CN114114055A - 快速评估锂离子软包电池体系循环性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锂电池领域，具体涉及一种快速评估锂离子软包电池体系循环性能的方法，包括下述步骤：第一步，采用不同的正极材料制备得到系列不同的锂离子软包电池；第二步，在预设温度环境下，进行充放电循环；第三步，按照第二步的步骤重复进行循环N周，循环N周后对电池进行厚度膨胀检测，得到系列不同的锂离子软包电池循环后的厚度膨胀率；第四步，当不同的锂离子软包电池循环后的厚度膨胀率之间的差值大于预设膨胀率时，通过对循环后电池厚度膨胀率的测量，评估不同的锂离子软包电池循环性能的优劣；本专利以锂离子软包电池鼓胀程度判断锂离子电池中活性锂离子的损失程度，从而快速评价锂离子软包电池的循环性能。

Description

快速评估锂离子软包电池体系循环性能的方法
技术领域
本发明属于锂电池领域，具体涉及一种快速评估锂离子软包电池体系循环性能的方法。
背景技术
锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，具有高比能量密度、高使用电压、长循环寿命等优点。锂离子电池的用途也越来越广，在消费类产品、电动车和储能等领域得到了广泛应用。虽然锂离子电池在使用过程中有自身的限制，随着相关技术的不断进步，锂离子电池的性能也得到了显著的改善。
循环性能作为锂离子电池关键电性能之一，其性能情况一直备受关注。因此一个快速评估锂离子电池循环性能的方法，将具有很重要的意义和可观的现实使用价值。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种快速评估锂离子软包电池体系循环性能的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种快速评估锂离子软包电池体系循环性能的方法，包括下述步骤：
第一步，采用不同的正极材料制备得到不同的锂离子软包电池；
第二步，在预设温度环境下，以预设恒电流I1，对第一步中得到的不同的锂离子软包电池进行恒流充电，直至充电到预设电压U1，然后以电压U1进行恒压充电，截止电流为I2，然后以电流I3进行放电，放电深度X% DOD，此为一个完整循环；
第三步，按照第二步的步骤重复进行循环N圈，循环N圈后对电池的厚度膨胀率进行检测，得到不同的锂离子软包电池循环后的厚度膨胀率；
第四步，当不同的锂离子软包电池循环后的厚度膨胀率之间的差值大于预设膨胀率时，比较不同的锂离子软包电池的厚度膨胀率的大小，锂离子软包电池的厚度膨胀率越大，则锂离子软包电池的循环性能越差，反之，锂离子软包电池的厚度膨胀率越小，则电池的循环性能越好；
若循环后不同的锂离子软包电池的厚度膨胀率之间的差值小于预设膨胀率，则继续循环，每循环M圈后继续对不同的锂离子软包电池的厚度膨胀率进行检测，直至不同的锂离子软包电池的厚度膨胀率之间的差值大于预设膨胀率；此时，比较不同的锂离子软包电池的厚度膨胀率的大小，锂离子软包电池的厚度膨胀率越大，则锂离子软包电池的循环性能越差，反之，锂离子软包电池的厚度膨胀率越小，则锂离子软包电池的循环性能越好。
第二步中预设温度为20-70℃；预设恒电流I1的取值范围为大于0小于2C，预设电压U1的取值范围为大于等于4.45V小于4.6V；截止电流I2的取值范围为大于0小于0.1C；电流I3的取值范围为大于0小于2C；放电深度X% DOD中X的取值范围大于等于1小于等于10。
第三步中，所述N的取值范围为大于等于100小于等于1000，M的取值范围为大于等于10小于等于200。
