CN112864464B - 一种提升软包锂离子电池循环性能的方法及装置 - Google Patents

一种提升软包锂离子电池循环性能的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种提升软包锂离子电池循环性能的方法及装置，所述方法包括将软包锂离子电池夹持于夹具上；采用施力装置对夹具施加预设加载力，以使得夹具对软包锂离子电池施加的夹持力达到预设压力；按照施力调整周期对软包锂离子电池进行充放电循环测试，施力装置在上一个施力调整周期结束时对夹具卸载加载力，在下一个施力调整周期开始时再次对夹具施加加载力，使得软包锂离子电池受到的夹持力达到预设压力，并在施力调整周期内，确保施力装置的施力端对夹具施力的位置保持不变。本发明既通过夹具实现对软包锂离子电池施加压力，又可防止电池在循环过程中电池压应力的增加，有效地缓解了电池容量的衰减，延长了软包锂离子电池的使用寿命。

Description

一种提升软包锂离子电池循环性能的方法及装置
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种提升软包锂离子电池循环性能的方法及装置。
背景技术
随着电动汽车、电动工具、储能电站等设备对电池比能量和安全性越来越高的要求，硬壳锂离子电池的使用受到较大的限制，软包锂离子电池由于具有比能量大、安全性高，逐渐成为锂电池行业的主要产品。
软包锂离子电池的铝塑膜易受力变形，并在电池长时间的充放电循环过程中，由于热应力、电极体积变化及产气等因素的影响，可能造成软包锂离子电池的集流体、电极产生形变，使其正、负极之间的接触性变差，增加了电池内锂离子的迁移难度，导致电池的阻抗增加，循环性能降低。
当前，为了改善软包锂离子电池循环过程中电极的接触性，一般在循环过程中使用夹具将电池夹紧，以延长电池的循环寿命。然而，锂离子电池在充放电过程中，锂离子不断嵌入脱出电极材料，使得电极材料发生膨胀，特别是容量远高于石墨的硅碳负极，导致电池体积有一定程度的膨胀。与此同时，锂离子电池中电极材料中的应力在循环过程中不断产生和积累，当使用夹具夹紧电池时，锂离子电池在循环过程中受到的作用力也在不断地积累。锂离子电池在受到压力增加时，其正、负极的离子扩散因数均会下降，且负极受到的影响更大。在较高的压力作用下，锂离子电池内的锂离子在负极内的扩散进一步变慢，可能导致锂离子在负极表面积累，从而引起金属锂在负极表面的析出，导致加速锂离子电池的寿命衰降。另外，过高的压力也会导致电池内的隔膜局部闭孔，引起局部电流密度增加，加速锂离子电池的寿命衰降。
由此可见，虽然使用夹具在一定程度上改善了锂离子电池的循环性能，但是，未考虑循环过程中的锂离子电池内部增加的应力对其自身的反作用力，并不能从根本上延长电池的使用寿命。
发明内容
本发明提供一种提升软包锂离子电池循环性能的方法及装置，用以解决当前对软包锂离子电池进行夹具夹持的方式并不能从根本上延长电池使用寿命的问题。
本发明提供一种提升软包锂离子电池循环性能的方法，包括：将软包锂离子电池夹持于夹具上；采用施力装置对所述夹具施加加载力，以使得所述夹具对所述软包锂离子电池施加的夹持力达到预设压力；按照施力调整周期对所述软包锂离子电池进行充放电循环测试，所述施力装置在上一个所述施力调整周期结束时对所述夹具卸载加载力，并在下一个所述施力调整周期开始时再次对所述夹具施加加载力，使得所述软包锂离子电池受到的夹持力达到所述预设压力，并在所述施力调整周期内，确保所述施力装置的施力端对所述夹具施力的位置保持不变。
根据本发明提供的一种提升软包锂离子电池循环性能的方法，所述将软包锂离子电池夹持于夹具上，包括：将所述软包锂离子电池夹持于所述夹具的固定夹板与活动夹板之间；相应地，所述采用施力装置对所述夹具施加加载力，包括：所述施力装置的施力端对所述活动夹板施加朝向所述软包锂离子电池的方向的加载力。
根据本发明提供的一种提升软包锂离子电池循环性能的方法，所述采用施力装置对所述夹具施加加载力，包括：采用应力片检测所述活动夹板与所述软包锂离子电池之间的作用力，根据所述应力片所检测到的数据对所述施力装置进行施力控制。
根据本发明提供的一种提升软包锂离子电池循环性能的方法，所述施力装置包括气缸，相应地，在所述施力调整周期内，确保所述气缸的伸缩端对所述夹具施力的位置保持不变；所述预设压力为0.2-10MPa。
