CN112946502A - 一种快速测试锂离子电池循环寿命的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种快速测试锂离子电池循环寿命的方法，所述方法包括对放电静置后的锂离子电池进行低倍率条件下的恒流充电，且在低倍率下恒流充电至小于等于锂离子电池的设计容量的80％；所述方法是通过减小当电池处于低SOC时的充电电流，使每次充电过程新形成的SEI膜更加致密，加速电池内部可用锂离子的反应消耗；同时通过提高电池充电截止电压，加速锂离子反应消耗、电极材料衰退与电解液分解；通过将高温间歇性循环的长时间静置步骤用恒压充电步骤代替或部分代替高温间歇性循环的长时间静置，此过程可以加速电池内部各类副反应发生，继而实现本发明的快速测试锂离子电池循环寿命。

Description

一种快速测试锂离子电池循环寿命的方法
技术领域
本发明属于电池测试方法技术领域，具体涉及一种快速测试锂离子电池循环寿命的方法。
背景技术
锂离子电池因具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点，已经在消费类电子产品、电动汽车产品中取得广泛应用。消费类电子产品，特别是笔记本电脑，要求电池在较高温度下仍然具有良好的循环、存储性能。终端厂商要求电池能够通过一些特定的高温测试以模拟电池的部分实际使用工况。
目前现行的电池高温性能测试方案是高温间歇性循环，具体步骤如下：高温下将满电电池完全放电、短时间静置(终端厂商规定的公知的正常放电充电之间的短暂静置时间，下文不再特意强调此次静置过程)、恒流恒压完全充电、长时间静置，以上步骤按顺序进行记为一次循环，其中长时间静置时间大于短时间静置时间，测试标准要求电池按以上步骤循环一定次数后的容量保持率不低于特定值。高温间歇性循环测试耗时很长，按照一般的标准进行测试，总循环时间一般超过100天。漫长的测试周期非常不利于电池产品的快速开发与优化，因此有必要开发相应的加速测试方案。
锂离子电池的工作寿命需要通过多种循环制度进行评估，不论哪一种循环测试都存在测试周期长的问题。针对锂离子电池循环测试耗时太长的问题，现有技术中公开了一种电池寿命加速测试方法，在高温条件下将电池恒流充电后进行时间递增的浮充，直至室温放电容量低于标称容量75％，查询提前测试并制作的常温寿命与高温寿命转换表，估算出该电池在常温条件下的循环寿命。以上方案虽然可以起到电池寿命加速测试的效果，但是还存在以下不足：第一，高温循环寿命与常温循环寿命仅通过常温放电容量进行对应，不足以保证电池容量衰减机理一致，而衰减机理不一致的加速测试方案并不能认为是有效的方案。第二，虽然常规的常温循环寿命与常规的高温循环寿命可以提前测试并制成寿命数据转换表，但由于容量衰减机理一致性无法保证，对于每种新材料、新方案制作的电池，都需要花费大量时间制作寿命数据转换表，实际上难以真正起到加速测试的效果。
发明内容
为了改善现有技术的不足，本发明的目的是提供一种快速测试锂离子电池循环寿命的方法，所述方法可以很好地解决锂离子电池循环寿命测试耗时太长的问题。所述方法主要是通过减小当电池处于低SOC时的充电电流，使每次充电过程新形成的SEI膜更加致密，加速电池内部可用锂离子的反应消耗；同时通过提高电池充电截止电压，加速锂离子反应消耗、电极材料衰退与电解液分解；通过将高温间歇性循环的长时间静置步骤用恒压充电步骤代替或部分代替，在保证电池容量衰减机理一致的前提下实现高温间歇性循环的快速测试，大幅缩短测试所需时间，有利于电池产品的快速开发。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种快速测试锂离子电池循环寿命的方法，所述方法包括：
(1)对锂离子电池进行放电处理，放电结束后还包括放电静置步骤；
(2)对放电静置后的锂离子电池进行低倍率条件下的恒流充电，且在低倍率下恒流充电至小于等于锂离子电池的设计容量的80％；
(3)对步骤(2)的锂离子电池进行公知倍率条件下的恒流充电，且在公知倍率下恒流充电至充电上限电压U上，所述充电上限电压U上大于公知充电上限电压Ug上；
(4)对步骤(3)的锂离子电池进行恒压充电，任选地，恒压充电过程中还包括充电静置步骤，所述恒压充电的电压为充电上限电压U上；
(5)锂离子电池按步骤(1)到步骤(4)为一次循环；当锂离子电池的充放电循环次数达到阈值时，记录锂离子电池的高温容量保持率；
或者，当锂离子电池的高温容量保持率达到阈值时，记录锂离子电池所用的充放电循环次数，即实现快速测试锂离子电池循环寿命。
