CN113285132B

CN113285132B - 锂离子电池阶梯充电制度制定方法及应用

Info

Publication number: CN113285132B
Application number: CN202110827879.7A
Authority: CN
Inventors: 于宝军; 周江; 薛有宝
Original assignee: Tianjin Lishen Battery JSCL
Current assignee: Tianjin Juyuan New Energy Technology Co ltd; Tianjin Lishen Battery JSCL
Priority date: 2021-07-22
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2041-07-22
Also published as: CN113285132A

Abstract

本发明属于锂离子电池测试领域，具体涉及一种锂离子电池阶梯充电制度制定方法及应用。包括下述步骤：1)锂离子电池进行倍率充电性能测试；2)做出不同倍率充电电压‑容量（SOC）曲线；对不同倍率充电电压‑容量（SOC）曲线进行微分处理，作不同倍率充电的dV/dQ‑容量（SOC）曲线图；3）锂离子电池若干进行充电DCIR测试，作充电DCIR‑容量（SOC）曲线图；4）输出特定快充需求的阶梯充电制度；5）将该型号锂离子电池在上述制定的阶梯充电制度下进行快充循环验证。此方法操作简单、快捷准确，无需占用大量测试资源。

Description

锂离子电池阶梯充电制度制定方法及应用

技术领域

本发明属于锂离子电池测试领域，具体涉及一种锂离子电池阶梯充电制度制定方法及应用。

背景技术

目前，锂离子电池应用和测试使用的充电制度主要是恒流恒压(CC-CV)充电方法。这种充电方法简单易行，操作方便。但随着锂离子电池快充的应用需求越来越高，该方法的局限性也越来越明显。特别是大电流恒流恒压充电会直接影响电池的使用寿命。

锂离子电池在充电过程中涉及复杂的正负极材料相变转化、界面电化学反应和极化作用。从锂离子电池(CC-CV)充电电压-容量曲线也可以看到，在恒流充电阶段，锂离子电池容量并非随电池充电电压的增大呈现线性增加。而是在不同容量（SOC）下，充电电压变化率表现出明显区别。这说明在某容量和电压区间内，锂离子电池的充电能力是有明显区别的。这是由锂离子电池材料和电池设计所决定的。依据锂离子电池充电属性，结合电池材料相变转化和电化学反应机理，制定合理的阶梯充电制度，既可以提高电池的充电效率，又能够保证电池循环寿命和安全。

阶梯充电制度可以简单理解为几个（CC-CV）的分段进行，鉴于使用终端的操作便利，中间可以省略CV步骤。但分段的选择需要依据电池的基本充电属性来确定。目前锂离子电池行业内尚无明确的阶梯充电制度统一的制定方法及达成效果的研究成果或发明专利输出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点，提供一种锂离子电池阶梯充电制度制定方法及应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种锂离子电池阶梯充电制度制定方法，包括下述步骤：

1)锂离子电池进行倍率充电性能测试：锂离子电池在不同倍率下充放电循环;确认该型号所选锂离子电池之间和自身循环后容量和充、放电曲线的一致性;同时获得该型号锂离子电池倍率充电性能数据;

2)将步骤1）获得该型号锂离子电池倍率充电数据，做出不同倍率充电电压-容量（SOC）曲线；对不同倍率充电电压-容量（SOC）曲线进行微分处理，作不同倍率充电的dV/dQ-容量（SOC）曲线图；

3）锂离子电池若干进行充电DCIR测试，作充电DCIR-容量（SOC）曲线图；

4）依据步骤2）以及步骤3）得到的该型号锂离子电池不同倍率充电的充电电压-容量（SOC）曲线图、dV/dQ-容量（SOC）曲线图和充电DCIR-容量（SOC）图，制定阶梯充电的阶梯电压、容量（SOC）和相应的充电倍率；输出特定快充需求的阶梯充电制度；