根据本发明提供的一种提升软包锂离子电池循环性能的方法，所述预设压力为0.5-2MPa。
根据本发明提供的一种提升软包锂离子电池循环性能的方法，所述施力调整周期包括对所述软包锂离子电池进行预设次数的充放电循环测试所对应的时间。
本发明还提供一种如上所述的提升软包锂离子电池循环性能的方法的提升软包锂离子电池循环性能的装置，包括：夹具与施力装置，所述夹具包括固定夹板与活动夹板，所述固定夹板与所述活动夹板之间用于夹持软包锂离子电池；所述施力装置的施力端与所述活动夹板连接。
根据本发明提供的提升软包锂离子电池循环性能的装置，还包括：应力片；所述应力片用于安装于所述活动夹板与所述软包锂离子电池之间，所述应力片与所述施力装置通讯连接；和/或，所述施力装置包括气缸。
根据本发明提供的提升软包锂离子电池循环性能的装置，所述活动夹板包括第一夹板、第二夹板及弹性构件；所述第一夹板与所述第二夹板并排设置，且所述第一夹板与所述第二夹板之间安装所述弹性构件；所述第一夹板设置于所述固定夹板与所述第二夹板之间，所述施力装置的施力端与所述第二夹板连接。
根据本发明提供的提升软包锂离子电池循环性能的装置，所述夹具还包括导向杆，所述固定夹板固定安装于所述导向杆上，所述活动夹板沿所述导向杆的引导方向可滑动地安装于所述导向杆上。
本发明提供的一种提升软包锂离子电池循环性能的方法及装置，通过施力装置对夹具施加加载力，以使得夹具对软包锂离子电池施加的夹持力达到预设压力，通过控制施力装置在上一个施力调整周期结束时对夹具卸载加载力，并在下一个施力调整周期开始时再次对夹具施加加载力，再次调整软包锂离子电池上所受到的夹持力达到预设压力，由于在施力调整周期内，随着对对软包锂离子电池连续地进行充放电循环测试，软包锂离子电池内部的应力也在逐渐增加，通过设置施力装置的施力端对夹具施力的位置保持不变，可确保对软包锂离子电池在相邻的施力调整周期进行卸压，在每个在施力调整周期内，均对软包锂离子电池实施有效地夹持。如此，既通过夹具实现对软包锂离子电池施加夹持力，又可防止软包锂离子电池在循环过程中由于热应力、电极体积变化及产气等造成电池压应力的增加，有效地缓解了电池容量的衰减，延长了软包锂离子电池的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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是本发明提供的一种提升软包锂离子电池循环性能的方法的流程示意图；
图2是本发明提供的实施例1、实施例4及对比例1所获得的电池容量保持能力相对于电池循环次数的曲线图；
图3是本发明提供的提升软包锂离子电池循环性能的装置的主视结构示意图；
附图标记：
1：夹具； 2：施力装置； 3：软包锂离子电池；
4：应力片； 11：活动夹板； 12：固定夹板；
13：导向杆； 110：第一夹板； 111：第二夹板；
112：弹性构件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。
下面结合图1至图3描述本发明的一种提升软包锂离子电池循环性能的方法及装置。
如图1所示，本实施例提供一种提升软包锂离子电池循环性能的方法，包括如下实施步骤：
步骤100，将软包锂离子电池夹持于夹具上。
其中，本实施例具体可将软包锂离子电池夹持于夹具的固定夹板与活动夹板之间。活动夹板与固定夹板呈平行相对设置，在活动夹板靠近固定夹板时，可对软包锂离子电池形成夹持，而在活动夹板远离固定夹板时，可解除对软包锂离子电池的夹持状态。
在此应指出的是，本实施例所示的软包锂离子电池的额定容量可以为59Ah，软包锂离子电池的正极材料包括但不限于磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元材料及富锂锰基固溶体材料等，软包锂离子电池的负极材料包括但不限于天然石墨、人造石墨、硬碳、软碳、硅碳及硅等。
步骤200，采用施力装置对夹具施加加载力，以使得夹具对软包锂离子电池施加的夹持力达到预设压力P1。
其中，施力装置可采用本领域所公知的气缸，可将气缸的伸缩端与夹具的活动夹板的端面接触连接，以对活动夹板施加朝向软包锂离子电池的方向的加载力。
