CN113422115A - 锂离子电芯、锂离子电芯制备方法及析锂检测方法 - Google Patents

锂离子电芯、锂离子电芯制备方法及析锂检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种锂离子电芯、锂离子电芯制备方法及析锂检测方法，该锂离子电芯包括壳体、正极片、负极片和参比极片，正极片、负极片和参比极片均设于壳体内，正极片和负极片卷绕或堆叠形成极芯，参比极片设于正极片和负极片组成的极芯最外侧，且参比极片电性连接于壳体。本发明的锂离子电芯、锂离子电芯制备方法及析锂检测方法中，由于锂离子电芯的参比极片设置在电芯内部，并与壳体形成等电位，可得到负极电位，根据负极电位判断出是否发生析锂，参比极片稳定，可在电芯的全生命周期内使用，且该锂离子电芯可作为正常电芯装入电池包内，在电池包的全生命周期内进行析锂风险监控，提高了锂离子电池的安全性，同时还可预防壳体被腐蚀。

Description

锂离子电芯、锂离子电芯制备方法及析锂检测方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种锂离子电芯、锂离子电芯制备方法及析锂检测方法。
背景技术
锂离子电池由于具有比能量高、循环使用次数多、存储时间长等优点，其不仅在便携式电子设备上如移动电话、数码摄像机和手提电脑得到广泛应用，而且也广泛应用于电动汽车、电动自行车以及电动工具等大中型电动设备。然而，近年来屡见因动力电池热失控而引起新能源汽车起火事故，已经严重影响以锂离子动力电池为储能装置的新能源汽车的大力推广。导致锂离子动力电池发生热失控的原因较多，其中内短路和析锂是重要的两个诱发因素，因此需要及时发现析锂和内短路的产生。
目前，通常通过埋入铜丝并镀锂，在充电过程中，镀锂铜丝作为参比电极(Reference electrode)监控阳极电位，理论上当阳极对渡锂铜丝电位低至0mV时发生锂金属析出。采用当前的监控方案，存在两方面的缺陷：1、铜丝镀锂不稳定，在长时间及高温环境下分解，无法做到全生命周期的监控；2、该方案仅适合实验室研究，因埋入铜丝需要破坏电芯外壳，电芯无法装入Pack内在整车上实现监控，同样导致无法做到全生命周期的监控。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂离子电芯、锂离子电芯制备方法及析锂检测方法，能够实现全生命周期析锂风险监控，提高锂离子电池的安全性。
本发明实施例提供一种锂离子电芯，包括壳体、正极片、负极片和参比极片，所述正极片、所述负极片和所述参比极片均设于所述壳体内，所述正极片和所述负极片卷绕或堆叠形成极芯，所述参比极片设于所述正极片和所述负极片组成的极芯最外侧，且所述参比极片电性连接于所述壳体。
其中一实施例中，多个所述正极片和多个所述负极片依次交替间隔堆叠形成极芯，且两个最外侧均设置所述负极片。
其中一实施例中，所述正极片的两侧均涂覆有活性物质材料，所述负极片的两侧均涂覆有活性物质材料。
其中一实施例中，多个所述正极片连接于同一个正极耳，所述锂离子电芯还包括正极柱，所述正极耳电性连接于所述正极柱，所述正极柱至少部分露出于所述壳体外；多个所述负极片连接于同一个负极耳，所述锂离子电芯还包括负极柱，所述负极耳电性连接于所述负极柱，所述负极柱至少部分露出于所述壳体外；所述参比极片包括参比极耳，所述参比极耳设于所述参比极片的一侧边处，所述参比极耳电性连接到所述壳体。
其中一实施例中，所述参比极片朝向相邻的所述负极片的一侧上涂覆有活性物质材料，所述参比极片上涂覆的活性物质材料是磷酸铁锂，所述参比极片的所述活性物质材料内部为铝箔。
其中一实施例中，所述参比极片(17)的电压为U0，其中U0为所述参比极片与所述负极片连接形成的参比电池处于电池荷电状态平台区时所述参比电池的电压。
本发明实施例还提供一种锂离子电芯制备方法，包括：
提供多个正极片和多个负极片；
将多个所述正极片和多个所述负极片依次交替间隔堆叠形成极芯，且使两个最外侧均设置所述负极片；
提供参比极片，将所述参比极片堆叠于所述正极片和所述负极片组成的极芯的最外侧；
提供壳体、正极柱和负极柱，将所述正极片、所述负极片和所述参比极片均设于所述壳体内，将所述正极片电性连接于所述正极柱，将所述负极片电性连接于所述负极柱，使所述正极柱至少部分露出于所述壳体外，所述负极柱至少部分露出于所述壳体外，以分别作为锂离子电芯的正负极，并将所述参比极片电性连接于所述壳体。
