CN114361624A - 一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法，将所有电池室温下先以小电流0.1‑0.2C循环3周，以最后一周放电容量为标称容量，根据标称容量确定电池的SOC，然后将电池固定在一个自主设计的冷却板中部，在1C下0‑100％SOC范围内进行恒流充放电循环，在脉冲阶段每隔0.5‑1.0S记录一次电流、电压和容量，其余时间每隔5‑10S记录一次。本发明的创新之处在于采用脉冲电流法，定量评估了不用SOC下大电流充电对锂离子电池稳定性的影响，缩短了评估周期，同时采用自主设计的冷却板，避免温度对测试结果的影响，提高测试结果准确性。

Description

一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，具体是一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法。
背景技术
快速充电电池是目前电动汽车最热的研究课题之一，在电动汽车中，目标充电时间小于15分钟才能与燃油车加油竞争。然而快速充电条件会对锂离子电池的稳定性产生不利影响，尤其是高能量密度电池，包括大电流会加速电池材料的降解，产生的热量使电解液副反应速度加快，大电流还使锂离子浓度在电极厚度方向上高度极化，导致锂金属析出和形成不稳定的固体电解质相间(SEI)等。因此，开发适当的测试方法来验证锂离子电池在快速充电下的稳定性是非常有必要的，但是目前相关研究较少，例如申请号为CN202010033591.8的专利提出了一种长寿命的锂离子二次电池的快速充电方法，通过在恒流充电过程中引入较短时间的静置过程,降低了电池内部极化,同时降低了电池内部热积聚,提升锂离子电池性能。
现有技术方案重视锂离子电池快速充电方法的开发，忽视了快速充电过程对电池稳定性的影响，不利于电池性能进一步优化，具有一定的技术局限性。
发明内容
针对现有技术方案的缺陷，本发明提出了一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法，定量分析了不同SOC下电池快速充电时的稳定性，同时采用自主设计的冷却板，避免脉冲期间温度升高对测试结果准确性的影响，本发明为优化锂离子电池分级快速充电方法提供了重要的技术支持。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法，将所有电池室温下先以小电流0.1-0.2C循环3周，以最后一周放电容量为标称容量，根据标称容量确定电池的SOC，然后将电池固定在一个自主设计的冷却板中部，在1C下0-100％SOC范围内进行恒流充放电循环，在所有充电过程中，每隔10％SOC施加一次正负脉冲电流，0％和100％SOC除外，每个SOC正负脉冲结束后搁置15-30分钟，在脉冲阶段每隔0.5-1.0S记录一次电流、电压和容量，其余时间每隔5-10S记录一次。
作为本发明的进一步技术方案，设计的正负脉冲条件是脉冲电流为10C，脉冲时长为30S,对应容量的10％。
作为本发明的进一步技术方案，设计的正负脉冲条件是脉冲电流为5C，脉冲时间为60S,对应容量的10％。
作为本发明的进一步技术方案，设计的正负脉冲条件是脉冲电流为3C，脉冲时间为100S,对应容量的10％。
作为本发明的进一步技术方案，当该SOC下的内部副反应可忽略不计时，电池的SOC在脉冲前后保持不变，当电池内部发生副反应时，所施加的部分正脉冲电量用于副反应，在后续负脉冲结束后，与没有施加脉冲电流的电池相比，电池SOC会下降，实际放电容量和库伦效率CE也会降低。
作为本发明的进一步技术方案，用于检测的锂离子电池所用正极材料为高镍层状过渡金属氧化物材料，负极为天然石墨或者人造石墨。
作为本发明的进一步技术方案，电池外形为方形软包装、方形金属壳或者方形塑料壳中的一种，电池容量为10-20Ah，正负极耳位于对立面，电池设计厚度不超过10mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的创新之处在于采用脉冲电流法，定量评估了不同SOC下大电流充电对锂离子电池稳定性的影响，缩短了评估周期，同时采用自主设计的冷却板，避免温度对测试结果的影响，提高测试结果准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为施加正负脉冲电流测试锂离子电池稳定性示意图。