在其中一个实施例中，所述预设压力为0.2-10MPa。例如：预设压力可具体为0.2MPa、3MPa、5MPa、8MPa、10MPa等，在此不做具体限定。
在进一步地优选实施例中，所述预设压力为0.5-2MPa。例如：预设压力可具体为0.5MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa等，在此不做具体限定。
步骤300，按照施力调整周期对软包锂离子电池进行充放电循环测试，施力装置在上一个施力调整周期结束时对夹具卸载加载力，在下一个施力调整周期开始时再次对夹具施加加载力，使得软包锂离子电池受到的夹持力达到预设压力P1，并在施力调整周期内，确保施力装置的施力端对夹具施力的位置保持不变。
在此应指出的是，软包锂离子电池在每个施力调整周期前的荷电状态都是一致的。例如，都是在电池处于空电态0％SOC时，对电池进行施压夹持。
其中，本实施例所示的施力调整周期为对软包锂离子电池进行预设次数的充放电循环测试所对应的时间。例如：对于额定容量为59Ah的软包锂离子电池，使用59A电流进行充电，再静置30min，再使用59A电流进行放电，再静置30min，此为1次充放电循环测试，可具体设置预设次数为50次、100次、150次、200次等，在此不做具体限定。
在此应指出的是，施力装置在上一个施力调整周期结束时对夹具卸载加载力，可理解为，在上一个施力调整周期结束时，施力装置对夹具施加的加载力小于所述预设加载力，且大于零，或者，施力装置对夹具施加的加载力为零。与此同时，在下一个施力调整周期开始时再次对夹具施加加载力，可理解为，施力装置在下一个施力调整周期开始时对夹具施加加载力，当软包锂离子电池受到的夹持力达到预设压力后，保持气缸的伸缩端对夹具施力位置不变，直至所述施力调整周期结束。
由上可知，本实施例通过施力装置对夹具施加加载力，以使得夹具对软包锂离子电池施加的夹持力达到预设压力，通过控制施力装置在上一个施力调整周期结束时对夹具卸载加载力，在下一个施力调整周期开始时再次对夹具施加加载力，再次使得夹具对软包锂离子电池施加的夹持力达到预设压力，由于在施力调整周期内，随着对对软包锂离子电池连续地进行充放电循环测试，软包锂离子电池内部的应力也在逐渐增加，通过设置施力装置的施力端对夹具施力的位置保持不变，可确保对软包锂离子电池在相邻的施力调整周期进行卸压，在每个在施力调整周期内，均对软包锂离子电池实施有效地夹持。如此，既通过夹具实现对软包锂离子电池施加夹持力，又可防止软包锂离子电池在循环过程中由于热应力、电极体积变化及产气等造成电池压应力增加，有效地缓解了电池容量的衰减，延长了软包锂离子电池的使用寿命。
进一步地，为了便于对施力装置的施力大小进行精确地控制，本实施例采用应力片检测活动夹板与软包锂离子电池之间的作用力，应力片与控制器通讯连接，可通过控制器实时获取应力片所检测到的数据，基于控制器的控制程序设定的施力目标值，可对施力装置进行PID控制，使得在下一个施力调整周期开始时，通过活动夹板对软包锂离子电池施加的作用力达到施力目标值。
下面以额定容量为59Ah的软包锂离子电池的测试为例，对本实施例所示的提升软包锂离子电池循环性能的方法进行具体说明。
实施例1，
通过气缸使夹具对软包锂离子电池施加的预设压力P1＝1Mpa的压力后，保持气缸的伸缩端的位置不变，设定施力调整周期包含100个充放电循环，使用1C(59A)对软包锂离子电池进行充放电测试，相邻两次充放电的静置时间为30min，充放电的电压区间为3.0-4.15V，在上一个施力调整周期结束时，将气缸的加载力卸载为零，在下一个施力调整周期开始时，再次调整夹具对软包锂离子电池施加的预设压力P1＝1Mpa，并再次保持气缸的伸缩端的位置不变。在软包锂离子电池充放电的过程中，进行电池容量的检测。
实施例2，
通过气缸使夹具对软包锂离子电池施加的预设压力P1＝1Mpa的压力后，保持气缸的伸缩端的位置不变，设定施力调整周期包含200个充放电循环，使用1C(59A)对软包锂离子电池进行充放电测试，相邻两次充放电的静置时间为30min，充放电的电压区间为3.0-4.15V，在上一个施力调整周期结束时，将气缸的加载力卸载为零，在下一个施力调整周期开始时，再次调整夹具对软包锂离子电池施加的预设压力P1＝1Mpa，并再次保持气缸的伸缩端的位置不变。在软包锂离子电池充放电的过程中，进行电池容量的检测。