第四步中，预设膨胀率为2-5%，预设膨胀率的设定是为了使不同材料制得的锂离子软包电池循环后的厚度循环率之间的差值足够明显，从而能够区分不同的材料制备的锂离子软包电池的性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
随着锂离子电池电压和所处环境温度的升高，锂离子电池中的副反应速率增加，随之产生气体量也会随之增加，造成锂离子软包电池发生鼓胀现象，主要由以下三方面所引起：1.正极金属离子氧化电解液：高电压下正极金属离子氧化性增强，易与电解液发生氧化反应，产生CO2和CO等气体，造成锂离子电池鼓胀。2.电解液在高温下发生热分解：电解液中部分溶剂和添加剂在高温下结构不稳定，自身发生分解反应，产生气体。3. 高温下负极SEI膜破坏及修复：
负极SEI膜在高温下发生分解和修复，该副反应过程中会产生H2和烷烃等气体。
上述三种副反应都会消耗锂离子电池中的活性锂离子，活性锂离子的消耗会造成锂离子电池放电容量的降低，也就是锂离子电池循环性能的劣化。
常规锂离子电池循环性能需要以100%DOD进行测试，以放电容量保持率进行表征，整个循环测试周期需要4-8个月，循环测试周期过长，严重影响锂离子电池的开发效率。
本专利中通过改变锂离子软包电池所处环境温度和保持锂离子电池在一个相对较高的电压区间内进行脉冲循环，以锂离子软包电池鼓胀程度判断锂离子电池中活性锂离子的损失程度，从而快速评价锂离子软包电池的循环性能,循环测试周期时间为5-20天，可以大幅度缩短循环测试周期，对比出不同材料的锂离子软包电池循环性能的差别，加快锂离子电池的评测效率。
附图说明
图1为基于本发明提供的一种快速评估锂离子电池体系循环性能的方法，在实施例1中，不同型号钴酸锂软包电池按照实施例1中方法得到的厚度膨胀率-循环圈数变化曲线示意图；
图2为基于常规测试中不同型号钴酸锂软包电池在45℃温度下的循环性能测试曲线示意图；
图3为基于本发明提供的一种快速评估锂离子电池体系循环性能的方法，在实施例2中，不同型号钴酸锂软包电池按照实施例2中方法得到的厚度膨胀率-循环圈数变化曲线示意图；
图4为常规测试中，不同型号钴酸锂软包电池在45℃温度下的循环性能测试曲线示意图；
图5为基于对比例1提供的一种快速评估锂离子电池体系循环性能的方法，不同型号钴酸锂软包电池基于厚度膨胀率-循环天数变化曲线示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1: 一种快速评估锂离子电池体系循环性能的方法，具体包括下述步骤：
第一步，采用不同制备方法得到的钴酸锂材料(LiCoO2)材料A、材料B和材料C，匹配石墨负极进完成系列不同3Ah锂离子软包电池的制作。
第二步，在45℃环境下，以预设恒电流1.6A，对锂离子软包电池进行恒流充电，直至充电到预设电压4.45V，然后以4.45V进行恒压充电，截止电流为100mA，然后以电流1A进行放电，放电深度5% DOD，此为一个完整循环。
第三步，重复上述循环200圈，循环200圈后对电池的厚度膨胀率进行检测，得到不同材料制备的锂离子软包电池循环后的厚度膨胀率。
第四步，循环200圈后测试不同的锂离子软包电池循环后的厚度膨胀率之间的差值小于预设膨胀率4%，继续循环，每循环200圈继续对厚度膨胀率进行检测，直至检测第5次时，即循环至1000圈时，不同材料制得的锂离子软包电池厚度膨胀率之间的差值大于预设膨胀率4%，此时，对不同材料制得的锂离子软包电池的循环性能进行评价，锂离子软包电池的厚度膨胀率越大，则锂离子软包电池的循环性能越差，反之，锂离子软包电池的厚度膨胀率越小，则锂离子软包电池的循环性能越好。
