CN113285133A

CN113285133A - 一种原位测试锂离子电池电势分布装置及其测试方法

Info

Publication number: CN113285133A
Application number: CN202110567197.7A
Authority: CN
Inventors: 颜果春; 刘鑫剑; 王志兴; 王接喜; 秦钱万; 李新海; 郭华军; 彭文杰; 胡启阳
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2021-05-24
Filing date: 2021-05-24
Publication date: 2021-08-20

Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种原位测试锂离子电池电势分布装置及其测试方法。所述装置包括正极机构、第一隔膜、参比机构、第二隔膜、负极机构和电解液。在负极、正极不同位置分别安装引线，同时在电池内部加入参比电极，在电池充放电过程中、或充放电停止时刻监测不同引线与参比电极之间的电压，可实时获取电池内部的电势分布。通过本发明提供的方法，可以快速测定电池内部的电势分布，为设计出内阻更小、电极利用率更高、循环性能更优的电池提供助力。

Description

一种原位测试锂离子电池电势分布装置及其测试方法

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种原位测试锂离子电池电势分布装置及其测试方法。

背景技术

锂离子电池因其能量密度高、绿色无污染、无记忆效应、循环寿命长等一系列优点广泛应用于交通、通信、储能等领域。随着锂离子电池的大规模应用，人们对其能量密度、安全性、内阻、电化学性能提出了更高的要求，且对电池的研究越来越重视。

锂离子电池是一个涉及电化学、电学、物理学的多学科交叉复杂体系，其内部存在电势分布、电流分布等诸多电场特性。电势分布和电流分布是衡量电池性能的重要指标，电势分布均匀的电池具有更好的倍率性能和循环性能；而电势梯度过大的电池内部极化、应力过大，容易加速电池的老化，也会降低电极的利用率。另一方面，电池的尺寸、长宽比、电极厚度、极耳位置等设计都与电池的内阻、电势分布息息相关，直接影响电池的性能。然而，目前并无相关资料报道测试电池电势分布的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位测试锂离子电池电势分布的方法，以解决电池内部电势分布难以测量的问题。

为实现上述发明目的，本发明实施例提供了一种原位测试锂离子电池电势分布装置，所述装置具体包括：负极机构、第一隔膜、参比机构、第二隔膜、正极机构和电解液；

所述负极机构包括负极极耳，负极极片和多个负极引线，所述负极极耳设置在负极极片的一侧，所述负极引线均匀设置在负极极片上；

所述参比机构为中间带有绝缘层的金属丝，两端为去除绝缘层的金属丝，其中除去绝缘层一端经缠绕折叠；

所述正极机构包括正极极耳，正极极片和多个正极引线，所述正极极耳设置在正极极片的一侧，所述正极引线均设置在正极极片上；

所述第一隔膜将所述负极机构和参比机构分开，所述第二隔膜将参比机构和正极机构分开；

将所述负极机构、第一隔膜、参比机构、第二隔膜、正极机构进行叠放并封装后注入电解液。

进一步的，所述负极引线和正极引线为两端去除绝缘层的带有绝缘层的金属丝，所述金属丝包括银丝、铜丝、镍丝、铝丝、铂丝。

进一步的，所述正极极耳为铝带，所述负极极耳为镍带，所述极耳焊接在相应的极片上。

基于同一发明构思的，本发明实施例还提供了一种原位测试锂离子电池电势分布测试方法，具体包括以下步骤：

取多根带绝缘层的金属丝，将金属丝两端绝缘层去除1-2cm，并将去除绝缘层金属丝酸处理、烘干获得处理后金属丝；

将正极浆料、负极浆料分别涂覆在极片上获得正极极片和负极极片，并将处理后金属丝的一端涂覆上粘结浆料，获得带有粘结浆料的金属丝；

将所述带有粘结浆料的金属丝粘结在正积极片和负极极片上，并烘干获得带引线的正极极片和负极极片；

将正极极耳、负极极耳分别焊接在带引线的正极极片和负极极片的一侧，获得正极机构和负极机构；

取一根带绝缘层的金属丝，将金属丝一端去除绝缘层1-2cm，将另一端去除绝缘层8-12cm，并将去除绝缘层金属丝进行酸处理烘干，再将去除绝缘层8-12cm的一端缠绕成团，获得参比机构；

