CN114062929A - 锂电池膨胀空间的设计方法和设计锂电池膨胀空间的设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锂电池膨胀空间的设计方法和设计锂电池膨胀空间的设备。该设计方法包括：建立压力和吸液极限值的测定模型；在恒定温度下，利用恒压装置对锂离子电池施加特定压力，并在设定的充放电倍率下采用充放电装置对锂离子电池进行充放电，测定特定压力对应的吸收电解液的吸液极限值；调节恒压装置的设定压力重复测试，并绘制压力和吸液极限值的第一对应关系曲线；在恒定温度下，在设定的充放电倍率下采用充放电装置对锂离子电池进行充放电，采用原位膨胀测试仪测定电芯厚度和所受压力，得到不同的膨胀率和压力的第二对应关系曲线；根据第一对应关系曲线和第二对应关系曲线，计算不同吸液极限值对应的膨胀率。用于指导电池预留膨胀空间。

Description

锂电池膨胀空间的设计方法和设计锂电池膨胀空间的设备

技术领域

本发明涉及锂电池设计技术领域，具体而言，涉及一种锂电池膨胀空间的设计方法和设计锂电池膨胀空间的设备。

背景技术

地球化石能源的日益消耗以及因此造成的环境问题为人类敲响了能源应用的警钟，一方面必须开发和利用可再生能源，减少对单一的化石能源的依赖，另一方面要对化石能源消耗产生的有害物质进行控制与无害化处理。针对这些问题，用电能替换现有的化石能源驱动汽车，即发展动力电池汽车成为各国努力的方向之一。根据电动汽车的不断推广，人们对电动车的要求越来越高，如何充分评估电池使用过程中的性能，对电池使用具有重要的意义。由于电池使用过程中各种反应导致电池膨胀，而电池在使用时组装是限位的，电池膨胀后会产生压力，过大的压力会影响电池的吸液性，直接导致电池出现析锂等副反应，影响电池性能。因此，在电池设计时，需要为电池膨胀预留空间以避免电池膨胀后吸液能力不足导致电池提前跳水，影响其循环性能。

目前，现有技术只能检测电池膨胀和电池压力，此对应关系还无法对锂电池膨胀空间设计起到指导作用，进而不能避免由于电池膨胀导致循环性能不足的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种锂电池膨胀空间的设计方法和设计锂电池膨胀空间的设备，以解决现有技术中无法控制因电池膨胀导致循环性能不足的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种锂电池膨胀空间的设计方法，包括：

步骤S1，建立压力和吸液极限值的测定模型，测定模型包括充放电装置、锂离子电池、恒压装置和储液容器，锂离子电池的电解液通过输送管与储液容器密封连通，锂离子电池置于恒压装置中；

步骤S2，将锂离子电池放电至0％SOC，在恒定温度下，利用恒压装置对锂离子电池施加特定压力，并在设定的充放电倍率下采用充放电装置对锂离子电池进行充放电，测定特定压力对应的锂离子电池吸收电解液的吸液极限值；

步骤S3，重复步骤S2，调节恒压装置的设定压力，测定不同压力对应的吸液极限值，并绘制压力和吸液极限值的第一对应关系曲线；

步骤S4，建立压力和电池膨胀空间的第二测定模型，第二测定模型包括充放电装置、锂离子电池和原位膨胀测试仪，在充放电过程中利用原位膨胀测试仪检测锂离子电池的电芯厚度和所受压力；

步骤S5，将锂离子电池放电至0％SOC，在恒定温度下，在设定的充放电倍率下采用充放电装置对锂离子电池进行充放电，采用原位膨胀测试仪测定锂离子电池的电芯厚度和所受压力，根据电芯厚度变化计算对应压力下的膨胀率，得到膨胀率和压力的第二对应关系曲线；

步骤S6，根据第一对应关系曲线和第二对应关系曲线，计算不同吸液极限值对应的膨胀率。

进一步地，上述第一测定模型的锂离子电池的顶部具有开孔，输送管的一端穿过开孔与锂离子电池的电解液接触，输送管的末端位于锂离子电池的电解液的底部，储液容器置于天平上。

进一步地，上述储液容器的内壁和输送管的内壁均为耐腐蚀内壁。

进一步地，上述步骤S2包括：在恒定的温度下，对锂离子电池施加特定压力，并在设定的充放电倍率下对锂离子电池进行充放电，记录充放电时天平的最大数值和最小数值，最大数值和最小数值的差值即为吸液极限值。