图1为三种不同制备方法得到的钴酸锂材料按照此循环制式得到的电池厚度膨胀率和循环圈数的变化曲线，参见图1可知，三种钴酸锂材料在此循环制式下厚度膨胀率随着循环圈数差异明显，循环1000圈后，三种钴酸锂材料电池的厚度膨胀率为材料A＞材料B＞材料C，说明材料C在此循环制式下产气程度低于材料A和材料B，材料A和材料B在此循环过程中稳定性不足。材料A和材料B与电解液发生副反应速率更快，产生了更多的气体，从而导致电池厚度膨胀率更大，因此，分别使用材料A、B、C制备的锂离子软包电池的性能关系为：电池A＜电池B＜电池C。
图2是钴酸锂电池体系45℃循环性能的测试曲线。该循环测试方法为0.8C充电至额定电压，以0.05C的电流截止，然后0.5C放电至3V，此为一个循环周期。对三个钴酸锂材料A、材料B和材料C的锂离子软包电池分别进行0.5C循环测试。循环性能越好，即循环放电容量保持率下降越缓慢。从图2可知，材料C制备的锂离子软包电池的容量保持率优于材料A和材料B的制备的锂离子软包电池容量保持率，三种钴酸锂材料制备的锂离子软包电池循环性能的关系为电池A＜电池B＜电池C。这与图1得到的规律结果一致。
实施例2
第一步，采用不同的制备方法得到的钴酸锂材料(LiCoO2)材料D、材料E和材料F，匹配石墨负极进完成系列不同2.5Ah锂离子软包电池的制作。
第二步，在50℃环境下，以预设恒电流3A，对锂离子软包电池进行恒流充电，直至充电到预设电压4.5V，然后以4.5V进行恒压充电，截止电流为125mA，然后以电流1.25A进行放电，放电深度2% DOD，此为一个完整循环。
第三步，重复上述循环200圈，循环200圈后对电池进行厚度膨胀检测，得到锂离子软包电池循环后的厚度膨胀率。
第四步，循环后不同的锂离子软包电池循环后的厚度膨胀率之间的差值小于预设膨胀率2%，继续循环，每循环200圈对厚度膨胀率进行检测，直至检测第4次，即循环至800圈时，不同材料制得的锂离子软包电池厚度膨胀率之间的差值大于预设膨胀率2%；
此时，对不同材料制得的锂离子软包电池的循环性能进行评价，锂离子软包电池的厚度膨胀率越大，则锂离子软包电池的循环性能越差，反之，锂离子软包电池的厚度膨胀率越小，则锂离子软包电池的循环性能越好。
图3为三种不同制备方法得到的钴酸锂材料按照此循环制式得到的电池厚度膨胀率和循环圈数的变化曲线，参见图3可知，三种钴酸锂材料在此循环制式下厚度膨胀率随着循环圈数差异明显，循环800圈后，三种钴酸锂材料电池的厚度膨胀率为材料E＞材料D＞材料F，说明材料F在此循环制式下产气程度低于材料D和材料E，材料D和材料E在此循环过程中稳定性不足。材料D和材料E与电解液发生副反应速率更快，产生了更多的气体，从而导致电池厚度膨胀率更大，因此，分别使用材料A、B、C制备的锂离子软包电池的性能的关系为：电池E＜电池D＜电池F。
图4是钴酸锂电池体系45℃循环性能的测试曲线。循环测试方法为0.8C充电至额定电压，以0.05C的电流截止，然后0.5C放电至3V，此为一个循环周期。对三个钴酸锂材料D、材料E和材料F的电池分别进行0.5C循环测试。循环性能越好，即循环放电容量保持率下降越缓慢。从图4可知，材料F制备的锂离子软包电池的容量保持率优于材料D和材料E制备的锂离子软包电池的容量保持率，三种钴酸锂材料制备的锂离子软包电池的循环性能的关系为：电池E＜电池D＜电池F。这与图3得到的规律结果一致，表明此专利涉及的快速评估方法具有快速有效的评估能力。
对比例1：一种评估锂离子电池体系循环性能的方法，具体包括下述步骤：
第一步，采用不能制备方法得到的钴酸锂材料(LiCoO2)材料B和材料C（同实施例1），匹配石墨负极进完成系列不同3Ah锂离子软包电池的制作。
