CN113972411B - 一种用于确定锂电池快充策略的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可用于确定锂电池快充策略的方法。本发明包括脉冲法和三电极法，应用脉冲法，电池在充电过程中进行高脉冲充放电，通过对比电池充放电效率，确定电池体系快充充电制式；应用三电极法确定电池在特定要求下的具体充电制式，根据脉冲法确定的需进行阶梯充电的电池体系，利用三电极监测阶梯充电电流变化过程中负极电位，以避免负极析锂，从而确定安全的阶梯充电具体制式。根据本发明方法，可在一周内进行快速评估和制定体系快充策略。相比之前长达几个月的循环评估，可大幅缩减研发时间。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池快充领域，尤其涉及评估和确定锂离子电池快充策略的方法。
背景技术
锂离子电池自发明至今，已渗透于人类生活的各个方面，诸如交通、电动工具、电子设备、消费类产品以及航空航天等领域。然而，随着生活节奏的加快，电池的充电时间开始成为人们的焦虑。此外，由于快充不当引起的电池析锂极大地影响着电池的安全。因此安全可靠的快充策略是锂电池目前发展所需重点研究的方向。
电池的快充性能不仅受电极材料的影响，而且电池结构等因素同样起着关键作用。从设计到实验验证往往需要长达数月的时间，这极大降低了科研效率，大量方案同时验证也加剧了工作量。目前，主流的快充模式为阶梯充电，但如何确定阶梯过程尚未有明确的方法。因此，如何迅速确定安全可靠的锂电池快充策略，对加快快充研发至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于快速确定快充策略的方法，以便迅速筛选出满足快充条件的材料与结构，从而可以极大缩短电池设计的周期。
为了达到上述目的，本发明涉及一种用于确定锂电池快充策略的方法，所述方法涉及脉冲法和三电极法，具体包括：
所述脉冲法是指电池由空电态即0% SOC，充电至不同荷电状态下进行数次大电流脉冲充放电后，再继续充电至满电态即100%SOC；电池按照相同的电流进行放电，通过对比在不同荷电状态引入大电流脉冲的充放电效率确定电池阶梯充电电流；在脉冲充放电测试中，能够完成完整充放电的最大荷电状态SOC作为快充大电流充电的截止荷电状态SOC，即阶梯充电大电流充电过程应小于该荷电状态SOC；
所述三电极方法指，在包含正极、负极的普通电池中植入锂片作为参比电极，用于监测测试过程中正负极电位的方法；通过三电极方法，确定具体阶梯充电策略，按照上述脉冲法确定的阶梯充电过程电流进行充电至所确定的最大荷电状态SOC后，进行降电流充电，直至负极电位接近0 V，所用时间即为该电池在保证安全和循环性能前提下的最短充电时间。
本发明具有如下有益效果：
根据本发明方法，可在一周内进行快速评估和制定体系快充策略。相比之前长达几个月的循环评估，可大幅缩减研发时间。
附图说明
图1是脉冲法确定电池阶梯充电变电流的流程框图；
图2是以采用石墨5为负极的电池体系的阶梯充电曲线。
具体实施方式
为更清晰地阐述本申请的发明目的、技术方案和技术效益，以下结合具体实施例对本发明进行具体说明。
在发明中所描述的锂离子电池以三元镍钴铝酸锂（NCA）为正极，验证不同石墨负极体系快充能力为例进行说明，但本发明所涉及电池体系不局限于上述体系，除非另外声明，各实施案例的电池均按照下述方法进行测试。
本发明提供了一种用于快速确定快充策略的方法，所述方法包括：
（1）利用脉冲法确定电池阶梯充电变电流方式。
脉冲法是指，在一次充放电循环中（充放电电流0.2C-1C）的充电过程中指定SOC下，进行高充放电脉冲。脉冲充电/放电过程的电流和时间相同。脉冲法确定电池阶梯充电变电流的主要步骤如图1所示。如未指出，本发明中所有循环均在室温条件下完成测试，测试前电池荷电态均为0%SOC。具体实施方式如下：
步骤（1）中脉冲充放电电流范围为2-10C，脉冲充放电时间范围为30 s-3 min，脉冲充放电循环次数为10-400次，脉冲测试指定SOC范围为20-80%。
实施例1
（1） 电池以0.33C充电至20%SOC后进行10次2C充放电3min循环，充电和放电时间均为3 min。随即电池继续以0.33C恒流充电至100% SOC，截止电压4.2V。休眠10min后，电池以0.33C放电至0% SOC，截止电压2.5V。整个包含高充放脉冲的循环效率记为E1。
（2） 电池以0.33C充电至30%SOC后进行10次2C充放电循环，充电和放电时间均为3min。随即电池继续以0.33C恒流充电至100% SOC，截止电压4.2V。休眠10min后，电池以0.33C放电至0% SOC，截止电压2.5V。整个包含高充放脉冲的循环效率记为E2。
（3） 电池以0.33C充电至40%SOC后进行10次2C充放电循环，充电和放电时间均为3min。随即电池继续以0.33C恒流充电至100% SOC，截止电压4.2V。休眠10min后，电池以0.33C放电至0% SOC，截止电压2.5V。整个包含高充放脉冲的循环效率记为E3。
（4） 电池以0.33C充电至50%SOC后进行10次2C充放电循环，充电和放电时间均为3min。随即电池继续以0.33C恒流充电至100% SOC，截止电压4.2V。休眠10min后，电池以0.33C放电至0% SOC，截止电压2.5V。整个包含高充放脉冲的循环效率记为E4。