将负极机构、第一隔膜、参比机构、第二隔膜和正极机构按顺序叠放好，并用铝塑封装并烘干后进行注液、封口获得电势分布测试电池；

将参比机构作为负极，正极机构和负极机构作为正极，以0.01-100mA的电流在金属丝上镀锂1-3h；将所有引线暴露在空气中的一侧焊接极耳，用于电势测量；

将电势分布测试电池进行不同倍率的充放电，并检测不同引线与参比电极之间的电压，获得锂离子电池电势分布。

进一步的，所述酸处理为将去除绝缘层金属丝浸泡在稀酸中1-1.5h，所述稀酸包括但不限于盐酸、硫酸、磷酸。

进一步的，所述正极浆料包括但不限于磷酸铁锂浆料、钴酸锂浆料、镍钴锰酸锂浆料、锰酸锂浆料。

进一步的，所述负极浆料包括但不限于石墨负极浆料、硅碳负极浆料、钛酸锂负极浆料。

进一步的，所述粘结浆料包括溶剂：氮甲基吡咯烷酮、水，粘结剂：聚偏氟乙烯、聚丙烯酸、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶，导电剂：炭黑、碳纳米管和碳纤维。

进一步的，所述将负极机构、第一隔膜、参比机构、第二隔膜和正极机构按顺序叠放好，并用铝塑封装并烘干过程中烘干的工艺参数为：

烘干温度为40-120℃，烘干时间为1-30h。

有益效果：

(1)本发明的原位测试锂离子电池电势分布装置通过在正极和负极上的不同位置设置引线，可以测定锂电池内不同位置电势，也可以直接检测不同位置与参比电极之间的电压；通过将金属丝缠绕成圈，并进行原位镀锂，增加了参比电极的稳定性，在引线上焊接极耳，测量更加方便，且测试的稳定性大大提高。

(2)本发明对金属丝先进行酸处理并烘干，一方面能够保证金属丝的清洁，另一方面增加金属丝表面的附着力，更易与粘结涂料结合并固定在对应的极片上。

附图说明

图1为本发明实施例提供的叠片式原位测试锂离子电池电势分布装置示意图；

图2为本发明实施例提供的卷绕式原位测试锂离子电池电势分布装置示意图。

【标记说明】：

1、2、3、13、14、15-正极引线；12-正极极片；16-正极极耳；4-第二隔膜；5-参比机构；6-第一隔膜；7-负极极耳；8、9、10、17、18、19-负极引线；11-负极极片；

20、21、22、23、33、34、35、36-正极引线；24-正极极片；37、正极极耳；25-第二隔膜；26-参比机构；27-第一隔膜；28-负极极耳，28、29、30、31、32、38、39、40、41为负极引线。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

如图1所示，本发明实施例提供了叠片式原位测试锂离子电池电势分布装置示意图，所述装置具体包括：负极机构、第一隔膜、参比机构、第二隔膜、正极机构；所述负极机构包括负极极耳7，负极极片11和多个负极引线8、9、10、17、18、19，所述负极极耳7设置在负极极片11的一侧，所述负极引线均匀设置在负极极片两侧；所述参比机构4为中间带有绝缘层的金属丝，两端为去除绝缘层的金属丝，其中除去绝缘层一端经缠绕折叠；所述正极机构包括正极极耳16，正极极片12和多个正极引线1、2、3、13、14、15，所述正极极耳16设置在正极极片12的一侧，所述正极引线均设设置在正极极片两侧上；所述第一隔膜6将所述负极机构和参比机构分开，所述第二隔膜4将参比机构和正极机构分开；所述机构还包括电解液，将所述负极机构、第一隔膜、参比机构、第二隔膜、正极机构进行叠放并封装封装后注入电解液。所述负极引线8、9、10、17、18、19所在的位置分别为A、B、C、D、E、F，正极引线14、13、12、3、2、1所在的位置分别为G、H、I、J、K、L。

如图2所示，本发明实施例提供了卷绕式原位测试锂离子电池电势分布装置示意图，所述装置具体包括：负极机构、第一隔膜、参比机构、第二隔膜、正极机构；所述负极机构包括负极极耳28，负极极片和多个负极引线29、30、31、32、41、40、39、38，所述负极极耳28设置在负极极片的一侧，所述负极引线均匀设置在负极极片上；所述参比机构26为中间带有绝缘层的金属丝，两端为去除绝缘层的金属丝，其中除去绝缘层一端经缠绕折叠；所述正极机构包括正极极耳37，正极极片24和多个正极引线35、36、34、33、20、21、22、23，所述正极极耳37设置在正极极片24的一侧，所述正极引线均设设置在正极极片上；所述第一隔膜27将所述负极机构和参比机构26分开，所述第二隔膜25将参比机构26和正极机构分开；所述机构还包括电解液，将所述负极机构、第一隔膜、参比机构、第二隔膜、正极机构进行叠放并封装封装后注入电解液。所述负极引线29、30、31、32、41、40、39、38所在的位置分别为A、B、C、D、E、F、G、H，正极引线35、36、34、33、20、21、22、23所在的位置分别为I、J、K、L、M、N、O、Q。