其中一实施例中，将所述壳体和所述负极片连接形成参比电池，并对所述参比电池进行小电流充电，并将所述参比电池充电至所述参比电池的电池荷电状态平台区，此时所述参比极片的电压为U0，再断开所述壳体和所述负极片的连接，其中U0为所述参比电池处于平台区时所述参比电池的电压。
其中一实施例中，所述小电流充电的电流为0.05C～0.2C，其中C为所述参比电池的容量；或者，将所述参比电池充电至所述参比电池的电池荷电状态平台区为将所述参比电池充电至电池荷电状态为70％～85％。
本发明实施例还提供一种析锂检测方法，用于监测上述锂离子电池是否析锂，所述析锂检测方法包括：
对所述锂电池电芯进行充电，并获取所述壳体对所述负极片的电位U1，获得负极电位为U0-U1；
根据所述负极电位U0-U1判定所述锂离子电芯是否发生析锂。
其中一实施例中，根据所述负极电位U0-U1判定是否所述锂离子电芯是否发生析锂具体包括：判断所述负极电位U0-U1是否在预设范围内；当所述负极电位U0-U1在预设范围内时，判定所述锂离子电芯未发生析锂或析锂极少；当所述负极电位U0-U1不在预设范围内时，判定所述锂离子电芯发生析锂。
其中一实施例中，当U0-U1>0时，所述负极电位U0-U1在预设范围内；当U0-U1≤0时，所述负极电位U0-U1不在预设范围内。
本实施例的锂离子电芯、锂离子电芯制备方法及析锂检测方法中，由于锂离子电芯的参比极片设置在电芯内部，并与壳体形成等电位，可得到负极电位，从而根据负极电位判断出是否发生析锂，且参比极片稳定，可在电芯的全生命周期内使用，实现对锂离子电芯的全生命周期析锂风险监控，而且该锂离子电芯可作为正常电芯装入电池包内，在电池包的全生命周期内进行析锂风险监控，提高了锂离子电池的安全性，同时壳体与参比极片连接还拉高了壳体电位，可预防壳体被腐蚀。
附图说明
图1为本发明一实施例的锂离子电芯的整体结构示意图。
图2为图1所示锂离子电芯的内部结构示意图。
图3为图1所示锂离子电芯的正极片的平面示意图。
图4为图1所示锂离子电芯的负极片的平面示意图。
图5为图1所示锂离子电芯的参比极片的平面示意图。
图6为本发明一实施例的锂离子电芯制备方法的流程示意图。
图7为本发明一实施例的析锂检测方法的流程示意图。
图8为图7所示析锂检测方法中的被充电的参比极片的充放电曲线图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术方式及功效，以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
图1为本发明一实施例的锂离子电芯的整体结构示意图；图2为图1所示锂离子电芯的内部结构示意图。请参图1和2，在本实施例中，锂离子电芯包括壳体11、多个正极片13、多个负极片15和参比极片17。多个正极片13和多个负极片15依次交替间隔堆叠形成极芯，且两个最外侧均设置负极片15，以组装成负-正......-负结构形式的极芯。参比极片17堆叠于正极片13和负极片15组成的极芯最外侧，且参比极片17电性连接于壳体11。正极片13、负极片15和参比极片17均设于壳体11内。
本实施例中，壳体11为金属壳体，具体可为铝壳。
本实施例中，正极片13的两侧均涂覆有活性物质材料。具体地，正极活性物质材料是LiFePO4、LiMn2O2、LiNixCoyMnzO2，0＜x、y、z＜1，x+y+z＝1中的一种，或两种或两种以上按不同比例混合形成。正极片13的活性物质材料内部可为铝箔。
具体地，请一并参照图3，多个正极片13连接于同一个正极耳132，锂离子电芯还包括正极柱19，正极耳132电性连接于正极柱19，正极柱19至少部分露出于壳体11外，正极柱19作为锂离子电芯的正极。更具体地，正极耳132包括第一连接部134和第一转接部136，第一连接部134的一侧面连接于各正极片13的同一端，第一转接部136连接于正极柱19。转接部136相对第一连接部134弯折。具体地，正极耳132可通过焊接等方式连接于正极柱19。
本实施例中，负极片15的两侧均涂覆有活性物质材料。具体地，负极活性物质材料为石墨、中间相炭微球、硬碳、软碳中的一种，或两种或两种以上按不同比例混合形成。负极片13的活性物质材料内部可为铜箔。