根据本发明，所述方法是将锂离子电池置于40℃以上的环境中进行的。
根据本发明，步骤(1)中，所述放电处理的放电下限电压U下’等于公知的放电下限电压Ug下’；
优选地，步骤(1)中，所述的公知的放电下限电压Ug下’为2.0-3.6V。
根据本发明，步骤(1)中，所述的放电静置的时间为1-60min。
根据本发明，步骤(2)中，所述低倍率小于公知恒流充电的倍率，例如小于公知恒流充电的倍率0.1C以上；
优选地，步骤(2)中，所述锂离子电池的设计容量大小为2000-8000mAh，例如为4000mAh。
根据本发明，步骤(2)中，每一个循环过程中，低倍率条件可以是相同的，也可以是不同的；不同的循环过程中，低倍率条件可以是相同的，也可以是不同的。
根据本发明，步骤(3)中，所述充电上限电压U上与公知充电上限电压Ug上满足如下关系式：1V≥U上-Ug上>0V；
优选地，步骤(3)中，所述公知充电上限电压Ug上例如可以是3.6-4.5V。
根据本发明，步骤(4)中，所述恒压充电的时间大于步骤(1)的放电静置时间。
根据本发明，步骤(4)中，所述恒压充电处理的时间相同或不同。
根据本发明，步骤(5)中，每个循环过程的时间相同或不同，优选为相同，例如为24小时。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种快速测试锂离子电池循环寿命的方法，所述方法是通过减小当电池处于低SOC时的充电电流，使每次充电过程新形成的SEI膜更加致密，加速电池内部可用锂离子的反应消耗；同时通过提高电池充电截止电压，加速锂离子反应消耗、电极材料衰退与电解液分解；通过将高温间歇性循环的长时间静置步骤用恒压充电步骤代替或部分代替高温间歇性循环的长时间静置，此过程可以加速电池内部各类副反应发生，继而实现本发明的快速测试锂离子电池循环寿命，所述快速测试方法可以在保证电池容量衰减机理一致的前提下实现高温间歇性循环的测试速率，大幅缩短测试所需时间，有利于电池产品的快速开发。
附图说明
图1为本发明的快速测试锂离子电池循环寿命的方法的流程示意图。
具体实施方式
如前所述，本发明提供一种快速测试锂离子电池循环寿命的方法，所述方法包括：
(1)对锂离子电池进行放电处理，放电结束后还包括放电静置步骤；
(2)对放电静置后的锂离子电池进行低倍率条件下的恒流充电，且在低倍率下恒流充电至小于等于锂离子电池的设计容量的80％；
(3)对步骤(2)的锂离子电池进行公知倍率条件下的恒流充电，且在公知倍率下恒流充电至充电上限电压U上，所述充电上限电压U上大于公知充电上限电压Ug上；
(4)对步骤(3)的锂离子电池进行恒压充电，任选地，恒压充电过程中还包括充电静置步骤，所述恒压充电的电压为充电上限电压U上；
(5)锂离子电池按步骤(1)到步骤(4)为一次循环；当锂离子电池的充放电循环次数达到阈值时，记录锂离子电池的高温容量保持率；
或者，当锂离子电池的高温容量保持率达到阈值时，记录锂离子电池所用的充放电循环次数，即实现快速测试锂离子电池循环寿命。
在本发明的一个方案中，所述方法是将锂离子电池置于高温(如40℃以上，如40-55℃，如45℃)的环境中进行的。
在本发明的一个方案中，步骤(1)中，所述放电处理例如可以是本领域已知的高温间歇性循环过程中的放电步骤处理。
示例性地，所述放电处理例如可以是以0.2-6C(0.2C、0.3C、0.5C、0.8C、1C、1.5C、2C、2.5C、3C、4C、5C、6C)的放电倍率对锂离子电池进行放电处理，且放电至放电下限电压U下’。
在本发明的一个方案中，步骤(1)中，所述放电处理的放电下限电压U下’等于公知的放电下限电压Ug下’。
在本发明的一个方案中，步骤(1)中，所述的公知的放电下限电压Ug下’是终端厂商指定的电池高温间歇性循环的放电步骤中所采用放电下限电压。
在本发明的一个方案中，步骤(1)中，所述的公知的放电下限电压Ug下’为2.0-3.6V。
在本发明的一个方案中，步骤(1)中，所述的放电静置的时间为1-60min。
在本发明的一个方案中，步骤(2)中，所述低倍率是指小于公知恒流充电的倍率，所述公知恒流充电的倍率指终端厂商指定的电池常规高温间歇性循环的充电步骤中恒流充电过程所采用的倍率。示例性地，所述公知恒流充电的倍率例如为0.65-0.8C，例如为0.7C。
在本发明的一个方案中，步骤(2)中，所述低倍率例如是小于公知恒流充电的倍率，例如小于公知恒流充电的倍率0.1C以上，例如小于公知恒流充电的倍率0.1C、0.2C、0.3C、0.4C、0.5C或0.6C。
