CN114062955A - 一种锂离子电池循环寿命的快速预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池循环寿命的快速预测方法。该方法基于锂离子电池循环过程中负极片厚度的增长率对放电容量保持率的影响，通过短期循环中实测数据的拟合计算预测锂离子电池循环寿命，与纯理论计算模型或经验模型相比，与实际测试结果的一致性更好，更具有普遍适用性。

Description

一种锂离子电池循环寿命的快速预测方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池循环寿命的预测技术领域，具体涉及一种锂离子电池循环寿命的快速预测方法。

背景技术

锂离子电池因为具有质量轻，能量密度高、循环寿命长等优点，在当前生产生活中应用十分广泛，然而，现有的检测手段对锂离子电池循环寿命评估的周期非常漫长，有的长达数年，这使得研究和评价过程耗时很长，全寿命周期的测试数据严重匮乏。

现有的锂离子电池循环寿命的检测方法主要有：

全循环寿命周期测试，即采用常规充放电方式进行充放电循环，将电池剩余容量到达循环寿命终止定义的放电容量时，对应的锂离子电池循环次数记为该充放电模式下的锂离子电池循环寿命。例如，当锂离子电池放电容量为初始放电容量的80％时，循环次数为5000次，那么该电池剩余容量为80％时的循环寿命是5000次，此种检测方法准确，但是测试周期过长，这不仅造成了很大的设备和能源消耗，还会严重阻碍锂离子电池新产品的开发和应用进程为此，研究者们在锂离子电池寿命预测技术领域做了大量研究，例如公开号为CN106324524A的专利报道了利用循环后电池的电解液差量法进行拟合计算，对电池的循环寿命进行预测；公开号CN112782603A的专利报道了一种基于区间截尾数据的锂离子电池循环寿命分布拟合方法。这些已报道的循环寿命预测方法都有其本身的局限性，第一种方法中电解液烘干称重的差量法误差较大，容易导致循环寿命预测模型偏差大，第二种方法基于Weibull分布和反高斯分布进行仿真来预测锂离子电池循环寿命，计算相当复杂。因此，如果能在短时间内获取与锂离子电池循环寿命的相关数据将大大缩短新产品的开发时间。

基于数据推动的锂离子电池循环寿命预测方法，通常是对锂离子电池进行充放电循环，在基于一定充放电循环数据的基础上，做出放电容量保持率与循环次数的关系曲线，通过数据拟合可以得到循环寿命简易模型，进而得到循环寿命。通过曲线拟合外推得到的锂离子电池全寿命周期内容量随循环次数的变化曲线，这种方法简单快捷，但是预测值往往与实测值偏差较大。

为推动现有锂离子电池循环寿命预测的技术快速发展，需要提供一种新的快速检测锂离子电池循环寿命的方法。

发明内容

本发明针对现有技术中循环寿命评测周期长、模型复杂、寿命预测值与实测值偏差大的缺点，提供了一种锂离子电池循环寿命的快速预测方法，循环寿命评测周期短，极大降低了测试成本和资源浪费。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种锂离子电池循环寿命的快速预测方法，包括以下步骤：

1)将待评价的电池进行不同循环次数的循环测试，并且记录未循环及不同循环次数下对应的放电容量、负极片平均厚度；

2)根据放电容量以及负极片平均厚度，计算相应的容量保持率与负极厚度增长率；

3)以不同循环次数下的容量保持率与负极片厚度增长率为参数，进行线性拟合；以循环次数与负极片厚度增长率为参数，进行线性拟合；得到两个线性方程式，然后代入容量保持率，得到相应的电池循环次数。

计算锂离子电池寿命终止时(放电容量保持率80％、70％、60％等等)对应的锂离子电池循环次数。

其中，所述容量保持率等于放电容量除以初始放电容量，所述初始放电容量是指未循环时的放电容量。

其中，所述负极厚度增长率等于所述负极片平均厚度的增长量与初始负极片平均厚度的比值；所述初始负极片平均厚度是指未循环时的负极片平均厚度。

在某些具体实施方式中，负极片平均厚度的测量需要将经过循环的新鲜电池和经过不同循环次数后的电池拆解，待负极片表面电解液挥发后，分别多点测量负极片厚度，利用厚度差减法计算负极片在厚度方向上循环后的负极厚度反弹增长率。

