CN114279377A - 电池材料充放电过程体积变化的评估系统和评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电池材料充放电过程体积变化的评估系统和评价方法。评估系统包括：恒压固定装置；电池模拟装置包括容器，容器中固定设置有多孔隔离板，多孔隔离板将容器分为正极装载区和负极装载区，正极装载区的远离多孔隔离板的一端具有第一活动端板，负极装载区的远离多孔隔离板的一端具有第二活动端板，第一活动端板和第二活动端板为导电体，第一活动端板的远离多孔隔离板的一端、第二活动端板的远离多孔隔离板的一端分别与恒压固定装置连接，第一活动端板和第二活动端板的运动方向与多孔隔离板垂直；充放电装置的负极与第一活动端板电接连，充放电装置的正极与第二活动端板电接连。提高了电池材料充放电过程体积变化测试准确性。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种电池材料充放电过程体积变化的评估系统和评价方法。
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也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。电池作为电子产品的动力来源，在社会生活中得到广泛应用，且必不可少。
由于车用电池对电池体积的要求比较严谨，车辆中电池的空间是有限的，为了充分利用空间，提高电池能量密度，电池的膨胀空间受到了限制，空间的限制直接影响电池膨胀、影响电池的性能，甚至导致电池出现析锂等副反应，影响电池安全性能，如何充分评估电池使用过程中膨胀情况，对电池使用具有重要的意义。电池的膨胀原因主要是正负极材料在电池充放电或者使用过程中的体积变化导致的，因此研究电池使用的正负极材料的膨胀情况对研究电池膨胀情况十分重要。
目前正负极材料的膨胀情况主要采用的方法为，通过原子粒显微镜对某一个颗粒进行分析，该颗粒测试过程中进行充放电，该方法肉眼直观，但是对某一个颗粒的充放电充电效果难控制，测试结果误差大。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电池材料充放电过程体积变化的评估系统和评价方法，以解决现有技术中的电池材料充放电过程体积变化测试误差较大的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电池材料充放电过程体积变化的评估系统，评估系统包括：恒压固定装置；电池模拟装置，电池模拟装置包括容器，容器中固定设置有多孔隔离板，并利用多孔隔离板将容器分为正极装载区和负极装载区，正极装载区的远离多孔隔离板的一端具有第一活动端板，负极装载区的远离多孔隔离板的一端具有第二活动端板，第一活动端板和第二活动端板为导电体，第一活动端板的远离多孔隔离板的一端与恒压固定装置连接，第二活动端板的远离多孔隔离板的一端与恒压固定装置连接，第一活动端板和第二活动端板的运动方向与多孔隔离板垂直；充放电装置，充放电装置的负极与第一活动端板电接连，充放电装置的正极与第二活动端板电接连。
进一步地，上述第一活动端板和第二活动端板各自独立地包括：封板；弹性体，弹性体的一端与封板抵接，另一端与恒压固定装置抵接。
进一步地，上述恒压固定装置包括载体，载体具有容纳腔，电池模拟装置设置在容纳腔中。
进一步地，上述恒压固定装置还包括位移测试仪，位移测试仪设置在容纳腔内，且电池模拟装置设置在位移测试仪上方。
进一步地，上述位移测试仪固定在载体上，且电池模拟装置与位移测试仪相对固定设置。
进一步地，上述评估系统还包括数据处理装置，数据处理装置包括：数据收集模块，数据收集模块与充放电装置和位移测试仪连接，数据收集模块收集充放电装置的充放电电压、第一活动端板的面积、第二活动端板的面积、对应充放电电压的第一活动端板的第一位移值和/或第二活动端板的第二位移值；数据处理模块，利用第一位移值和第一活动端板的面积计算正极装载区的体积膨胀量、和/或利用第二位移值和第二活动端板的面积计算负极装载区的体积膨胀量。
进一步地，上述容器的内壁为耐腐蚀内壁，优选封板为铜镀金平板，优选弹性体为金属弹簧。
进一步地，上述多孔隔离板在延伸方向具有夹缝，夹缝用于放置电池隔膜。