具体地，请一并参照图4，多个负极片15连接于同一个负极耳152，锂离子电芯还包括负极柱21，负极耳152电性连接于负极柱21，负极柱21至少部分露出于壳体11外，负极柱21作为锂离子电芯的负极。更具体地，负极耳152包括第二连接部154和第二转接部156，第二连接部154的一侧面连接于各负极片15的同一端，第二转接部156连接于负极柱21。第二转接部156相对第二连接部154弯折。具体地，负极耳152可通过焊接等方式连接于负极柱21。
具体地，正极柱19和负极柱21均设于壳体11的同一侧，具体在本实施例中，正极柱19和负极柱21均设于壳体11的顶部。
本实施例中，参比极片17朝向相邻的负极片15的一侧上涂覆有活性物质材料。可以理解，也可在参比极片17远离相邻的负极片15的一侧也涂覆活性物质材料。具体地，参比极片17上涂覆的活性物质材料是磷酸铁锂(LiFePO4)。参比极片17的活性物质材料内部可为铝箔。
具体地，参比极片17可通过超声焊接等方式连接到壳体11。
具体地，请一并参照图5，参比极片17包括参比极耳172，参比极耳172设于参比极片17的一侧边处，参比极耳172电性连接到壳体11，从而将参比极片17连接到壳体11。具体地，参比极耳172位于与正极耳132、负极耳152相对的一侧，即参比极耳172设于壳体11的底部一侧。
本实施例中，参比极片17的电压为U0。其中，U0为参比极片17与负极片15连接形成的参比电池处于电池荷电状态平台区时所述参比电池的电压。具体地，在锂离子电芯的制造过程中，将壳体11和负极片15连接形成参比电池，并对参比电池进行小电流充电，并将参比电池充电至SOC(电池荷电核状态)平台区，使参比极片17的电压为U0，再断开壳体11与负极片15的连接。也就是说，锂离子电芯制造完成后参比极片17的电压为U0。
具体地，小电流充电的电流优选0.05C～0.2C，其中C为参比电池的容量。参比电池的SOC平台区是指参比电池电压达到一定值后电压值基本保持平稳的区域，在本实施例中优选将参比电池充电至SOC为70％～85％的区域。请参图8，根据参比电池的充放电曲线即可确定是否将参比电池充电至平台区，即当参比电池的电压达到U0时可判断出已充电至平台区，此时参比电极17的电压为U0，在图8中，U0大约为3.5伏。其中，参比电池的充放电曲线是参比电池的特征曲线，可通过测量获得，U0也是参比电池的特征参数，通过充放电曲线即可知。图8中，靠上的曲线为充电曲线，靠下的曲线为放电曲线。
本实施例的锂离子电芯中，将参比极片设置在电芯内部，并与壳体形成等电位，可得到负极电位，从而根据负极电位判断出是否发生析锂，且参比极片稳定，可在电芯的全生命周期内使用，实现对锂离子电芯的全生命周期析锂风险监控，而且该锂离子电芯可作为正常电芯装入电池包内，在电池包的全生命周期内进行析锂风险监控，提高了锂离子电池的安全性，同时壳体与参比极片连接还拉高了壳体电位，可预防壳体被腐蚀。
图1至图5所示实施例的锂离子电芯为矩形电芯，可以理解，本发明另一实施例的锂离子电芯也可为圆柱形电芯，圆柱形电芯包括壳体、由正极片和负极片依次交替间隔卷绕形成的极芯(卷绕形成的极芯也可称为卷芯)和设置在卷芯最外层外的参比极片，参比极片连接于壳体。极芯的最外层为负极片。
本发明还提供一种锂离子电芯制备方法，请参图6，一实施例的离子电芯制备方法包括以下步骤：
S11，提供多个正极片13和多个负极片15。具体地，正极片13的两侧均涂覆有活性物质材料，负极片15的两侧均涂覆有活性物质材料。正极活性物质材料是LiFePO4、LiMn2O2、LiNixCoyMnzO2，0＜x、y、z＜1，x+y+z＝1中的一种，或两种或两种以上按不同比例混合形成。负极活性物质材料为石墨、中间相炭微球、硬碳、软碳中的一种，或两种或两种以上按不同比例混合形成。
S13，将多个正极片13和多个负极片15依次交替间隔堆叠形成极芯，且使两个最外侧均设置负极片15，以组装成负-正......-负结构形式的极芯。
具体地，多个正极片13连接于同一个正极耳132，多个负极片15连接于同一个负极耳152。更具体地，正极耳132包括第一连接部134和第一转接部136，第一连接部134的一侧面连接于各正极片13的同一端。转接部136相对第一连接部134弯折。负极耳152包括第二连接部154和第二转接部156，第二连接部154的一侧面连接于各负极片15的同一端。第二转接部156相对第二连接部154弯折。