在本发明的一个方案中，步骤(2)中，所述低倍率例如是0.1-0.6C，例如为0.1C、0.2C、0.3C、0.4C、0.5C或0.6C。
在本发明的一个方案中，步骤(2)中，所述锂离子电池的设计容量大小没有特别的限定，例如可以为2000-8000mAh，例如为4000mAh。
在本发明的一个方案中，步骤(2)中，当锂离子电池的容量小于等于锂离子电池的设计容量的80％时，用小于公知恒流充电的倍率，即低倍率的电流对电池进行充电，这样设置的目的主要是因为减小当电池处于低SOC时的充电电流，可以使每次充电过程新形成的SEI膜更加致密，加速电池内部可用锂离子的反应消耗。
在本发明的一个方案中，步骤(2)中，每一个循环过程中，低倍率条件可以是相同的，也可以是不同的；
例如，首先采用0.1C充电至锂离子电池设计容量的80％，再用0.7C充电至4.4V，然后在4.4V恒压充电。
还例如，首先采用0.1C充电至锂离子电池设计容量的40％，再用0.3C充电至锂离子电池设计容量的70％，再用0.7C充电至4.4V，然后开始在4.4V恒压充电。
在本发明的一个方案中，步骤(2)中，不同的循环过程中，低倍率条件可以是相同的，也可以是不同的；
例如，首先采用0.1C充电至锂离子电池设计容量的80％，再用0.7C充电至4.4V，然后在4.4V恒压充电，重复此操作多次。
还例如，锂离子电池前10次的循环充电过程首先采用0.1C充电至锂离子电池设计容量的50％，再用0.7C充电至4.38V，而后的循环更改为0.2C充电至锂离子电池设计容量的30％，再用0.7C充电至4.36V，然后在4.36V恒压充电。
在本发明的一个方案中，步骤(3)中，在公知倍率条件下，对锂离子电池进行恒流充电，且在公知倍率下恒流充电至充电上限电压U上。
在本发明的一个方案中，步骤(3)中，调整所述充电上限电压U上大于公知充电上限电压Ug上的目的是调整后的充电过程可以加速锂离子反应的消耗、电极材料的衰退与电解液的分解，为实现快速测试锂离子电池循环寿命提供保障。
在本发明的一个方案中，步骤(3)中，所述充电上限电压U上与公知充电上限电压Ug上满足如下关系式：1V≥U上-Ug上>0V。
在本发明的一个方案中，步骤(3)中，所述公知充电上限电压Ug上是终端厂商指定的电池高温间歇性循环的充电步骤中采用的充电上限电压。
在本发明的一个方案中，步骤(3)中，所述公知充电上限电压Ug上例如可以是3.6-4.5V。
在本发明的一个方案中，步骤(4)中，所述恒压充电是在步骤(3)的充电上限电压U上的电压下进行充电的；在此恒压充电过程中可以加速电池内部各类副反应发生，继而实现本发明的快速测试锂离子电池循环寿命。
在本发明的一个方案中，步骤(4)中，所述恒压充电的时间大于步骤(1)的放电静置时间。
在本发明的一个方案中，步骤(4)中，所述充电静置步骤的时间没有特别的限定，例如可以是零，也可以是其他任意时间，但要保证所述恒压充电的时间大于步骤(1)的放电静置步骤的时间即可。
在本发明的一个方案中，步骤(4)中，所述恒压充电过程可以长时间持续进行，也可以与充电静置步骤结合；例如，可以持续进行恒压充电，也可以在恒压充电过程中设置至少一个充电静置步骤，对每个充电静置步骤的时间没有特别的限定，也要保证恒压充电的时间大于步骤(1)的放电静置步骤的时间。也就是说，在恒压充电过程中，可以包括至少一个充电静置步骤，也可以不包括充电静置步骤。例如，先恒压充电一段时间后，进行充电静置步骤，随后再进行恒压充电，再进行充电静置步骤，以此类推，重复多个这样的操作，直至完成此次循环过程。
在本发明的一个方案中，步骤(4)中，所述恒压充电处理的时间相同或不同，例如在每个循环过程中，可以根据步骤(1)的放电处理的时间、放电静置处理的时间、步骤(2)的恒流充电的时间、步骤(3)的恒流充电的时间的不同，因此，每个循环过程中，恒压充电的时间会有差异。
在本发明的一个方案中，步骤(5)中，每个循环过程的时间相同或不同，优选为相同，例如为24小时。
在本发明的一个方案中，步骤(5)中，每个循环过程中，步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)的操作相同或不同；例如，每个循环过程中的步骤(1)的放电过程、步骤(2)的恒流充电倍率、步骤(3)的充电上限电压U上、步骤(4)的恒压充电的时间可以相同，也可以不同。