5）将该型号锂离子电池在上述制定的阶梯充电制度下进行快充循环验证。

不同倍率具体为：包括小电流，大电流和二者之间的充电电流；其中，小电流为0.2C或0.33C；大电流为2C或3C。

步骤2）中dV/dQ-容量（SOC）曲线计数点≥300个。

步骤3）中容量（SOC）至少每5%SOC选取一点。

步骤5）中同期完成该型号锂离子电池同等快充恒流恒压充电制式循环对比验证。

本发明还包括一种所述的锂离子电池阶梯充电制度制定方法的应用，应用于锂离子电池阶梯充电制度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本申请的锂离子电池阶梯充电制度制定方法在保证电池循环寿命不衰减（相比恒流恒压充电制式）的前提下，以锂离子电池恒流恒压充电能力为依据，结合电池材料相变转化和电化学反应机理，为该型号锂离子电池快充需求设计阶梯充电制度，并完成快充制式应用验证。将该阶梯充电制度的制定方法应用于其他型号锂离子电池。实现阶梯快充制度的输出及循环应用验证。

此方法操作简单、快捷准确，无需占用大量测试资源。该方法对电池快充制式的确定与应用具有理论指导和实际应用意义。该方法制定的阶梯充电制度对比恒流恒压充电制式，锂离子电池经过1000次快充循环后，1C放电容量保持率提高了7.91 %。同时避免了大倍率充电的析锂风险。

附图说明

图1为实施例1电芯倍率充电曲线图；

图2为实施例1中不同倍率充电的dV/dQ-（容量）SOC曲线图；

图3为实施例1中充电DCIR曲线图；

图4为实施例1阶梯充电制式的实际应用效果图；

图5为实施例1快充循环曲线图；

图6为实施例2电芯倍率充电曲线图；

图7为实施例2中不同倍率充电的dV/dQ-（容量）SOC曲线图；

图8为实施例2中充电DCIR曲线图；

图9为实施例2阶梯充电制式的实际应用效果图；

图10为实施例2快充循环曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：使用的锂离子电池为聚合物电芯，设计容量4.0 Ah。

1）锂离子电池进行倍率充电性能测试：充电倍率为0.33 C、1.0 C、2.0 C、和3.0C，放电倍率为1.0 C。电芯在不同倍率下充放电循环（100 % DOD）5次。确认所选电芯的一致性和稳定性。同时获得电芯倍率充电性能数据。图1为实施例1电芯倍率充电曲线图；

2）电芯倍率充电详细数据如表1所示。电芯倍率性能优异，3C充电恒流容量比为81.6 %。电芯以2.4 C的倍率充电恒流恒压充电可以完成20 min由4 % SOC充电至80 % SOC的快充目标。

表1

将上述电芯倍率充电数据，作出不同倍率充电电压-容量（SOC）曲线，对不同倍率充电电压-容量（SOC）曲线进行微分处理，获得电芯不同倍率充电的dV/dQ-（容量）SOC曲线。

图2是电芯不同倍率充电的dV/dQ-（容量）SOC曲线。dV/dQ曲线的中的特征峰的物理意义主要反应的是正、负极活性物质在脱锂和嵌锂过程中的相变。当充电倍率增大时，正、负极材料某SOC态下的相变会提前发生，从而形成多相并存的现象，表现出某些相变峰发生向左偏移，甚至消失。当正、负极材料发生多相并存时，特别是负极材料在高SOC态下，相变反应复杂化会发生析锂风险。阶梯充电倍率以dV/dQ的绝对值为依据，dV/dQ的绝对值越小的区间，选择大倍率充电，dV/dQ的绝对值较小的区间，选择相对较小的倍率充电。例如小于55 % SOC时，充电倍率可以选择＞2 C，大于65 % SOC时充电倍率不能高于2.0 C。