根据本发明的另一方面，提供了一种电池材料充放电过程体积变化的评估方法，该评估方法采用上述任一种的评估系统对电池材料充放电过程中的体积变化进行评估，评估方法包括：将电池隔膜固定在电池模拟装置的多孔隔离板上，向电池模拟装置的正极装载区充满正极浆料和电解液、负极装载区充满负极浆料和电解液，形成模拟电池；利用充放电装置对模拟电池进行充放电，记录对应充放电电压的第一活性端板的第一位移值和第二活性端板的第二位移值；利用第一位移值和第一活动端板的面积计算正极装载区的体积膨胀量、和/或利用第二位移值第二活动端板的面积计算负极装载区的体积膨胀量。
进一步地，上述正极浆料和负极浆料各自独立地具有一种或多种活性材料。
应用本发明的技术方案，本申请的评估系统设置有正极装载区和负极装载区，因此可以将正极浆料和/或负极浆料装载至相应的区域中，对一定体积的正极浆料和/或负极浆料进行检测，而不是检测正极浆料和/或负极浆料的材料颗粒，因此所得数据更具有统计意义，结果更准确。
在利用上述评估系统进行评估时，将电池隔膜固定在电池模拟装置的多孔隔离板上，向电池模拟装置的正极装载区充满正极浆料和电解液、负极装载区充满负极浆料和电解液，形成模拟电池；利用充放电装置对模拟电池进行充放电，记录对应充放电电压的第一活性端板的第一位移值和第二活性端板的第二位移值；利用第一位移值和第一活动端板的面积计算正极装载区的体积膨胀量、和/或利用第二位移值第二活动端板的面积计算负极装载区的体积膨胀量。而且可以实时检测不同电压阶段、不同SOC下的体积变化情况，通过正负极体积变化充分分析电池的膨胀情况，可提供关键数据用于指导电池设计、电池组合应用，提高车用电池的安全性能、电性能。
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示出了根据本发明的一种实施例提供的电池材料充放电过程体积变化的评估系统结构示意图；
图2示出了本申请实施例1的是负极材料石墨(Gr)脱嵌锂过程位移变化曲线；以及
图3示出了本申请实施例1的是负极材料石墨(Gr)嵌锂过程电位变化曲线。
其中，上述附图包括以下附图标记：
11、载体；12、位移测试仪；
21、容器；22、多孔隔离板；23、正极装载区；24、负极装载区；25、第一活动端板；26、第二活动端板；
30、充放电装置；
40、数据处理装置。
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。
如本申请背景技术所分析的，现有技术通过原子粒显微镜对某一个颗粒进行分析，该颗粒测试过程中进行充放电，该方法肉眼直观，但是对某一个颗粒的充放电充电效果难控制，体积变化测试结果误差大。为了解决该问题，本申请提供了一种电池材料充放电过程体积变化的评估系统和评估方法。
在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种电池材料充放电过程体积变化的评估系统，如图1所示，该评估系统包括恒压固定装置、电池模拟装置和充放电装置30，电池模拟装置包括容器21，容器21中固定设置有多孔隔离板22，并利用多孔隔离板22将容器21分为正极装载区23和负极装载区24，正极装载区23的远离多孔隔离板22的一端具有第一活动端板25，负极装载区24的远离多孔隔离板22的一端具有第二活动端板26，第一活动端板25和第二活动端板26为导电体，第一活动端板25的远离多孔隔离板22的一端与恒压固定装置连接，第二活动端板26的远离多孔隔离板22的一端与恒压固定装置连接，第一活动端板25和第二活动端板26的运动方向与多孔隔离板22垂直；充放电装置30的负极与第一活动端板25电接连，充放电装置30的正极与第二活动端板26电接连。
本申请的评估系统设置有正极装载区23和负极装载区24，因此可以将正极浆料和/或负极浆料装载至相应的区域中，对一定体积的正极浆料和/或负极浆料进行检测，而不是检测正极浆料和/或负极浆料的材料颗粒，因此所得数据更具有统计意义，结果更准确。