作为优选，步骤1)中所述的循环测试的循环次数为10-500次，结束循环后的电池为空电状态。

作为优选，步骤1)中所述的循环测试的循环次数为100、200、300、400、500次。

作为优选，步骤1)所述负极片平均厚度为负极片表面电解液挥发后，负极片多点厚度的平均值。

作为优选，步骤1)所述负极片平均厚度为负极片表面电解液挥发后，负极片十点以上厚度的平均值。

在某些具体的电池中，容量保持率与负极片厚度增长率的线性拟合曲线为：

y＝-0.0806x+0.0818；

对循环次数与负极片厚度增长率的线性拟合曲线为：

y＝1×10^-5z-8×10^-5；

其中x表示放电容量保持率，y表示负极片厚度增长率，z表示锂离子电池循环次数。

在某些具体的电池中，容量保持率与负极片厚度增长率的线性拟合曲线为：

y＝-0.1238x+0.1268；

对循环次数与负极片厚度增长率的线性拟合曲线为：

y＝2×10^-5z+0.002；

其中x表示放电容量保持率，y表示负极片厚度增长率，z表示锂离子电池循环次数。

由上述技术方案可知，本发明方法不需要昂贵精密的测试设备和进行复杂的理论计算，经过短期的循环测试即可快速地预测锂离子电池循环寿命，极大地降低了常规测试所产生的时间和资源浪费。本发明基于锂离子电池循环过程中负极片厚度的增长率对放电容量保持率的影响，通过短期循环中实测数据的拟合计算预测锂离子电池循环寿命，与纯理论计算模型或经验模型相比，与实际测试结果的一致性更好，更具有普遍适用性。

附图说明

图1是实施例1利用本发明进行500次循环测试中负极片厚度增长率与容量保持率拟合关系图；

图2是实施例1利用本发明进行500次循环测试中负极片厚度增长率与循环次数拟合关系图；

图3是实施例1利用循环次数和容量保持率进行500次循环测试的拟合关系图；

图4是实施例2利用本发明进行500次循环测试中负极片厚度增长率与容量保持率拟合关系图；

图5是实施例2利用本发明进行500次循环测试中负极片厚度增长率与循环次数拟合关系图；

图6是实施例2利用循环次数和容量保持率进行500次循环测试的拟合关系图。

具体实施方式

以下将通过实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本申请中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备，均来自市售产品。本申请中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。

本申请还存在其它多种可实施的技术方案，在此不做一一列举，本申请权利要求中要求保护的技术方案都是可以实施的。

“包含”或“包括”旨在表示组合物(例如介质)和方法包括所列举的要素，但不排除其他要素。当用于定义组合物和方法时，“基本上由……组成”意味着排除对于所述目的的组合具有任何重要意义的其他要素。因此，基本上由本文定义的元素组成的组合物不排除不会实质上影响要求保护的本申请的基本和新颖特征的其他材料或步骤。“由……组成”是指排除其他组成部分的微量元素和实质性的方法步骤。由这些过渡术语中的每一个定义的实施方案都在本申请的范围内。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

实施例1

一种锂离子电池循环寿命的快速预测方法，具体包括以下步骤：

S1：将待评价的锂离子电池置于一定测试条件下，进行不同循环次数的充放电循环测试，记录不同循环次数对应的放电容量保持率，停止循环测试后的电池处于空电状态；

S2：将未经过充放电循环的新鲜电池进行拆解，并将极片铺开，在露点房内将极片表面的电解液挥发去除，平行测量10张负极片的厚度，求平均值；

S3：将经过不同循环次数后的电池进行拆解，并将极片铺开，在露点房内将极片表面电解液挥发，直至电解液挥发去除，每颗电池平行测量10张负极片的厚度，求平均值。利用厚度差减法分别计算电池在不同循环次数后厚度增长率；该负极片厚度增长率指电池在循环前后厚度方向的增加与新鲜电池中负极片厚度的比率。

S4：根据循环次数、容量保持率及负极片厚度增长率的测试数据进行拟合计算，对电池的循环寿命进行预测。

所述拟合计算的方法，具体包括以下步骤：

S41：根据负极片厚度增长率以及对应的容量保持率进行线性拟合，可以得到线性函数关系式：y＝-0.0806x+0.0818，其中x表示放电容量保持率，y表示负极片厚度增长率；