3)电芯充电DCIR测试（0-80 % SOC，每5 % SOC取一个点），作充电DCIR-容量（SOC）曲线图。电芯充电DCIR曲线如图3所示，电芯在低SOC态下充电DCIR比较高。随着电芯SOC的增大，其充电DCIR迅速降低，在10 % SOC时，充电DCIR为18.0 mΩ，开始缓慢降低。直到30 %SOC充电DCIR最低。随着电芯SOC的增大，充电DCIR又开始逐渐升高，在55 % SOC时，充电DCIR为17.4 mΩ，之后趋于稳定。当SOC＞70 %时，充电DCIR继续升高，80 % SOC的充电DCIR为18.0 mΩ。从充电DCIR的角度来看，在高充电DCIR的SOC区间，选择较小的充电倍率进行充电，这样可以有效降低能量损失。例如在0-10% SOC区间，采用较小的充电倍率充电。在充电DCIR较小的SOC区间，选择较大的充电倍率进行充电，从而提高充电效率。

4)综合电芯倍率充电dV/dQ-（容量）SOC曲线和充电DCIR曲线，确定电芯阶梯充电制式。该阶梯充电制式共分为8个阶梯。首先是采用1.0 C充电至4 % SOC，用时2.4 min，以时间为截止条件，容量贡献为4 %。静置30 min。第二阶梯采用1.5 C充电至10 % SOC，用时2.4 min，以时间为截止条件，容量贡献为6 %。第三阶梯采用3.0 C充电至4.05 V，以电压为截止条件，容量贡献为42.63 %，充电时间8.55 min。第四阶梯采用2.47 C充电至4.1 V，以电压为截止条件，容量贡献为9.34 %，第四阶梯用时2.27 min。第五阶梯采用2.0 C充电至4.2 V，以电压为截止条件，容量贡献为11.25 %，第五阶梯用时3.38 min。第六阶梯采用1.43 C 充电至4.25 V，以电压为截止条件，容量贡献为7.67 %，第六阶梯用时3.23 min。第七阶梯采用0.5 C 充电至4.35 V，以电压为截止条件，容量贡献为15.11 %，第七阶梯用时18.18 min。第八阶梯为4.35 V恒压充电至电流降为0.05 C。图4为该阶梯充电制式的实际应用效果。该阶梯充电制式前六个阶梯共用时52.23 min，累计充电容量80.86 %。由4 %SOC充电至80 % SOC共用时19.84 min。前80 % SOC平均充电倍率约为2.4 C。电芯达到80 %SOC时的电压为4.25 V，瞬时电流为1.43 C，要远远低于2.4 C。可以有效的避免高SOC态时，大倍率充电潜在的析锂风险。

5)采用上述拟定的阶梯充电制式进行快充循环验证。同时电芯采用2.4CC/1CD对比循环验证。图5是电芯快充循环曲线图。电芯经过1000次快充循环后，2.4 C快充循环容量保持率≤90 %，并且发生循环曲线跳水现象。而采用阶梯快充制式的电芯经过1000次快充循环后，容量保持率为95.5%。

实施例2：使用的锂离子电池为方形电芯，设计容量51.0 Ah。

1)电芯倍率充电性能测试。充电倍率为0.2 C、1.0 C、2.0 C、2.4 C和3.0 C，放电倍率为1.0 C。电芯在不同倍率下充放电循环（100 % DOD）5次。确认所选电芯的一致性和稳定性。同时获得电芯倍率充电性能数据。图6为实施例2电芯倍率充电曲线图；

2）电芯倍率充电详细数据如表2所示。电芯以2.4 C的倍率充电恒流恒压充电20.33 min由4 % SOC充电至80 % SOC的快充目标。

表2

将上述电芯倍率充电数据，作出不同倍率充电电压-容量（SOC）曲线（图7示出），对不同倍率充电电压-容量（SOC）曲线进行微分处理，获得电芯不同倍率充电的dV/dQ-（容量）SOC曲线。