下文将结合具体实施例对本发明的制备方法做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
按照常规制造工艺制作锂离子电池，正极活性材料为钴酸锂，负极活性材料为石墨，电池设计容量4000mAh。所述锂离子电池公知的充电上限电压是4.35V，公知的放电下限电压是3.0V，公知的恒流充电的倍率是0.7C。
将锂离子电池放置在45℃环境下，测试过程如下：
对充满电的锂离子电池进行放电处理，放电过程是在0.5C的放电倍率下放电至3.0V，然后进行放电静置10min；
对放电后的锂离子电池进行充电处理，首先采用0.1C充电至设计容量的80％，再在0.7C倍率下充电至4.4V，然后在4.4V下进行恒压充电，调整恒压充电所用时间，使每次循环的总时间为24小时，记录容量保持率达到90％时对应的循环次数，结果如表1所示。
实施例2
锂离子电池与实施例1相同，测试方法与实施例1不同。
本实施例的测试方法如下：
将锂离子电池放置在50℃环境下，测试过程如下：
对充满电的锂离子电池进行放电处理，放电过程是在0.5C的放电倍率下放电至3.0V，然后进行放电静置30min；
对放电后的锂离子电池进行充电处理，首先采用0.1C充电至设计容量的40％，再用0.3C充电至设计容量的70％，再用0.7C充电至4.4V，然后开始在4.4V下进行恒压充电，调整恒压充电所用时间，使每次循环的总时间为24小时，记录容量保持率达到90％时对应的循环次数，结果如表1所示。
实施例3
锂离子电池与实施例1相同，测试方法与实施例1不同。
本实施例的测试方法如下：
将锂离子电池放置在45℃环境下，测试过程如下：
对充满电的锂离子电池进行放电处理，放电过程是在0.5C的放电倍率下放电至3.0V，然后进行放电静置60min；
对放电后的锂离子电池进行充电处理，首先采用0.2C充电至设计容量的50％，再用0.7C充电至4.38V，然后开始在4.38V下恒压充电10小时，再静置若干小时，调整静置时间使每次循环的总时间为24小时，记录容量保持率达到90％时对应的循环次数，结果如表1所示。
实施例4
锂离子电池与实施例1相同，测试方法与实施例1不同。
本实施例的测试方法如下：
将锂离子电池放置在50℃环境下，测试过程如下：
对充满电的锂离子电池进行放电处理，放电过程是在0.5C的放电倍率下放电至3.0V，然后进行放电静置60min；
对放电后的锂离子电池进行充电处理，电池前7次循环的充电过程首先采用0.1C充电至设计容量的30％，再用0.7C充电至4.4V，然后开始在4.4V恒压充电20小时，再静置若干小时，调整静置时间使得每次循环总时间为24小时，而后更改电池的充电过程为0.2C充电至设计容量的40％，再用0.7C充电至4.38V，然后在4.38V下恒压充电18小时，再静置若干小时，调整静置时间使得每次循环总时间为24小时，记录容量保持率达到90％时对应的循环次数，结果如表1所示。
实施例5
锂离子电池与实施例1相同，测试方法与实施例1不同。
本实施例的测试方法如下：
将锂离子电池放置在55℃环境下，测试过程如下：
对充满电的锂离子电池进行放电处理，放电过程是在0.5C的放电倍率下放电至3.0V，然后进行放电静置5min；
对放电后的锂离子电池进行充电处理，首先采用0.1C充电至设计容量的20％，再用0.3C充电至设计容量的50％，再用0.7C充电至4.42V，然后开始在4.42V下恒压充电18小时，再静置若干小时，调整静置时间使每次循环的总时间为24小时，记录容量保持率达到90％时对应的循环次数，结果如表1所示。
实施例6
锂离子电池与实施例1相同，测试方法与实施例1不同。
本实施例的测试方法如下：
将锂离子电池放置在45℃环境下，测试过程如下：
对充满电的锂离子电池进行放电处理，放电过程是在0.5C的放电倍率下放电至3.0V，然后进行放电静置1min；
对放电后的锂离子电池进行充电处理，电池前10次循环的充电过程首先采用0.1C充电至设计容量的30％，再用0.7C充电至4.4V，然后开始在4.4V恒压充电若干小时，调整恒压充电时间使得每次循环总时间为24小时，而后更改电池的充电过程为0.2C充电至设计容量的20％，再用0.5C充电至容量的60％，再用0.7C充电至4.38V，然后在4.38V下恒压充电15小时，再静置若干小时，调整静置时间使得每次循环总时间为24小时，记录容量保持率达到90％时对应的循环次数，结果如表1所示。
对比例1
锂离子电池与实施例1相同，测试方法与实施例1不同。
本对比例的测试方法如下：
