示电极的极化程度，可以看出，随着放电倍率的增加，放电末期正极电位和负极电位逐渐升高，不同正极曲线之间的电位差明显小于不同负极曲线之间的电位差，因此判断该锂离子电池体系限制倍率放电能力的是负极。可以通过优化负极设计，提升电池的功率特性。
实施例2
制作一个具有参比电极的软包装锂离子电池，额定容量4.5Ah，比能量230Wh/kg，电芯内部植入铜丝作为参比电极，外部以镍极耳引出。
将正极与参比接入充放电设备，以5μA恒流充电10h，完成参比电极原位镀锂。然后将电池的正负极接入充放电设备，以0.2C恒流充电至4.1V，转恒压4.1V充电至电流不大于0.05C，随后分别以0.2C、0.5C、1C、2C、3C和4C恒流放电至3.0V，记录电池的电压、容量等参数；同时，在测试过程中采用数据采集仪记录正极与负极、正极与参比、负极与参比之间的电位值，采样时间为1s。
图3为不同倍率放电时的正极电位变化曲线，图4为不同倍率放电时的负极电位变化曲线，曲线中不同曲线之间的电位差可以定性表示电极的极化程度，可以看出，随着放电倍率的增加，放电末期正极电位和负极电位略有降低，不同正极曲线之间的电位差明显大于不同负极曲线之间的电位差，因此判断该锂离子电池体系限制倍率放电能力的是正极。可以通过优化正极和电解液设计，提升电池的功率特性。
尽管本发明的内容已经通过上述实施例作了说明，但应当认识到上述的说明不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种锂离子电池功率匹配性评价方法，其特征在于，其包括下述步骤：
在待评价的锂离子电池中置入参比电极，该参比电极在电芯内部采用隔膜与正极和负极分隔开，该参比电极在电芯外部引出一个单独的极耳；
对具有该参比电极的锂离子电池采用电池充放电设备进行不同倍率下的充放电测试，记录电池的容量Q，同时，在测试过程中采用数据采集仪监测并记录正极与参比、负极与参比之间的电位值，其中正极与参比之间的电位值记为VP，负极与参比之间的电位值记为VN；
在同一坐标系中绘制不同倍率充电或放电时的VP-Q曲线，不同VP-Q曲线之间的电位差定性表示正极的极化程度，同样地在同一坐标系中绘制不同倍率充电或放电时的VN-Q曲线，不同VN-Q曲线之间的电位差定性表示负极的极化程度；
根据所述VP-Q曲线和VN-Q曲线的变化和相对电位差，分析限制锂离子电池倍率性能的薄弱环节，评价锂离子电池功率匹配性。
2.如权利要求1所述的锂离子电池功率匹配性评价方法，其特征在于，所述数据采集仪采样时间选取为0.01s～10s。
3.如权利要求1所述的锂离子电池功率匹配性评价方法，其特征在于，对于充电倍率能力，分析限制锂离子电池倍率能力的薄弱环节的具体方法为：
如果在VP-Q和VN-Q曲线中，随着充电倍率的增加，充电末期正极电位逐渐下降，负极电位逐渐接近0V，甚至出现低于0V的情况，VN-Q曲线中不同曲线之间的电位差大于VP-Q曲线中不同曲线的电位差，则判断限制锂离子电池充电倍率能力的是负极；
如果在VP-Q和VN-Q曲线中，随着充电倍率的增加，充电末期正极电位和负极电位逐渐升高，VN-Q曲线中不同曲线之间的电位差小于VP-Q曲线中不同曲线的电位差，则判断限制锂离子电池充电倍率能力的是正极；
如果VN-Q和VP-Q曲线中不同曲线之间的电位差比较接近，则判断正极和负极的充电倍率能力相互匹配。
4.如权利要求1所述的锂离子电池功率匹配性评价方法，其特征在于，对于放电倍率能力，分析限制锂离子电池倍率能力的薄弱环节的具体方法为：
如果在VP-Q和VN-Q曲线中，随着放电倍率的增加，放电末期正极电位和负极电位逐渐升高，VN-Q曲线中不同曲线之间的电位差大于VP-Q曲线中不同曲线的电位差，则判断限制锂离子电池放电倍率能力的是负极；
如果在VP-Q和VN-Q曲线中，随着放电倍率的增加，放电末期正极电位和负极电位逐渐降低，VN-Q曲线中不同曲线之间的电位差小于VP-Q曲线中不同曲线的电位差，则判断限制锂离子电池放电倍率能力的是正极；
如果VN-Q图和VP-Q曲线中不同曲线之间的电位差比较接近，则判断正极和负极的放电倍率能力相互匹配。
5.如权利要求1所述的锂离子电池功率匹配性评价方法，其特征在于，对锂离子电池中不同电解液和不同隔膜体系的功率匹配性进行评价。
6.如权利要求5所述的锂离子电池功率匹配性评价方法，其特征在于，在电池制备时选用不同的电解液和不同的隔膜，然后每个电池独立研究。
7.如权利要求1所述的锂离子电池功率匹配性评价方法，其特征在于，在电芯内部植入铜丝作为参比电极。
8.如权利要求6所述的锂离子电池功率匹配性评价方法，其特征在于，将正极与参比电极接入充放电设备，以5μA恒流充电10h，完成参比电极原位镀锂。
9.如权利要求2所述的锂离子电池功率匹配性评价方法，其特征在于，所述数据采集仪采样时间选取为1s。
10.如权利要求1所述的锂离子电池功率匹配性评价方法，其特征在于，所述极耳为镍极耳。
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