S15，提供参比极片17，将参比极片17堆叠于正极片13和负极片15组成的极芯的最外侧。
具体地，参比极片17朝向相邻的负极片15的一侧上涂覆有活性物质材料。可以理解，也可在参比极片17远离相邻的负极片15的一侧也涂覆活性物质材料。具体地，参比极片17上涂覆的活性物质材料是磷酸铁锂(LiFePO4)。
S17，提供壳体11、正极柱19和负极柱21，将正极片13、负极片15和参比极片17均设于壳体11内，将正极片13电性连接于正极柱19，将负极片15电性连接于负极柱21，使正极柱19至少部分露出于壳体11外，负极柱21至少部分露出于壳体11外，以分别作为锂离子电芯的正负极，并将参比极片17电性连接于壳体11。具体地，正极片13通过正极耳132电性连接于正极柱19，负极片15通过负极耳152电性连接于负极柱21。
具体地，正极耳132通过第一转接部136连接于正极柱19，负极耳152通过第二转接部156连接于负极柱21。正极柱19和负极柱21均设于壳体11的同一侧，具体在本实施例中，正极柱19和负极柱21均设于壳体11的顶部。参比极片17包括参比极耳172，参比极耳172设于参比极片17的一侧边处，参比极耳172连接到壳体11，从而将参比极片17连接到壳体11。具体地，参比极耳172位于与正极耳132、负极耳152相对的一侧，即参比极耳172设于壳体11的底部一侧。
S19，将壳体11和负极片15连接形成参比电池，并对参比电池进行小电流充电，并将参比电池充电至SOC(电池荷电核状态)平台区，此时参比极片17的电压为U0，再断开壳体11和负极片15的连接。
具体地，小电流充电的电流优选0.05C～0.2C，其中C为参比电池的容量。参比电池的SOC平台区是指参比电池电压达到一定值后电压值基本保持平稳的区域，在本实施例中优选将参比电池充电至SOC为70％～85％的区域。请参图8，根据参比电池的充放电曲线即可确定是否将参比电池充电至平台区，即当参比电池的电压达到U0时可判断出已充电至平台区，此时参比电极17的电压为U0，在图8中，U0大约为3.5伏。其中，参比电池的充放电曲线是参比电池的特征曲线，可通过测量获得，U0也是参比电池的特征参数，通过充放电曲线即可知。图8中，靠上的曲线为充电曲线，靠下的曲线为放电曲线。
本实施例的锂离子电芯制备方法中，将参比极片设置在电芯内部，并与壳体形成等电位，可得到负极电位，从而根据负极电位判断出是否发生析锂，且参比极片稳定，可在电芯的全生命周期内使用，实现对锂离子电芯的全生命周期析锂风险监控，而且该锂离子电芯可作为正常电芯装入电池包内，在电池包的全生命周期内进行析锂风险监控，提高了锂离子电池的安全性，同时壳体与参比极片连接还拉高了壳体电位，可预防壳体被腐蚀。
本发明还提供一种析锂检测方法，用于监测上述实施例中的锂离子电芯是否发生析锂，请参图7，一实施例的析锂检测方法包括以下步骤：
S33，对锂电池电芯进行充电，并获取壳体11对负极片15的电位U1，获得负极电位为U0-U1。具体地，可通过万用表测得壳体11对负极片15的电位U1。
S35，根据负极电位U0-U1判定锂离子电芯是否发生析锂。根据负极电位U0-U1判定锂离子电芯是否发生析锂具体包括：判断负极电位U0-U1是否在预设范围内，当负极电位U0-U1在预设范围内时，判定锂离子电芯未发生析锂或析锂极少；当负极电位U0-U1不在预设范围内时，判定锂离子电芯发生析锂，并可发出警报，使用户及时处理，避免严重事故发生。具体地，U0-U1>0时，负极电位U0-U1在预设范围内；U0-U1≤0时，负极电位U0-U1不在预设范围内。
本实施例的析锂检测方法，通过获得负极电位，从而根据负极电位判断出是否发生析锂，实现对锂离子电芯的全生命周期析锂风险监控，提高锂离子电池的安全性。
以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (12)

1.一种锂离子电芯，其特征在于，包括壳体(11)、正极片(13)、负极片(15)和参比极片(17)，所述正极片(13)、所述负极片(15)和所述参比极片(17)均设于所述壳体(11)内，所述正极片(13)和所述负极片(15)卷绕或堆叠形成极芯，所述参比极片(17)设于所述正极片(13)和所述负极片(15)组成的极芯最外侧，且所述参比极片(17)电性连接于所述壳体(11)。