S42：根据锂离子电池循环次数和对应的负极片厚度变化率进行拟合可以得出线性函数关系式：y＝1E-05z-8E-05，其中z为锂离子电池循环次数，y为负极片厚度增长率；

本实施例以锂离子电池电芯型号为125Ah方形电池为例，未经过充放电循环的新鲜电池对应的负极片厚度均值为137.65mm，充放电循环测试条件为：在25±2℃下，以1C倍率进行充放电循环测试，充放电模式为恒流恒压充电-静置-恒流放电，充电截止电压为3.65V，截止电流为0.05C，放电截止电压为2.5V，静置时间为30min。

选取6只同批次锂离子电池分别循环0次、100次、200次、300次、400次、500次，记录相应的容量保持率，然后将这些电池进行拆解，待极片表面电解液挥发掉，分别记录不同循环次数后的负极片厚度，计算不同循环次数后的负极片厚度增长率，为了更直观说明循环次数、容量保持率、负极片厚度增长率之间的关系，本例测试数据详情如下表1所示。

表1本例测试数据详情

根据表1所列的0-500次循环时的电池循环次数、容量保持率、负极片厚度增长率的数据，可以对这些短期数据拟合计算并预测长期循环寿命。首先，以放电容量保持率为X轴，负极片厚度增长率为Y轴可以拟合出线性关系式y＝-0.0806x+0.0818，如图1所示，其中x表示放电容量保持率，y表示负极片厚度增长率；根据此关系式可以计算出锂离子电池放电容量保持率为80％时对应的负极片厚度增长率为1.73％；其次，以电池循环次数为X轴，负极片厚度增长率为Y轴做线性拟合可以得出线性关系式：y＝1E-05z-8E-05，其中z为锂离子电池循环次数，y为负极片厚度增长率，如图2所示，将上一步得到的负极片厚度增长率数值1.73％代入此关系式，可计算得出锂离子电池放电容量保持率衰减至80％时循环次数为1740，实际测试中该批次电池容量衰减至80％时循环次数为1821次，相对误差约为4.6％。若将容量保持率与循环次数直接进行拟合，则会得到图3所示的拟合方程，将电池容量代入则可得到循环次数，当电池容量衰减至80％时循环次数为1118次，相对误差约为38.6％，可见本发明方法对锂离子电池循环寿命预测结果较为准确。

实施例2

一种锂离子电池循环寿命的快速预测方法，具体包括以下步骤：

S1：将待评价的锂离子电池置于一定测试条件下，进行不同循环次数的充放电循环测试，记录不同循环次数对应的放电容量保持率，停止循环测试后的电池处于空电状态；

S2：将未经过充放电循环的新鲜电池进行拆解，并将极片铺开，在露点房内将极片表面的电解液挥发去除，平行测量10张负极片的厚度，求平均值；

S3：将经过不同循环次数后的电池进行拆解，并将极片铺开，在露点房内将极片表面电解液挥发，直至电解液挥发去除，每颗电池平行测量10张负极片的厚度，求平均值。利用厚度差减法分别计算电池在不同循环次数后厚度增长率；该负极片厚度增长率指电池在循环前后厚度方向的增加与新鲜电池中负极片厚度的比率。

S4：根据循环次数、容量保持率及负极片厚度增长率的测试数据进行拟合计算，对电池的循环寿命进行预测。

所述拟合计算的方法，具体包括以下步骤：

S41：根据负极片厚度增长率以及对应的容量保持率进行线性拟合，可以得到函数关系式：y＝-0.1238x+0.1268，其中x表示放电容量保持率，y表示负极片厚度增长率；

S42：根据锂离子电池循环次数和对应的负极片厚度变化率进行拟合可以得出线性函数关系式：y＝2E-05x+0.002，其中x为锂离子电池循环次数，y为负极片厚度增长率；

本实施例以锂离子电芯型号为30Ah为例，未经过充放电循环的新鲜电池对应的负极片厚度均值为104.495mm，充放电循环测试条件为：在25±2℃下，以2C倍率进行充放电循环测试，充放电模式为恒流恒压充电-静置-恒流放电，充电截止电压为3.65V，截止电流为0.05C，放电截止电压为2.5V，静置时间为30min。