在利用上述评估系统进行评估时，将电池隔膜固定在电池模拟装置的多孔隔离板22上，向电池模拟装置的正极装载区23充满正极浆料和电解液、负极装载区24充满负极浆料和电解液，形成模拟电池；利用充放电装置30对模拟电池进行充放电，记录对应充放电电压的第一活性端板的第一位移值和第二活性端板的第二位移值；利用第一位移值和第一活动端板25的面积计算正极装载区23的体积膨胀量、和/或利用第二位移值第二活动端板26的面积计算负极装载区24的体积膨胀量。而且可以实时检测不同电压阶段、不同SOC下的体积变化情况，通过正负极体积变化充分分析电池的膨胀情况，可提供关键数据用于指导电池设计、电池组合应用，比如根据测试结果，提前设计电池控制电池的不可逆膨胀，提高车用电池的安全性能、电性能。
本申请的上述评估系统可以根据所要检测的电极材料的需要，去调整正极浆料或负极浆料的组成，比如如果检测正极材料的单电极材料体积变化时，将负极浆料中的活性材料全部替换为锂金属。当然，由于本申请的多孔隔离板22固定设置，且正极装载区23和负极装载区24各自具有活动端板，因此，如果只需要评估正极材料的体积变化时，只需要检测对应的第一活动端板25的位移值即可；当只需要评估负极材料的体积变化时，只需要检测对应的第二活动端板26的位移值即可。
第一活动端板25和第二活动端板26的主要作用是用于密封形成正极装载区23和负极装载区24，以及在充放电时电极材料的膨胀压力下运动，因此只要能实现上述作用的设置方式均可应用于本申请，在一些实施例中，如图1所示，上述第一活动端板25和第二活动端板26各自独立地包括封板和弹性体，弹性体的一端与封板抵接，另一端与恒压固定装置抵接。上述弹性体可以为弹簧。
为了进一步提高评估过程的安全性和稳定性，优选如图1所示，上述恒压固定装置包括载体11，载体11具有容纳腔，电池模拟装置设置在容纳腔中。
上述第一活动端板25和第二活动端板26的位移可以采用人工检测来得到，为了提高检测的准确性和检测效果，优选如图1所示，上述恒压固定装置还包括位移测试仪12，位移测试仪12设置在容纳腔内，且电池模拟装置设置在位移测试仪12上方。利用位移测试仪12自动检测第一活动端板25和第二活动端板26的位移。
为了避免位移测试仪12与电池模拟装置的意外相对移动，导致位移值检测结果不准确，在一些实施例中，位移测试仪12固定在载体11上，且电池模拟装置与位移测试仪12相对固定设置。
在一些实施例中，为了进一步提高评估系统的自动化程度、和检测结果的准确性和及时性，优选上述评估系统还包括数据处理装置40，数据处理装置40包括数据收集模块和数据处理模块，数据收集模块与充放电装置30和位移测试仪12连接，数据收集模块收集充放电装置30的充放电电压、第一活动端板25的面积、第二活动端板26的面积、对应充放电电压的第一活动端板25的第一位移值和/或第二活动端板26的第二位移值；数据处理模块利用第一位移值和第一活动端板25的面积计算正极装载区23的体积膨胀量、和/或利用第二位移值和第二活动端板26的面积计算负极装载区24的体积膨胀量。可以通过程序设定数据收集的频率，进而利用收集到的一些列数据绘制曲线，进一步分析对应电极材料的体积变化规律。
为了提高评估系统的使用寿命，优选上述容器21的内壁为耐腐蚀内壁，封板为铜镀金平板，弹性体为金属弹簧。
本领域技术人员应该清楚，本申请的容器21既然需要承载正极材料和负极材料，因此必然设置有材料投放口，优选容器21对应正极装载区23的顶部设置正极材料投放口，对应负极装载区24的顶部设置负极材料投放口。
多孔隔离板22可以将正极装载区23和负极装载区24分割，同时也可以作为评估时电池隔膜的载体11，为了提高隔膜的稳定负载，上述多孔隔离板22在延伸方向具有夹缝，夹缝用于放置电池隔膜。
在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种电池材料充放电过程体积变化的评估方法，该评估方法采用上述任一种评估系统对电池材料充放电过程中的体积变化进行评估，评估方法包括：将电池隔膜固定在电池模拟装置的多孔隔离板22上，向电池模拟装置的正极装载区23充满正极浆料和电解液、负极装载区24充满负极浆料和电解液，形成模拟电池；利用充放电装置30对模拟电池进行充放电，记录对应充放电电压的第一活性端板的第一位移值和第二活性端板的第二位移值；利用第一位移值和第一活动端板25的面积计算正极装载区23的体积膨胀量、和/或利用第二位移值第二活动端板26的面积计算负极装载区24的体积膨胀量。