2.如权利要求1所述的锂离子电芯，其特征在于，多个所述正极片(13)和多个所述负极片(15)依次交替间隔堆叠形成极芯，且两个最外侧均设置所述负极片(15)。
3.如权利要求2所述的锂离子电芯，其特征在于，所述正极片(13)的两侧均涂覆有活性物质材料，所述负极片(15)的两侧均涂覆有活性物质材料。
4.如权利要求2所述的锂离子电芯，其特征在于，多个所述正极片(13)连接于同一个正极耳(132)，所述锂离子电芯还包括正极柱(19)，所述正极耳(132)电性连接于所述正极柱(19)，所述正极柱(19)至少部分露出于所述壳体(11)外；多个所述负极片(15)连接于同一个负极耳(152)，所述锂离子电芯还包括负极柱(21)，所述负极耳(152)电性连接于所述负极柱(21)，所述负极柱(21)至少部分露出于所述壳体(11)外；所述参比极片(17)包括参比极耳(172)，所述参比极耳(172)设于所述参比极片(17)的一侧边处，所述参比极耳(172)电性连接到所述壳体(11)。
5.如权利要求1所述的锂离子电芯，其特征在于，所述参比极片(17)朝向相邻的所述负极片(15)的一侧上涂覆有活性物质材料，所述参比极片(17)上涂覆的活性物质材料是磷酸铁锂，所述参比极片(17)的所述活性物质材料内部为铝箔。
6.如权利要求1-5任意一项所述的锂离子电芯，其特征在于，所述参比极片(17)的电压为U0，其中U0为所述参比极片(17)与所述负极片(15)连接形成的参比电池处于电池荷电状态平台区时所述参比电池的电压。
7.一种锂离子电芯制备方法，其特征在于，包括：
提供多个正极片(13)和多个负极片(15)；
将多个所述正极片(13)和多个所述负极片(15)依次交替间隔堆叠形成极芯，且使两个最外侧均设置所述负极片(15)；
提供参比极片(17)，将所述参比极片(17)堆叠于所述正极片(13)和所述负极片(15)组成的极芯的最外侧；
提供壳体(11)、正极柱(19)和负极柱(21)，将所述正极片(13)、所述负极片(15)和所述参比极片(17)均设于所述壳体(11)内，将所述正极片(13)电性连接于所述正极柱(19)，将所述负极片(15)电性连接于所述负极柱(21)，使所述正极柱(19)至少部分露出于所述壳体(11)外，所述负极柱(21)至少部分露出于所述壳体(11)外，以分别作为锂离子电芯的正负极，并将所述参比极片(17)电性连接于所述壳体(11)。
8.如权利要求7所述的锂离子电芯制备方法，其特征在于，所述锂离子电芯制备方法还包括：将所述壳体(11)和所述负极片(15)连接形成参比电池，并对所述参比电池进行小电流充电，并将所述参比电池充电至所述参比电池的电池荷电状态平台区，此时所述参比极片(17)的电压为U0，再断开所述壳体(11)和所述负极片(15)的连接，其中U0为所述参比电池处于平台区时所述参比电池的电压。
9.如权利要求8所述的锂离子电芯制备方法，其特征在于，所述小电流充电的电流为0.05C～0.2C，其中C为所述参比电池的容量；或者，将所述参比电池充电至所述参比电池的电池荷电状态平台区为将所述参比电池充电至电池荷电状态为70％～85％。
10.一种析锂检测方法，用于监测如权利要求6所述的锂离子电池是否析锂，其特征在于，所述析锂检测方法包括：
对所述锂电池电芯进行充电，并获取所述壳体(11)对所述负极片(15)的电位U1，获得负极电位为U0-U1；
根据所述负极电位U0-U1判定所述锂离子电芯是否发生析锂。
11.如权利要求10所述的析锂检测方法，其特征在于，根据所述负极电位U0-U1判定是否所述锂离子电芯是否发生析锂具体包括：判断所述负极电位U0-U1是否在预设范围内；当所述负极电位U0-U1在预设范围内时，判定所述锂离子电芯未发生析锂或析锂极少；当所述负极电位U0-U1不在预设范围内时，判定所述锂离子电芯发生析锂。
12.如权利要求11所述的析锂检测方法，其特征在于，当U0-U1>0时，所述负极电位U0-U1在预设范围内；当U0-U1≤0时，所述负极电位U0-U1不在预设范围内。
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