进一步地，上述充放电循环进行1～5次，吸液极限值为各次循环充放电的吸液极限值的平均值。

进一步地，上述特定压力为100N～20000N。

进一步地，上述恒定温度为0℃～60℃。

根据本发明的另一方面，提供了一种设计锂电池膨胀空间的设备，包括：

压力和吸液极限值的第一测定模型，第一测定模型包括充放电装置、锂离子电池、恒压装置和储液容器，锂离子电池的电解液通过输送管与储液容器密封连通，锂离子电池置于恒压装置中，充放电装置与锂离子电池电连接，第一测定模型用于测定不同压力对应的吸液极限值，并绘制压力和吸液极限值的第一对应关系曲线；

压力和电池膨胀空间的第二测定模型，第二测定模型包括充放电装置、锂离子电池、原位膨胀测试仪，第二测定模型用于监测充放电过程中锂离子电池的电芯厚度和所受压力，根据电芯厚度变化计算对应压力下的膨胀率，并绘制膨胀率和压力的第二对应关系曲线；

数据处理系统，接收第一测定模型的第一对应关系曲线和第二测定模型的第二对应关系曲线，并根据第一对应关系曲线和第二对应关系曲线计算不同吸液极限值对应的膨胀率。

进一步地，上述锂离子电池的顶部具有开孔，上述输送管的一端穿过开孔与锂离子电池的电解液接触，输送管的末端位于锂离子电池的电解液的底部，储液容器置于天平上。

进一步地，上述储液容器的内壁和输送管的内壁均为耐腐蚀内壁。

本申请利用自行建立的压力和吸液极限值的测定模型，通过充放电过程测定特定压力对应的锂离子电池吸收电解液的吸液极限值，进而测定一系列压力下对应的吸液极限值，并根据压力和吸液极限值建立第一对应关系曲线。利用第二测定模型建立膨胀率和压力的第二对应关系曲线，利用第一对应关系曲线和第二对应关系曲线即可得到不同吸液极限值对应的电池膨胀率。根据第一关系曲线可以看出不同的吸液极限值对应的压力，而吸液能力则与电池的电性能直接相关，因此，本领域技术人员可以根据所需的电性能规划吸液极限值，进而根据该吸液极限值预留电池膨胀空间，避免因膨胀空间不足导致电性能受到影响。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例1的压力和吸液极限值的测定模型示意图；以及

图2示出了根据本发明的实施例1的压力和吸液极限值的第一对应关系曲线；

图3示出了根据本发明的实施例1的膨胀率和压力的第二对应关系曲线。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、充放电测装置；2、锂离子电池；3、储液容器；4、输送管；5、恒压装置；6、电解液；7、电子天平；8、电脑。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中只能检测电池膨胀和电池压力，此对应关系还无法对锂电池膨胀空间设计起到指导作用，进而不能避免由于电池膨胀导致循环性能不足的问题。本发明针对上述问题进行研究，提出一种锂电池膨胀空间的设计方法和设计锂电池膨胀空间的设备。

在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种锂电池膨胀空间的设计方法，该设计方法包括以下步骤：

步骤S1，建立压力和吸液极限值的第一测定模型，该第一测定模型包括充放电装置、锂离子电池、恒压装置和储液容器，其中锂离子电池的电解液通过输送管与储液容器密封连通，锂离子电池置于恒压装置中；

步骤S2，将锂离子电池放电至0％SOC，在恒定温度下，利用恒压装置对锂离子电池施加特定压力，并在设定的充放电倍率下采用充放电装置对锂离子电池进行充放电，测定特定压力对应的锂离子电池吸收电解液的吸液极限值；

步骤S3，重复步骤S2，调节恒压装置的设定压力，测定不同压力对应的吸液极限值，并绘制压力和吸液极限值的第一对应关系曲线；

步骤S4，建立压力和电池膨胀空间的第二测定模型，第二测定模型包括充放电装置、锂离子电池、和原位膨胀测试仪，在充放电过程中利用原位膨胀测试仪检测锂离子电池的电芯厚度和所受压力；

步骤S5，将锂离子电池放电至0％SOC，在恒定温度下，在设定的充放电倍率下采用充放电装置对锂离子电池进行充放电，采用原位膨胀测试仪测定锂离子电池的电芯厚度和所受压力，根据电芯厚度变化计算对应压力下的膨胀率，得到膨胀率和压力的第二对应关系曲线；