将锂离子电池放置在45℃环境下，测试过程如下：
对充满电的锂离子电池进行放电处理，放电过程是在0.5C的放电倍率下放电至3.0V，然后进行放电静置10min；
对放电后的锂离子电池进行充电处理，在0.7C倍率下充电至4.35V，然后在4.35V恒压下进行恒压充电，调整恒压充电的时间，使每次循环的总时间为24小时，记录容量保持率达到90％时对应的循环次数，结果如表1所示。
表1
实施例/对比例 高温容量保持率为90％时所用循环次数 常温容量恢复率
实施例1 35 92.4％
实施例2 31 91.2％
实施例3 42 91.8％
实施例4 36 92.2％
实施例5 29 90.8％
实施例6 40 92.5％
对比例1 98 91.7％
表1是本发明实施例与对比例的电池在高温容量保持率相同时所用的循环次数与常温容量恢复率。可见加速测试方案大幅缩短高温间歇性循环寿命评估所需时间，且加速测试与常规测试电池的高温容量保持率接近时，常温容量恢复率也很接近，证明加速测试与常规测试电池的容量衰减机理没有明显差别，本发明的加速测试方案是有效的加速测试方案。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种快速测试锂离子电池循环寿命的方法，所述方法包括：
(1)对锂离子电池进行放电处理，放电结束后还包括放电静置步骤；
(2)对放电静置后的锂离子电池进行低倍率条件下的恒流充电，且在低倍率下恒流充电至小于等于锂离子电池的设计容量的80％；
(3)对步骤(2)的锂离子电池进行公知倍率条件下的恒流充电，且在公知倍率下恒流充电至充电上限电压U上，所述充电上限电压U上大于公知充电上限电压Ug上；
(4)对步骤(3)的锂离子电池进行恒压充电，任选地，恒压充电过程中还包括充电静置步骤，所述恒压充电的电压为充电上限电压U上；
(5)锂离子电池按步骤(1)到步骤(4)为一次循环；当锂离子电池的充放电循环次数达到阈值时，记录锂离子电池的高温容量保持率；
或者，当锂离子电池的高温容量保持率达到阈值时，记录锂离子电池所用的充放电循环次数，即实现快速测试锂离子电池循环寿命。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法是将锂离子电池置于40℃以上的环境中进行的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤(1)中，所述放电处理的放电下限电压U下’等于公知的放电下限电压Ug下’；
优选地，步骤(1)中，所述的公知的放电下限电压Ug下’为2.0-3.6V。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中，步骤(1)中，所述的放电静置的时间为1-60min。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其中，步骤(2)中，所述低倍率是小于公知恒流充电的倍率；
优选地，所述低倍率小于公知恒流充电的倍率0.1C以上；
优选地，步骤(2)中，所述锂离子电池的设计容量大小为2000-8000mAh。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中，步骤(2)中，每一个循环过程中，低倍率条件可以是相同的，也可以是不同的；不同的循环过程中，低倍率条件可以是相同的，也可以是不同的。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其中，步骤(3)中，所述充电上限电压U上与公知充电上限电压Ug上满足如下关系式：1V≥U上-Ug上>0V；
优选地，步骤(3)中，所述公知充电上限电压Ug上例如可以是3.6-4.5V。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其中，步骤(4)中，所述恒压充电的时间大于步骤(1)的放电静置时间。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其中，步骤(4)中，所述恒压充电处理的时间相同或不同。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其中，步骤(5)中，每个循环过程的时间相同或不同，优选为相同，例如为24小时。
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