选取6只同批次锂离子电池分别循环0次、100次、200次、300次、400次、500次，记录相应的容量保持率，然后将这些电池进行拆解，待极片表面电解液挥发掉，分别记录不同循环次数后的负极片厚度，计算不同循环次数后的负极片厚度增长率，为了更直观说明循环次数、容量保持率、负极片厚度增长率之间的关系，本例测试数据详情如下表2所示。

表2本例测试数据详情

根据表2所列的0-500次循环时的电池循环次数、容量保持率、负极片厚度增长率的数据，可以对这些短期数据拟合计算并预测长期循环寿命。首先，以放电容量保持率为X轴，负极片厚度增长率为Y轴可以拟合出线性关系式y＝-0.1238x+0.1268，如图4所示，其中x表示放电容量保持率，y表示负极片厚度增长率；根据此关系式可以计算出锂离子电池放电容量保持率为80％时对应的负极片厚度增长率为2.776％；其次，以电池循环次数为X轴，负极片厚度增长率为Y轴做线性拟合可以得出线性关系式：y＝2E-05z+0.002，其中z为锂离子电池循环次数，y为负极片厚度增长率，如图5所示，将上一步得到的负极片厚度增长率数值2.776％代入此关系式，可计算得出锂离子电池放电容量保持率衰减至80％时循环次数为1288，实际测试中该批次电池容量衰减至80％时循环次数为1311次，相对误差约为1.79％。若将容量保持率与循环次数直接进行拟合，则会得到图6所示的拟合方程，将电池容量代入则可得到循环次数，当电池容量衰减至80％时循环次数为1108次，相对误差约为15.5％，可见本发明方法对锂离子电池循环寿命预测结果较为准确。

本申请说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知常识。

如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种锂离子电池循环寿命的快速预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将待评价的电池进行不同循环次数的循环测试，并且记录未循环及不同循环次数下对应的放电容量、负极片平均厚度；

2)根据放电容量以及负极片平均厚度，计算相应的容量保持率与负极厚度增长率；

3)以不同循环次数下的容量保持率与负极片厚度增长率为参数，进行线性拟合；以循环次数与负极片厚度增长率为参数，进行线性拟合；得到两个线性方程式，然后代入容量保持率，得到相应的电池循环次数。

2.根据权利要求1所述的快速预测方法，其特征在于，所述容量保持率等于放电容量除以初始放电容量，所述初始放电容量是指未循环时的放电容量。

3.根据权利要求1所述的快速预测方法，其特征在于，所述负极厚度增长率等于所述负极片平均厚度的增长量与初始负极片平均厚度的比值；所述初始负极片平均厚度是指未循环时的负极片平均厚度。

4.根据权利要求1所述的快速预测方法，其特征在于，步骤1)中所述的循环测试的循环次数为10-500次，结束循环后的电池为空电状态。

5.根据权利要求4所述的快速预测方法，其特征在于，步骤1)中所述的循环测试的循环次数为100、200、300、400、500次。

6.根据权利要求1所述的快速预测方法，其特征在于，步骤1)所述负极片平均厚度为负极片表面电解液挥发后，负极片多点厚度的平均值。

7.根据权利要求6所述的快速预测方法，其特征在于，步骤1)所述负极片平均厚度为负极片表面电解液挥发后，负极片十点以上厚度的平均值。

8.根据权利要求1所述的快速预测方法，其特征在于：步骤3)中，容量保持率与负极片厚度增长率的线性拟合曲线为：

y＝-0.0806x+0.0818；

对循环次数与负极片厚度增长率的线性拟合曲线为：

y＝1×10^-5z-8×10^-5；

其中x表示放电容量保持率，y表示负极片厚度增长率，z表示锂离子电池循环次数。

9.根据权利要求1所述的快速预测方法，其特征在于：步骤3)中，容量保持率与负极片厚度增长率的线性拟合曲线为：

y＝-0.1238x+0.1268；

对循环次数与负极片厚度增长率的线性拟合曲线为：

y＝2×10^-5z+0.002；

其中x表示放电容量保持率，y表示负极片厚度增长率，z表示锂离子电池循环次数。

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