步骤S6，根据第一对应关系曲线和第二对应关系曲线，计算不同吸液极限值对应的膨胀空间。

本申请利用自行建立的压力和吸液极限值的测定模型，通过充放电过程测定特定压力对应的锂离子电池吸收电解液的吸液极限值，进而测定一系列压力下对应的吸液极限值，并根据压力和吸液极限值建立第一对应关系曲线。同时，利用第二测定模型建立膨胀率和压力的第二对应关系曲线，利用第一对应关系曲线和第二对应关系曲线即可得到不同吸液极限值对应的电池膨胀率。根据第一关系曲线可以看出不同的吸液极限值对应的压力，而吸液能力则与电池的电性能直接相关，因此，本领域技术人员可以根据所需的电性能规划吸液极限值，进而根据该吸液极限值预留电池膨胀空间，避免因膨胀空间不足导致电性能受到影响。

各压力对应的膨胀率为膨胀后的电芯厚度和原始电芯厚度的差值相对于原始电芯厚度的百分比。上述原位膨胀测试仪为目前现行用于测试电芯厚度、压力的常用设备，比如原位测试仪SWE2110。

为了尽可能模拟锂离子电池的正常充放电状态，在一些实施例中，上述第一测定模型的锂离子电池的顶部具有开孔，输送管一端通过该开孔与锂离子电池的内的电解液接触，开孔与输送管之间的连接处进行密封，防止漏液；输送管的末端伸入锂离子电池的的电解液底部，将储液容器置于天平上。

由于电解液具有很强的腐蚀性，为了延长储液容器和输送管的使用寿命，优选储液容器的内壁和输送管的内壁均为耐腐蚀内壁，例如丁基橡胶、氟胶橡胶、铝塑复合材料形成的内壁。

在一些实施例中，上述步骤S2包括：在恒定的温度下，对锂离子电池施加特定压力，并在设定的充放电倍率下对锂离子电池进行充放电，记录充放电时天平的最大数值和最小数值，最大数值和最小数值的差值即为吸液极限值。上述步骤S2的操作简单，误差测试结果准确。在一些实施例中，为了减小单次误差，充放电循环1～5次，吸液极限值为各次循环充放电的吸液极限值的平均值。在一些实施例中，放电倍率为0.1C～10C内的任一固定倍率。

为避免温度变化对电池吸液能力产生影响，测试不同压力吸液极限值时，维持恒定的温度，一般在0℃～60℃范围内任意指定，例如10℃、25℃、45℃。

且优选测试第一对应关系曲线和相同主体材料的电池的第二对应关系曲线时应为相同的温度。

对锂离子电池施加的特定压力往往与电池的规格、容量、尺寸、材料等因素有关，一般为100N～20000N，如果电池尺寸增大则压力对应发生变化。即尺寸越大的电池，所能承受的压力越大，以目前常规尺寸的电池来测算，上述压力范围足以达到电池所能承受的常规压力范围，换算为压强后，基本在6MPa以下。

在一些实施例中，上述步骤S3中，绘制第一对应关系曲线时可以压力为横坐标，吸液量为纵坐标作图，可以通过曲线分析不同压力对应的极限吸液量的变化趋势。当吸液量为0或趋于平衡不变接近0时，对应的压力为影响电池性能的极限压力。

在本申请另一种典型的实施方式中，还提供了一种设计锂电池膨胀空间的设备，该设备包括：压力和吸液极限值的第一测定模型、压力和电池膨胀空间的第二测定模型和数据处理系统，第一测定模型包括充放电装置、锂离子电池、恒压装置和储液容器，锂离子电池的电解液通过输送管与储液容器密封连通，锂离子电池置于恒压装置中，充放电装置与锂离子电池电连接，第一测定模型用于测定不同压力对应的吸液极限值，并绘制压力和吸液极限值的第一对应关系曲线；压力和电池膨胀空间的第二测定模型，第二测定模型包括充放电装置、锂离子电池、原位膨胀测试仪，第二测定模型用于监测充放电过程中锂离子电池的的电芯厚度和所受压力，根据电芯厚度变化计算对应压力下的膨胀率，并绘制膨胀率和压力的第二对应关系曲线；数据处理系统接收第一测定模型的第一对应关系曲线和第二测定模型的第二对应关系曲线，并根据第一对应关系曲线和第二对应关系曲线计算不同吸液极限值对应的膨胀率。