3)电芯充电DCIR测试（0-80 % SOC，每5 % SOC取一个点），作充电DCIR-容量（SOC）曲线图，图8示出。

4)综合电芯倍率充电dV/dQ-（容量）SOC曲线（图7示出），和充电DCIR曲线（图8示出），确定电芯阶梯充电制式。该阶梯充电制式共分为8个阶梯。首先是采用1.0 C充电至4 %SOC，用时2.4 min，以时间为截止条件，容量贡献为4 %。静置30 min。第二阶梯采用1.5 C充电至10 % SOC，用时2.4 min，以时间为截止条件，容量贡献为6 %。第三阶梯采用3.0 C充电至4.05 V，以电压为截止条件，容量贡献为37.87 %，充电时间7.64 min。第四阶梯采用2.47C充电至4.1 V，以电压为截止条件，容量贡献为9.89 %，第四阶梯用时2.42 min。第五阶梯采用2.0 C充电至4.2 V，以电压为截止条件，容量贡献为11.84 %，第五阶梯用时3.58 min。第六阶梯采用1.43 C 充电至4.25 V，以电压为截止条件，容量贡献为8.26 %，第六阶梯用时3.5 min。第七阶梯采用0.5 C 充电至4.35 V，以电压为截止条件，容量贡献为17.78 %，第七阶梯用时21.52 min。第八阶梯为4.35 V恒压充电至电流降为0.05 C。图9为该阶梯充电制式的实际应用效果。该阶梯充电制式前六个阶梯共用时51.95 min，累计充电容量79.14 %。由4 % SOC充电至80 % SOC共用时19.98 min。电芯达到80 % SOC时的电压为4.25V，瞬时电流为1.43 C，要远远低于2.4 C。可以有效的避免高SOC态时，大倍率充电潜在的析锂风险。

5)采用上述拟定的阶梯充电制式进行快充循环验证。同时电芯采用2.4CC/1CD对比循环验证。图10是电芯快充循环曲线图。电芯经过1000次快充循环后，2.4 C快充循环容量保持率为90.38 %，并且发生循环曲线跳水现象。而采用阶梯快充制式的电芯经过1000次快充循环后，容量保持率为98.29 %。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种锂离子电池阶梯充电制度制定方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)锂离子电池进行倍率充电性能测试：锂离子电池在不同倍率下充放电循环;确认所选型号锂离子电池之间和自身循环后容量和充、放电曲线的一致性;同时获得所选锂离子电池倍率充电性能数据;

2)将步骤1）获得所选型号锂离子电池倍率充电数据，做出不同倍率充电电压-容量SOC曲线；对不同倍率充电电压-容量SOC曲线进行微分处理，作不同倍率充电的dV/dQ-容量SOC曲线图；

3）锂离子电池若干进行充电DCIR测试，作充电DCIR-容量SOC曲线图；

4）依据步骤2）以及步骤3）得到的该型号锂离子电池不同倍率充电的充电电压-容量SOC曲线图、dV/dQ-容量SOC曲线图和充电DCIR-容量SOC图，制定阶梯充电的阶梯电压、容量SOC和相应的充电倍率；输出特定快充需求的阶梯充电制度；

2.根据权利要求1所述的锂离子电池阶梯充电制度制定方法，其特征在于，不同倍率具体为：包括小电流，大电流和二者之间的充电电流；其中，小电流为0.2C或0.33C；大电流为2C或3C。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池阶梯充电制度制定方法，其特征在于，步骤2）中dV/dQ-容量SOC曲线计数点≥300个。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池阶梯充电制度制定方法，其特征在于，步骤3）中容量SOC至少每5%SOC选取一点。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池阶梯充电制度制定方法，其特征在于，步骤5）中同期完成所选锂离子电池同等快充恒流恒压充电制式循环对比验证。

6.一种权利要求1-5任一项所述的锂离子电池阶梯充电制度制定方法的应用，其特征在于，应用于锂离子电池阶梯充电制度。