图2为锂离子电池散热板结构俯视图。
图3为锂离子电池散热板结构侧面图。
图中：1-冷却基板；2-脉动导热管；3-电池放置区域；4-待测的锂离子电池；5-PP固定架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：请参阅图1-3所示，一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法，包含以下步骤：将所有电池室温下先以小电流0.1-0.2C循环3周，以最后一周放电容量为标称容量，小电流充放时锂离子电池极化可以忽略不计，基本反映了电池的实际容量，根据标称容量确定电池的SOC。然后将电池固定在一个自主设计的冷却板中部，在1C下0-100％SOC范围内进行恒流充放电循环，为了评估电池在不同SOC下大倍率充电的稳定性，在所有充电过程中，每隔10％SOC施加一次正负脉冲电流，0％和100％SOC除外(避免电池出现严重的电化学极化)。设计的正负脉冲条件为脉冲电流为10C，脉冲时长为30S,相当于容量的10％；施加的正负脉冲电流和时长均相同，因此在某一个SOC下的净充入容量为0Ah，如图1所示，当该SOC下的内部副反应可忽略不计时，电池的SOC在脉冲前后保持不变，当电池内部发生副反应时，所施加的部分正脉冲电量用于副反应，在后续负脉冲结束后，与没有施加脉冲电流的电池相比，电池SOC会下降，实际放电容量和库伦效率CE也会降低。实验中，为了提高准确性和方便数据处理，在脉冲阶段每隔0.5-1.0S记录一次电流、电压和容量，其余时间每隔5-10S记录一次。
实施例2，在实施例1的基础上，一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法，包含以下步骤：将所有电池室温下先以小电流0.1-0.2C循环3周，以最后一周放电容量为标称容量，小电流充放时锂离子电池极化可以忽略不计，基本反映了电池的实际容量，根据标称容量确定电池的SOC。然后将电池固定在一个自主设计的冷却板中部，在1C下0-100％SOC范围内进行恒流充放电循环，为了评估电池在不同SOC下大倍率充电的稳定性，在所有充电过程中，每隔10％SOC施加一次正负脉冲电流，0％和100％SOC除外(避免电池出现严重的电化学极化)。设计的正负脉冲条件为脉冲电流为5C，脉冲时间为60S,对应容量的10％；每个SOC正负脉冲结束后搁置15-30分钟，确保电池达到电化学稳定状态。施加的正负脉冲电流和时长均相同，因此在某一个SOC下的净充入容量为0Ah，如图1所示，当该SOC下的内部副反应可忽略不计时，电池的SOC在脉冲前后保持不变，当电池内部发生副反应时，所施加的部分正脉冲电量用于副反应，在后续负脉冲结束后，与没有施加脉冲电流的电池相比，电池SOC会下降，实际放电容量和库伦效率CE也会降低。实验中，为了提高准确性和方便数据处理，在脉冲阶段每隔0.5-1.0S记录一次电流、电压和容量，其余时间每隔5-10S记录一次。
实施例3，在实施例1的基础上，一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法，包含以下步骤：将所有电池室温下先以小电流0.1-0.2C循环3周，以最后一周放电容量为标称容量，小电流充放时锂离子电池极化可以忽略不计，基本反映了电池的实际容量，根据标称容量确定电池的SOC。然后将电池固定在一个自主设计的冷却板中部，在1C下0-100％SOC范围内进行恒流充放电循环，为了评估电池在不同SOC下大倍率充电的稳定性，在所有充电过程中，每隔10％SOC施加一次正负脉冲电流，0％和100％SOC除外(避免电池出现严重的电化学极化)。设计的正负脉冲条件为脉冲电流为3C，脉冲时间为100S,对应容量的10％。每个SOC正负脉冲结束后搁置15-30分钟，确保电池达到电化学稳定状态，正负脉冲电流和时长均相同，因此在某一个SOC下的净充入容量为0Ah，如图1所示，当该SOC下的内部副反应可忽略不计时，电池的SOC在脉冲前后保持不变，当电池内部发生副反应时，所施加的部分正脉冲电量用于副反应，在后续负脉冲结束后，与没有施加脉冲电流的电池相比，电池SOC会下降，实际放电容量和库伦效率CE也会降低。实验中，为了提高准确性和方便数据处理，在脉冲阶段每隔0.5-1.0S记录一次电流、电压和容量，其余时间每隔5-10S记录一次。