实施例1

S1：取带有绝缘层的银丝若干根，将银丝两端绝缘层去除约1厘米，再将银丝去除绝缘层的部分在稀硫酸中浸泡约1小时，并烘干，以保证银丝清洁以及增加银丝表面的附着力；

S2：将制备好的磷酸铁锂正极浆料均匀涂覆在正极集流体上，构成正极极片；

S3：将适量溶剂NMP与导电剂SP、粘结剂PVDF充分混合制成浆料，涂覆于S1处理好的银丝一端，再将银丝涂覆有浆料的一端安装在正极极片不同位置当作引线；

S4：将安装有引线的正极极片烘干，裁剪；

S5：将烘干、裁剪好的正极极片焊接极耳，优选地正极极耳为铝带，具有极耳且带有引线的正极极片构成正极机构：

S6：将制备好的石墨负极浆料均匀涂覆在负极集流体上，构成负极极片；

S7：将适量溶剂去离子水与导电剂SP、粘结剂CMC和SBR充分混合制成浆料，涂覆于S1处理好的银丝一端，再将银丝涂覆有浆料的一端安装在负极极片不同位置当作引线；

S8：将安装有引线的负极极片烘干，裁剪；

S9：将烘干、裁剪好的负极极片焊接极耳，优选地负极极耳为镍带，具有极耳且带有引线的负极极片构成负极机构；

S10：取一根带有绝缘层的银丝，将银丝一端去除绝缘层约1厘米，将另一端去除绝缘层约10厘米，将银丝去除绝缘层的部位在稀硫酸中浸泡一小时；

S11：将S10中银丝去除约10厘米绝缘层的一端缠绕三圈，使其无绝缘层的部位折成一团，构成参比机构；

S12：将负极机构、第一隔膜、参比机构、第二隔膜、正极机构按顺序叠放好，并用铝塑膜封装；

S13：将S12封装好的电池在60℃下烘12个小时；

S14：将封装好的电池完成注液、封口、化成等工序；

S15：将参比机构作为负极，正极机构作为正极，以5mA的电流，在银丝上镀锂2小时；

S16：将所有的引线暴露在空气中一侧焊接极耳，便于后续测量，优选地极耳为镍带；

S17：将电池以1C倍率(1C＝5000mA)恒流充电至3.60V，并监测不同引线与参比电极之间的电压，结果如表1所示。

表1

实施案例2

将实施案例1中的电池以1C倍率恒流放电至3.0V，记录此刻正极机构各引线与参比电极之间的电压，记录负极机构各引线与参比电极之间的电压，结果如表2所示。

表2

以上所述实施例，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种原位测试锂离子电池电势分布装置，其特征在于，所述装置具体包括：负极机构、第一隔膜、参比机构、第二隔膜、正极机构和电解液；

2.根据权利要求1所述的原位测试锂离子电池电势分布装置，其特征在于，所述负极引线和正极引线为两端去除绝缘层的带有绝缘层的金属丝，所述金属丝包括银丝、铜丝、镍丝、铝丝、铂丝。

3.根据权利要求1所述的原位测试锂离子电池电势分布装置，其特征在于，所述正极极耳为铝带，所述负极极耳为镍带，所述极耳焊接在相应的极片上。

4.一种原位测试锂离子电池电势分布测试方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的原位测试锂离子电池电势分布测试方法，其特征在于，所述酸处理为将去除绝缘层金属丝浸泡在稀酸中1-1.5h，所述稀酸为盐酸、硫酸、磷酸中的任意一种。

6.根据权利要求4所述的原位测试锂离子电池电势分布测试方法，其特征在于，所述正极浆料为磷酸铁锂浆料、钴酸锂浆料、镍钴锰酸锂浆料、锰酸锂浆料中的任意一种。

7.根据权利要求4所述的原位测试锂离子电池电势分布测试方法，其特征在于，所述负极浆料为石墨负极浆料、硅碳负极浆料、钛酸锂负极浆料中的任意一种。

8.根据权利要求4所述的原位测试锂离子电池电势分布测试方法，其特征在于，所述粘结浆料包括溶剂：氮甲基吡咯烷酮、去离子水，粘结剂：聚偏氟乙烯、聚丙烯酸、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶，导电剂：炭黑、碳纳米管和碳纤维。

9.根据权利要求4所述的原位测试锂离子电池电势分布测试方法，其特征在于，所述将负极机构、第一隔膜、参比机构、第二隔膜和正极机构按顺序叠放好，并用铝塑封装并烘干过程中烘干的工艺参数为：

烘干温度为40-120℃，烘干时间为1-30h。