本申请利用自行建立的压力和吸液极限值的第一测定模型，通过充放电过程测定特定压力对应的锂离子电池吸收电解液的吸液极限值，进而测定一系列压力下对应的吸液极限值，并根据压力和吸液极限值建立第一对应关系曲线。同时，利用第二测定模型建立膨胀率和压力的第二对应关系曲线，利用数据处理系统处理第一对应关系曲线和第二对应关系曲线，即可得到不同吸液极限值对应的电池膨胀率。根据第一关系曲线可以看出不同的吸液极限值对应的压力，而吸液能力则与电池的电性能直接相关，因此，本领域技术人员可以根据所需的电性能规划吸液极限值，进而根据该吸液极限值预留电池膨胀空间，避免因膨胀空间不足导致电性能受到影响。

在本申请一些实施例中，为了尽可能模拟锂离子电池的正常充放电状态，压力和吸液极限值的测定模型中，锂离子电池的顶部具有开孔，输送管的一端穿过开孔与锂离子电池的电解液接触，输送管的末端位于锂离子电池的电解液的底部，储液容器置于天平上。为了检测电池的吸液量，可以将储液容器放在天平上，优选高精度电子天平，一方面提高对电解液重量的检测精度，另一方面，还可以将其与电脑连接，便于实时监测重量变化。当然，其他检测电池吸液量的装置也可以采用，比如在储液容器上设置刻度，通过电子或者人工的方式监测储液容器中电解液的体积变化。

利用上述压力和吸液极限值的测定模型测定时，在恒定的温度下，对锂离子电池施加特定压力，并在设定的充放电倍率下对锂离子电池进行充放电，记录充放电时天平的最大数值和最小数值，最大数值和最小数值的差值即为吸液极限值。上述操作简单，误差测试结果准确。在一些实施例中，放电倍率为0.1C～10C内的任一固定倍率。

另外，由于电解液具有腐蚀性，储液容器和输送管的内壁为耐腐蚀内壁，例如丁基橡胶、氟胶橡胶、铝塑复合材料形成的内壁。

下面将结合实施例进一步说明本发明提供的滤光片及其制备方法。

实施例1

对编号为IP6011676的锂离子电池按照如下方式建立第一对应关系曲线：

采用如附图1所示的建立压力和吸液极限值的测定模型来测定不同压力下电池的吸液能力。该测定模型包括充放电测试仪1、锂离子电池2、储液容器3，其中储液容器3为耐腐蚀容器，锂离子电池2已放电至0％SOC，并在电池顶部打孔，密封的与输送管4连接，将锂离子电池2内部注满电解液。充放电测试装置1与锂离子电池2通过导线连接，锂离子电池2通过输送管4与储液容器3连接，输送管4为耐腐蚀管，并伸入电解液底部。将锂离子电池2放置在恒压装置5内，恒压测试机可以对测试电池施加固定压力。电解液输送管4内装有电解液6，储液容器3装入适量电解液6，置于高精度的电子天平7上，并归零电子天平。充放电测试装置1和电子天平7均与电脑8相连，用电脑实时监测充电数据和电解液重量变化。

在30℃下，对电池施加固定压力F，在1C充放电倍率下对电池进行充放电，同时检测天平重量变化，电池测试循环1～5次，电池每周循环质量最大值与最小值差为该次循环的吸液量，取平均值，该值为该压力下电池的吸液量(M)。

分别测试不同压力F1、F2、F3、F4…，并计算对应的吸液量M1、M2、M3、M4……，并以压力为横坐标，吸液量为纵坐标作图，当吸液量为0或趋于平衡不变接近0时，对应的压力为影响电池性能的极限压力。图2为评估上述电池压力影响测试结果绘制的第一对应关系曲线，针对该款电池体系，电池厚度方向受到14000N压力时，达到电池极限值。

对编号为IP6011676的锂离子电池按照如下方式建立第二对应关系曲线：

在30℃下，利用充放电装置在1C充放电倍率下对锂离子电池进行充放电，在充放电过程中利用原位膨胀测试仪检测锂离子电池的电芯厚度和所受压力，据电芯厚度变化计算对应压力下的膨胀率，根据所检测的膨胀率和和压力，建立相应的第二对应关系曲线，图3为该锂离子电池在不同压力下充电电池厚度膨胀情况，即第二关系曲线。