本申请的评估系统设置有正极装载区23和负极装载区24，因此可以将正极浆料和/或负极浆料装载至相应的区域中，对一定体积的正极浆料和/或负极浆料进行检测，而不是检测正极浆料和/或负极浆料的材料颗粒，因此本申请的评估方法所得数据更具有统计意义，结果更准确。而且上述评估方法可以实时检测不同电压阶段、不同SOC下的体积变化情况，通过正负极体积变化充分分析电池的膨胀情况，可提供关键数据用于指导电池设计、电池组合应用，提高车用电池的安全性能、电性能。
本申请的上述评估系统可以根据所要检测的电极材料的需要，去调整正极浆料或负极浆料的组成，即在一些实施例中，上述正极浆料和负极浆料各自独立地具有一种或多种活性材料。比如如果检测正极材料的单电极材料体积变化时，将负极浆料中的活性材料全部替换为锂金属。当然，由于本申请的多孔隔离板22固定设置，且正极装载区23和负极装载区24各自具有活动端板，因此，如果只需要评估正极材料的体积变化时，只需要检测对应的第一活动端板25的位移值即可；当只需要评估负极材料的体积变化时，只需要检测对应的第二活动端板26的位移值即可。
以下结合实施例进一步说明本申请的有益效果。
实施例1
采用图1所示的评估系统对以下正极浆料和负极浆料的体积变化进行评估。
正极粉料组成：金属锂片；
负极粉料组成：负极活性物质石墨、粘结剂羧甲基纤维素钠CMC和丁苯橡胶SBR、导电剂碳纳米管和碳黑，质量比为95:1.2:1.3:0.5:2；
电池隔膜：PE(聚乙烯)材质隔膜；
电池模拟装置的容器21材质聚四氟乙烯，多孔隔离板22也是聚四氟乙烯多孔板。
第一活动端板25和第二活动端板26的封板为铜镀金平板，平面积均为3.14cm2，弹性体为铜质弹簧。
将已烘干电池隔膜放入聚四氟乙烯多孔板的夹缝中以模拟组装电池中的隔膜；将金属锂片和负极浆料分别装载在正极装载区23和负极装载区24，利用第二活动端板将负极活性粉料压实；向正极装载区23和负极装载区24添加电解液，并在室温下静置24h，使电解液充分浸润，形成模拟电池。
利用位移测试仪12记录第一活动端板25和第二活动端板26的初始位置。接通充放电装置30对模拟电池进行充放电：0.33C充电值4.2V，4.2V恒压至0.05C，静置10min，0.33C放电。
记录不同电压的第一活动端板25和第二活动端板26的位置，并计算相应的位移值和膨胀量，并作图分析样品体积变化情况，负极材料(vs.Li)充放电过程中位移变化&电压变化记录在图2中。
其中的嵌锂膨胀为：负极材料Gr(石墨)嵌锂至满电时(100％SOC)，材料的体积变化情况，表现为位移变化；
可逆膨胀为：负极材料Gr(石墨)脱锂至空电时(0％SOC)，材料体积可恢复的体积变化，表现成位移变化；
不可逆膨胀为：负极材料Gr(石墨)第1次0％SOC体积减去第0(N＝0、1、2……)次0％SOC体积差值为该次充放电过程不可逆膨胀，不可以恢复到原始状态得膨胀。
图2为负极对Li金属一次充放电过程得体积变化，黑色实线为负极嵌锂过程中体积增长变化曲线为负极嵌锂膨胀，黑色虚线为负极脱锂过程体积减小变化曲线该部分变化为可逆体积变化，与嵌锂过程对比则为可逆膨胀。0％SOC时脱嵌锂电前后对比，体积差异为不可逆膨胀，既膨胀后回不到原点得膨胀。
根据上述测试结果，将负极材料不可逆膨胀控制在10％以内，负极材料的性能可以得到最大程度的发挥，锂离子电池能量密度和充放电性能也最好。
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：
本申请的评估系统设置有正极装载区和负极装载区，因此可以将正极浆料和/或负极浆料装载至相应的区域中，对一定体积的正极浆料和/或负极浆料进行检测，而不是检测正极浆料和/或负极浆料的材料颗粒，因此所得数据更具有统计意义，结果更准确。
在利用上述评估系统进行评估时，将电池隔膜固定在电池模拟装置的多孔隔离板上，向电池模拟装置的正极装载区充满正极浆料和电解液、负极装载区充满负极浆料和电解液，形成模拟电池；利用充放电装置对模拟电池进行充放电，记录对应充放电电压的第一活性端板的第一位移值和第二活性端板的第二位移值；利用第一位移值和第一活动端板的面积计算正极装载区的体积膨胀量、和/或利用第二位移值第二活动端板的面积计算负极装载区的体积膨胀量。而且可以实时检测不同电压阶段、不同SOC下的体积变化情况，通过正负极体积变化充分分析电池的膨胀情况，可提供关键数据用于指导电池设计、电池组合应用，提高车用电池的安全性能、电性能。