第二步，在45℃环境下，以预设恒电流1.6A，对锂离子软包电池进行恒流充电，直至充电到预设电压4.45V，然后以4.45V进行恒压充电。
第三步，每7天后对电池的厚度膨胀率进行检测，得到锂离子软包电池循环后的厚度膨胀率。
第四步，当不同的锂离子软包电池厚度膨胀率之间的差值小于预设膨胀率4%时，则每隔7天对厚度膨胀率进行检测，直至不同材料制得的锂离子软包电池厚度膨胀率之间的差值大于预设膨胀率4%；
此时，对不同材料制得的锂离子软包电池的循环性能进行评价，锂离子软包电池的厚度膨胀率越大，则锂离子软包电池的循环性能越差；反之，锂离子软包电池的厚度膨胀率越小，则锂离子软包电池的循环性能越好。
图5为两种钴酸锂材料按照此测试制式得到的电池厚度膨胀率和测试时间的变化曲线，参见图5可知，两种钴酸锂材料在此测试制式下厚度膨胀率随着测试时间逐渐增加，测试98天后，两种钴酸锂材料电池的厚度膨胀率为材料B＞材料C，说明材料C在此循环制式下产气程度低于材料B，材料B在此循环过程中稳定性不足，但是该方法的测试时间长，按照实施例1完成1000周循环测试需要时间为20天，而按照对比例1中测试方法，测试时间为98天，按照常规的测试方法（图2的方法），测试1000周需要167天；因此，通过本专利方法可以更加快速有效的评估锂离子电池体系循环性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种快速评估锂离子软包电池体系循环性能的方法，其特征在于，包括下述步骤：
第一步，采用不同的正极材料制备得到不同的锂离子软包电池；
第二步，在预设温度环境下，以预设恒电流I1，对第一步中得到的不同的锂离子软包电池进行恒流充电，直至充电到预设电压U1，然后以预设电压U1进行恒压充电，截止电流为I2，然后以电流I3进行放电，放电深度X% DOD，此为一个完整循环；
第三步，按照第二步的步骤重复进行循环N圈，循环N圈后对电池的厚度膨胀率进行检测，得到不同的锂离子软包电池循环后的厚度膨胀率；
第四步，当不同的锂离子软包电池循环后的厚度膨胀率之间的差值大于预设膨胀率时，比较不同的锂离子软包电池的厚度膨胀率的大小，锂离子软包电池的厚度膨胀率越大，则锂离子软包电池的循环性能越差，反之，锂离子软包电池的厚度膨胀率越小，则电池的循环性能越好；
若循环后不同的锂离子软包电池的厚度膨胀率之间的差值小于预设膨胀率，则继续循环，每循环M圈后继续对不同的锂离子软包电池的厚度膨胀率进行检测，直至不同的锂离子软包电池的厚度膨胀率之间的差值大于预设膨胀率；此时，比较不同的锂离子软包电池的厚度膨胀率的大小，锂离子软包电池的厚度膨胀率越大，则锂离子软包电池的循环性能越差，反之，锂离子软包电池的厚度膨胀率越小，则锂离子软包电池的循环性能越好。
2.根据权利要求1所述的快速评估锂离子软包电池体系循环性能的方法，其特征在于，第二步中预设温度为20-70℃；预设恒电流I1的取值范围为大于0小于2C，预设电压U1的取值范围为大于等于4.45V小于4.6V；截止电流I2的取值范围为大于0小于0.1C；电流I3的取值范围为大于0小于2C；放电深度X% DOD中X的取值范围大于等于1小于等于10。
3.根据权利要求1所述的快速评估锂离子软包电池体系循环性能的方法，其特征在于，第三步中，所述N的取值范围为大于等于100小于等于1000，M的取值范围为大于等于10小于等于200。
4.根据权利要求1所述的快速评估锂离子软包电池体系循环性能的方法，其特征在于，第四步中，预设膨胀率为2-5%。
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