从图3中可以看出当压力超过14000N时，电池的膨胀率为11％，且趋于不变，说明该电池的极限膨胀空间应为电池体积的11％。这与图2中得到的当压力在14000N时，达到吸液量极限值对应，进而说明通过吸液量的多少来设计电池膨胀空间的合理性。比如，当根据电池性能要求，选择吸液量为8g时，对应的压力大概为4800N，此时膨胀率为22.5％左右，预留膨胀空间以容纳22.5％的膨胀率为准即可。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本申请利用自行建立的压力和吸液极限值的测定模型，通过充放电过程测定特定压力对应的锂离子电池吸收电解液的吸液极限值，进而测定一系列压力下对应的吸液极限值，并根据压力和吸液极限值建立第一对应关系曲线。同时，利用第二测定模型建立膨胀率和压力的第二对应关系曲线，利用第一对应关系曲线和第二对应关系曲线即可得到不同吸液极限值对应的电池膨胀率。根据第一关系曲线可以看出不同的吸液极限值对应的压力，而吸液能力则与电池的电性能直接相关，因此，本领域技术人员可以根据所需的电性能规划吸液极限值，进而根据该吸液极限值预留电池膨胀空间，避免因膨胀空间不足导致电性能受到影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂电池膨胀空间的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：

步骤S1，建立压力和吸液极限值的第一测定模型，所述第一测定模型包括充放电装置、锂离子电池、恒压装置和储液容器，所述锂离子电池的电解液通过输送管与所述储液容器密封连通，所述锂离子电池置于所述恒压装置中；

步骤S2，将所述锂离子电池放电至0％SOC，在恒定温度下，利用所述恒压装置对所述锂离子电池施加特定压力，并在设定的充放电倍率下采用所述充放电装置对所述锂离子电池进行充放电，测定所述特定压力对应的所述锂离子电池吸收电解液的吸液极限值；

步骤S3，重复所述步骤S2，调节所述恒压装置的设定压力，测定不同压力对应的吸液极限值，并绘制所述压力和所述吸液极限值的第一对应关系曲线；

步骤S4，建立压力和电池膨胀空间的第二测定模型，所述第二测定模型包括所述充放电装置、所述锂离子电池和原位膨胀测试仪，在充放电过程中利用所述原位膨胀测试仪检测所述锂离子电池的电芯厚度和所受压力；

步骤S5，将所述锂离子电池放电至0％SOC，在恒定温度下，在设定的充放电倍率下采用所述充放电装置对所述锂离子电池进行充放电，采用所述原位膨胀测试仪测定所述锂离子电池的电芯厚度和所受压力，根据所述电芯厚度变化计算对应压力下的膨胀率，得到膨胀率和压力的第二对应关系曲线，

步骤S6，根据所述第一对应关系曲线和第二对应关系曲线，计算不同吸液极限值对应的膨胀率。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述第一测定模型的锂离子电池的顶部具有开孔，所述输送管的一端穿过所述开孔与所述锂离子电池的电解液接触，所述输送管的末端位于所述锂离子电池的电解液的底部，所述储液容器置于天平上。

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述储液容器的内壁和所述输送管的内壁均为耐腐蚀内壁。

4.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

在所述恒定的温度下，对所述锂离子电池施加特定压力，并在设定的充放电倍率下对所述锂离子电池进行充放电，记录充放电时所述天平的最大数值和最小数值，所述最大数值和所述最小数值的差值即为所述吸液极限值。

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述充放电循环进行1～5次，所述吸液极限值为各次循环充放电的吸液极限值的平均值。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述特定压力为100N～20000N。

7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述恒定温度为0℃～60℃。

8.一种设计锂电池膨胀空间的设备，其特征在于，所述设备包括：

压力和吸液极限值的第一测定模型，所述第一测定模型包括充放电装置、锂离子电池、恒压装置和储液容器，所述锂离子电池的电解液通过输送管与所述储液容器密封连通，所述锂离子电池置于所述恒压装置中，所述充放电装置与所述锂离子电池电连接，所述第一测定模型用于测定不同压力对应的吸液极限值，并绘制所述压力和所述吸液极限值的第一对应关系曲线；

压力和电池膨胀空间的第二测定模型，所述第二测定模型包括所述充放电装置、锂离子电池、原位膨胀测试仪，所述第二测定模型用于监测充放电过程中所述锂离子电池的电芯厚度和所受压力，根据所述电芯厚度变化计算对应压力下的膨胀率，并绘制所述膨胀率和压力的第二对应关系曲线；

数据处理系统，接收所述第一测定模型的所述第一对应关系曲线和所述第二测定模型的第二对应关系曲线，并根据所述第一对应关系曲线和第二对应关系曲线计算不同吸液极限值对应的膨胀率。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述锂离子电池的顶部具有开孔，所述输送管的一端穿过所述开孔与所述锂离子电池的电解液接触，所述输送管的末端位于所述锂离子电池的电解液的底部，所述储液容器置于天平上。

10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述储液容器的内壁和所述输送管的内壁均为耐腐蚀内壁。

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