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)
1.一种电池材料充放电过程体积变化的评估系统，其特征在于，所述评估系统包括：
恒压固定装置；
电池模拟装置，所述电池模拟装置包括容器(21)，所述容器(21)中固定设置有多孔隔离板(22)，并利用所述多孔隔离板(22)将所述容器(21)分为正极装载区(23)和负极装载区(24)，所述正极装载区(23)的远离所述多孔隔离板(22)的一端具有第一活动端板(25)，所述负极装载区(24)的远离所述多孔隔离板(22)的一端具有第二活动端板(26)，所述第一活动端板(25)和所述第二活动端板(26)为导电体，所述第一活动端板(25)的远离所述多孔隔离板(22)的一端与所述恒压固定装置连接，所述第二活动端板(26)的远离所述多孔隔离板(22)的一端与所述恒压固定装置连接，所述第一活动端板(25)和所述第二活动端板(26)的运动方向与所述多孔隔离板(22)垂直；
充放电装置(30)，所述充放电装置(30)的负极与所述第一活动端板(25)电接连，所述充放电装置(30)的正极与所述第二活动端板(26)电接连。
2.根据权利要求1所述的评估系统，其特征在于，所述第一活动端板(25)和所述第二活动端板(26)各自独立地包括：
封板；
弹性体，所述弹性体的一端与所述封板抵接，另一端与所述恒压固定装置抵接。
3.根据权利要求1所述的评估系统，其特征在于，所述恒压固定装置包括载体(11)，所述载体(11)具有容纳腔，所述电池模拟装置设置在所述容纳腔中。
4.根据权利要求3所述的评估系统，其特征在于，所述恒压固定装置还包括位移测试仪(12)，所述位移测试仪(12)设置在所述容纳腔内，且所述电池模拟装置设置在所述位移测试仪(12)上方。
5.根据权利要求4所述的评估系统，其特征在于，所述位移测试仪(12)固定在所述载体(11)上，且所述电池模拟装置与所述位移测试仪(12)相对固定设置。
6.根据权利要求4所述的评估系统，其特征在于，所述评估系统还包括数据处理装置(40)，所述数据处理装置(40)包括：
数据收集模块，所述数据收集模块与所述充放电装置(30)和所述位移测试仪(12)连接，所述数据收集模块收集所述充放电装置(30)的充放电电压、所述第一活动端板(25)的面积、所述第二活动端板(26)的面积、对应所述充放电电压的第一活动端板(25)的第一位移值和/或所述第二活动端板(26)的第二位移值；
数据处理模块，利用所述第一位移值和所述第一活动端板(25)的面积计算所述正极装载区(23)的体积膨胀量、和/或利用所述第二位移值和所述第二活动端板(26)的面积计算所述负极装载区(24)的体积膨胀量。
7.根据权利要求2所述的评估系统，其特征在于，所述容器(21)的内壁为耐腐蚀内壁，优选所述封板为铜镀金平板，优选所述弹性体为金属弹簧。
8.根据权利要求1所述的评估系统，其特征在于，所述多孔隔离板(22)在延伸方向具有夹缝，所述夹缝用于放置电池隔膜。
9.一种电池材料充放电过程体积变化的评估方法，其特征在于，所述评估方法采用权利要求1至8中任一项所述的评估系统对电池材料充放电过程中的体积变化进行评估，所述评估方法包括：
将电池隔膜固定在电池模拟装置的多孔隔离板(22)上，向电池模拟装置的正极装载区(23)充满正极浆料和电解液、负极装载区(24)充满负极浆料和电解液，形成模拟电池；
利用充放电装置(30)对所述模拟电池进行充放电，记录对应充放电电压的第一活性端板的第一位移值和第二活性端板的第二位移值；
利用所述第一位移值和所述第一活动端板(25)的面积计算所述正极装载区(23)的体积膨胀量、和/或利用所述第二位移值所述第二活动端板(26)的面积计算所述负极装载区(24)的体积膨胀量。
10.根据权利要求9所述的评估方法，其特征在于，所述正极浆料和所述负极浆料各自独立地具有一种或多种活性材料。
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