（5） 电池以0.33C充电至60%SOC后进行10次2C充放电循环，充电和放电时间均为3min。随即电池继续以0.33C恒流充电至100% SOC，截止电压4.2V。休眠10min后，电池以0.33C放电至0% SOC，截止电压2.5V。整个包含高充放脉冲的循环效率记为E5。
（6） 电池以0.33C充电至70%SOC后进行10次2C充放电循环，充电和放电时间均为3min。随即电池继续以0.33C恒流充电至100% SOC，截止电压4.2V。休眠10min后，电池以0.33C放电至0% SOC，截止电压2.5V。整个包含高充放脉冲的循环效率记为E6。
（7） 电池以0.33C充电至80%SOC后进行10次2C充放电循环，充电和放电时间均为3min。随即电池继续以0.33C恒流充电至100% SOC，截止电压4.2V。休眠10min后，电池以0.33C放电至0% SOC，截止电压2.5V。整个包含高充放脉冲的循环效率记为E7。
（8） 若不同SOC态脉冲循环过程效率变化，即E1-E7的值无明显变化，则表明该电池可按照2C电流进行充电至80%SOC后进行变电流充电。
（9） 若不同SOC态脉冲循环过程效率有明显差异，则在效率低的SOC态应选择小于2C的电流进行充电。在效率较高的SOC态应选择大于等于2C的电流进行充电。
（10） 若在某一SOC态下，电池不能够完成含有脉冲充放电的循环，则阶梯充电过程中，以2C充电过程中荷电态应小于此SOC态。
各实施的负极E1-E7测试结果如表1所示。
表1
由表1可知，上述五种体系在2C电流下只可充至70%SOC以下。含石墨1、石墨2和石墨3的电池体系库伦效率随SOC升高而增大，故此三种体系适合在20-40%SOC阶段采用≤2C的电流进行充电，40-60%SOC采用≥2C电流进行充电。含石墨4、石墨5的电池体系库伦效率随SOC升高变化不明显，故此两种体系适用于20%-70%SOC阶段采用≥2C的电流进行充电。
（2）利用三电极方法确定阶梯充电具体制式。
步骤（2）中阶梯充电包括大电流充电过程和阶梯降电流充电过程。其中大电流充电电流范围为0-10C，阶梯降电流充电过程中电流每次减少0.001C-0.1C，充电范围为0%SOC-100%SOC。
具体步骤如下：
（1）三电极制作步骤：在干燥度一定的条件下，使用刀片刮掉绝缘铜丝外部的绝缘漆，并用锂片将裸露的铜丝部分进行包裹，反复碾压以保证锂片与铜丝的贴合，作为参比电极使用。在正负极之间放置两层隔膜，并将制备好的参比电极置于两层隔膜之间。注液封装后，电池进行化成备用。
（2）利用引入的参比电极实时监控充电过程中的正负极电位，按照脉冲法确定的阶梯充电过程的电流进行充电至所确定的最大SOC后，开始降电流充电。以上一步最大电流为基准，以电流每次减少0.001C的方式进行充电至100%SOC，并记录电压和SOC变化，同时保证负极电位大于0 V。根据全电池电压升高和SOC的增长，选取相应的电流作为阶梯充电降电流阶段的充电电流值。电池充满所用时间即为该电池在保证电池不析锂前提下的最短充电时间。
附图2所示为以采用石墨5为负极的电池体系的阶梯充电曲线。根据脉冲法结果，电池在0-50%SOC范围采用2.2C电流进行充电，大于50%SOC范围采用降电流模式进行充电。如图2所示，电池从0%SOC充至80%SOC总时间为30min。
因此，本领域技术人员可以根据上述方法进行快速评估和制定体系快充策略，可大幅缩减研发时间。
Claims (2)
1.一种用于确定锂电池快充策略的方法，其特征是，首先利用脉冲法用以判断电池体系是否需要进行阶梯充电，然后利用三电极法用于确定阶梯充电具体制式；
所述的脉冲法是在一次充放电循环中的充电过程中指定SOC下，进行高充放电脉冲；充放电循环电流为0.2C-1C，脉冲充放电电流范围为2-10C，脉冲充放电时间范围为30 s-3min，脉冲充放电循环次数为10-400次，脉冲测试指定SOC范围为20-80%；根据SOC从小到大的顺序，比较与之相对应的电池循环效率，从而确定体系是否需要进行阶梯充放电；若电池循环效率不随SOC的变化而变化，则表明该体系无需进行阶梯充放电；若电池循环效率随SOC发生变化，则表明该体系需进行阶梯充放电；
三电极法其制作过程包括：在干燥的环境下，使用刀片刮掉绝缘铜丝外部的绝缘漆，并用锂片将裸露的铜丝部分进行包裹，反复碾压以保证锂片与铜丝的贴合，作为参比电极使用，在正负极之间放置两层隔膜，并将制备好的参比电极置于两层隔膜之间，注液封装后，电池进行化成备用；
所述的三电极法确定阶梯充电具体制式，利用引入的参比电极实时监控充电过程中的正负极电位，按照脉冲法确定的阶梯充电过程的电流进行充电至所确定的最大SOC后，开始降电流充电，以上一步最大电流为基准，以电流每次减少0.001C的方式进行充电至100%SOC，并记录电压和SOC变化，同时保证负极电位大于0 V，根据全电池电压升高和SOC的增长，选取相应的电流作为阶梯充电降电流阶段的充电电流值。
2. 根据权利要求1所述的用于确定锂电池快充策略的方法，其特征是，干燥环境为室温条件下，露点范围-30~-50 ℃；锂片厚度：50-200 μm；铜丝直径：100-400 μm。
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