实施例3，
通过气缸使夹具对软包锂离子电池施加的预设压力P1＝2Mpa的压力后，保持气缸的伸缩端的位置不变，设定施力调整周期包含100个充放电循环，使用1C(59A)对软包锂离子电池进行充放电测试，相邻两次充放电的静置时间为30min，充放电的电压区间为3.0-4.15V，在上一个施力调整周期结束时，将气缸的加载力卸载为零，在下一个施力调整周期开始时，再次调整夹具对软包锂离子电池施加的预设压力P1＝2Mpa，并再次保持气缸的伸缩端的位置不变。在软包锂离子电池充放电的过程中，进行电池容量的检测。
实施例4，
通过气缸使夹具对软包锂离子电池施加的预设压力P1＝2Mpa的压力后，保持气缸的伸缩端的位置不变，设定施力调整周期包含120个充放电循环，使用1C(59A)对软包锂离子电池进行充放电测试，相邻两次充放电的静置时间为30min，充放电的电压区间为3.0-4.15V，在上一个施力调整周期结束时，将气缸的加载力卸载为零，在下一个施力调整周期开始时，再次调整夹具对软包锂离子电池施加的预设压力P1＝2Mpa，并再次保持气缸的伸缩端的位置不变。在软包锂离子电池充放电的过程中，进行电池容量的检测。
实施例5，
通过气缸使夹具对软包锂离子电池施加的预设压力P1＝0.5Mpa的压力后，保持气缸的伸缩端的位置不变，设定施力调整周期包含100个充放电循环，使用1C(59A)对软包锂离子电池进行充放电测试，相邻两次充放电的静置时间为30min，充放电的电压区间为2.8-4.2V，在上一个施力调整周期结束时，将气缸的加载力卸载为零，在下一个施力调整周期开始时，再次调整夹具对软包锂离子电池施加的预设压力P1＝0.5Mpa，并再次保持气缸的伸缩端的位置不变。在软包锂离子电池充放电的过程中，进行电池容量的检测。
实施例6，
通过气缸使夹具对软包锂离子电池施加的预设压力P1＝0.5Mpa的压力后，保持气缸的伸缩端的位置不变，设定施力调整周期包含200个充放电循环，使用1C(59A)对软包锂离子电池进行充放电测试，相邻两次充放电的静置时间为30min，充放电的电压区间为2.8-4.2V，在上一个施力调整周期结束时，将气缸的加载力卸载为零，在下一个施力调整周期开始时，再次调整夹具对软包锂离子电池施加的预设压力P1＝0.5Mpa，并再次保持气缸的伸缩端的位置不变。在软包锂离子电池充放电的过程中，进行电池容量的检测。
对比例1
通过气缸使夹具对软包锂离子电池施加的预设压力P1＝1Mpa的压力后，保持气缸的伸缩端的位置不变，不再设定施力调整周期，使用1C(59A)对软包锂离子电池进行充放电测试，相邻两次充放电的静置时间为30min，充放电的电压区间为3.0-4.15V，在软包锂离子电池充放电的过程中，进行电池容量的检测。
图2是本发明提供的实施例1、实施例4及对比例1所获得的电池容量保持能力相对于电池循环次数的曲线图。其中，图2中纵坐标表示电池容量保持能力(CapacityRetention)，以不同循环次数后的实际测量的电池放电容量相对于首次放电容量的百分比表示，横坐标为电池循环的次数(Cycle)。图2中的宽间隔的虚线按照实施例1所示的软包锂离子电池测试得到的曲线图；图2中的短间隔的虚线按照实施例4所示的软包锂离子电池测试得到的曲线图；图2中的实线为对比样按照对比例1所示的软包锂离子电池测试得到的曲线图。
由图2可知，相比于没有对夹具进行压力调整的对比样而言，对软包锂离子电池进行实施例1、实施例4所示的测试所获得的电池容量保持能力均相对较大。由此可见，本实施例所示的方案可有效提升软包锂离子电池的循环保持能力。
优选地，如图3所示，本实施例还基于上述方法提供一种提升软包锂离子电池循环性能的装置，包括：夹具1与施力装置2，夹具1包括固定夹板12与活动夹板11，固定夹板12与活动夹板11之间用于夹持软包锂离子电池3；施力装置2的施力端与活动夹板11连接。其中，施力装置2可采用本领域所公知的气缸。
进一步地，为了便于对施力装置2的施力大小进行精确地控制，本实施例采用应力片4检测活动夹板11与软包锂离子电池3之间的作用力，应力片4与控制器通讯连接，可通过控制器实时获取应力片4所检测到的数据，基于控制器的控制程序设定的施力目标值，可对施力装置2进行PID控制，使得在下一个施力调整周期开始时，通过活动夹板11对软包锂离子电池3施加的作用力达到施力目标值。
进一步地，为了便于调节对夹具1的施力裕量，确保软包锂离子电池3自身能够适应于一定的形变调节裕量，并防止因施力过大而对软包锂离子电池3造成损伤，本实施例所示的活动夹板11包括第一夹板110、第二夹板111及弹性构件112；第一夹板110与第二夹板111并排设置，且第一夹板110与第二夹板111之间安装弹性构件112；第一夹板110设置于固定夹板12与第二夹板111之间，施力装置2的施力端与第二夹板111连接。
其中，本实施例所示的夹具1还设置有导向杆13，导向杆13可具体设置四根，固定夹板12固定安装于导向杆13上，活动夹板11沿导向杆13的引导方向可滑动地安装于导向杆13上。
与此同时，弹性构件112可优选为本领域所公知的弹簧，弹簧套装于导向杆13上，并位于第一夹板110与第二夹板111之间。
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 (7)

1.一种提升软包锂离子电池循环性能的方法，其特征在于，包括：将软包锂离子电池夹持于夹具上；
采用施力装置对所述夹具施加加载力，以使得所述夹具对所述软包锂离子电池施加的夹持力达到预设压力；
按照施力调整周期对所述软包锂离子电池进行充放电循环测试，所述施力装置在上一个所述施力调整周期结束时对所述夹具卸载加载力，在下一个所述施力调整周期开始时再次对所述夹具施加加载力，使得所述软包锂离子电池受到的夹持力达到所述预设压力，并在所述施力调整周期内，确保所述施力装置的施力端对所述夹具施力的位置保持不变；
所述施力调整周期包括对所述软包锂离子电池进行预设次数的充放电循环测试所对应的时间；在上一个施力调整周期结束时，所述施力装置对所述夹具施加的加载力小于预设加载力，且大于零，或者，所述施力装置对夹具施加的加载力为零；所述施力装置在下一个施力调整周期开始时对所述夹具施加加载力，当软包锂离子电池受到的夹持力达到预设压力后，保持所述施力装置的施力端对所述夹具施力的位置不变，直至所述施力调整周期结束；
所述施力装置包括气缸，在所述施力调整周期内，确保所述气缸的伸缩端对所述夹具施力的位置保持不变；所述预设压力为0.5-2MPa。
2.根据权利要求1所述的提升软包锂离子电池循环性能的方法，其特征在于，所述将软包锂离子电池夹持于夹具上，包括：
将所述软包锂离子电池夹持于所述夹具的固定夹板与活动夹板之间；
相应地，所述采用施力装置对所述夹具施加加载力，包括：
所述施力装置的施力端对所述活动夹板施加朝向所述软包锂离子电池的方向的加载力。
3.根据权利要求2所述的提升软包锂离子电池循环性能的方法，其特征在于，所述采用施力装置对所述夹具施加加载力，包括：
采用应力片检测所述活动夹板与所述软包锂离子电池之间的作用力，根据所述应力片所检测到的数据对所述施力装置进行施力控制。
4.一种采用权利要求1至3任一所述的提升软包锂离子电池循环性能的方法的提升软包锂离子电池循环性能的装置，其特征在于，
包括：夹具，所述夹具包括固定夹板与活动夹板，所述固定夹板与所述活动夹板之间用于夹持软包锂离子电池；
施力装置，所述施力装置的施力端与所述活动夹板连接。
5.根据权利要求4所述的提升软包锂离子电池循环性能的装置，其特征在于，还包括：应力片；所述应力片用于安装于所述活动夹板与所述软包锂离子电池之间，所述应力片与所述施力装置通讯连接；所述施力装置包括气缸。
6.根据权利要求4所述的提升软包锂离子电池循环性能的装置，其特征在于，所述活动夹板包括第一夹板、第二夹板及弹性构件；所述第一夹板与所述第二夹板并排设置，且所述第一夹板与所述第二夹板之间安装所述弹性构件；所述第一夹板设置于所述固定夹板与所述第二夹板之间，所述施力装置的施力端与所述第二夹板连接。
7.根据权利要求4所述的提升软包锂离子电池循环性能的装置，其特征在于，所述夹具还包括导向杆，所述固定夹板固定安装于所述导向杆上，所述活动夹板沿所述导向杆的引导方向可滑动地安装于所述导向杆上。
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