工作原理如下：由于锂离子电池在大倍率脉冲时产热速度加快，电池内部温度升高导致容量波动，同时也影响电池内部副反应例如负极析锂的产生。为了避免温度波动对本发明结果准确性的影响，将所有待测电池通过PP支架固定于冷却板中部，本发明设计的冷却板结构如图2所示，在冷却基板中间嵌入两相流工作模式的脉动导热管，管内填充纳米氧化硅和水的混合物，纳米氧化硅质量百分数为0.4-0.7％(质量分数过低或过高，导热能力下降)。与传统冷却水管相比，采用含有纳米氧化硅溶液的脉动导热管热阻低，冷却速度快，避免锂离子电池内部的热量累积，排除温度对测试数据的影响，提高实验结果的准确性。
测试结果如表1所示，可以看出，在3种脉冲条件锂离子电池循环寿命不同，其中第二种和第三种结果相近，循环寿命接近300周，第一种循环寿命仅200周左右，其中50％SOC到70％SOC之间的SOC下降最多，说明在此SOC区间内10C脉冲对锂离子电池稳定性影响最严重；在整个SOC范围内，3C和5C脉冲电流对锂离子电池稳定性的影响接近，不超过0.8％，均明显低于10C。上述结果表明在本发明中，0-30％SOC区间内，最大脉冲电流不宜超过10C，大于40％SOC区间内，最大脉冲电流不宜超过5C，该方法为优化锂离子电池分级快速充电提供有力的技术支持，并且适用于所有类型商用锂离子动力电池的性能评估。
本发明所用锂离子电池所用正极材料为高镍层状过渡金属氧化物材料，负极为天然石墨或者人造石墨，电池外形为方形软包装、方形金属壳或者方形塑料壳中的一种，电池容量为10-20Ah，正负极耳位于对立面，电池设计厚度不超过10mm。
本发明提出了一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法，定量分析了不同SOC下电池快速充电时的稳定性，同时采用自主设计的冷却板，避免脉冲期间温度升高对测试结果准确性的影响，本发明为优化锂离子电池分级快速充电方法提供了重要的技术支持。
本发明的创新之处在于采用脉冲电流法，定量评估了不用SOC下大电流充电对锂离子电池稳定性的影响，缩短了评估周期，同时采用自主设计的冷却板，避免温度对测试结果的影响，提高测试结果准确性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法，其特征在于，将所有电池室温下先以小电流0.1-0.2C循环3周，以最后一周放电容量为标称容量，根据标称容量确定电池的SOC，然后将电池固定在一个自主设计的冷却板中部，在1C下0-100％SOC范围内进行恒流充放电循环，在所有充电过程中，每隔10％SOC施加一次正负脉冲电流，0％和100％SOC除外，每个SOC正负脉冲结束后搁置15-30分钟，在脉冲阶段每隔0.5-1.0S记录一次电流、电压和容量，其余时间每隔5-10S记录一次。
2.根据权利要求1所述的一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法，其特征在于，设计的正负脉冲条件是脉冲电流为10C，脉冲时长为30S,对应容量的10％。
3.根据权利要求1所述的一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法，其特征在于，设计的正负脉冲条件是脉冲电流为5C，脉冲时间为60S,对应容量的10％。
4.根据权利要求1所述的一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法，其特征在于，设计的正负脉冲条件是脉冲电流为3C，脉冲时间为100S,对应容量的10％。
5.根据权利要求2所述的一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法，其特征在于，当该SOC下的内部副反应可忽略不计时，电池的SOC在脉冲前后保持不变，当电池内部发生副反应时，所施加的部分正脉冲电量用于副反应，在后续负脉冲结束后，与没有施加脉冲电流的电池相比，电池SOC会下降，实际放电容量和库伦效率CE也会降低。
6.根据权利要求1所述的一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法，其特征在于，用于检测的锂离子电池所用正极材料为高镍层状过渡金属氧化物材料，负极为天然石墨或者人造石墨。
7.根据权利要求6所述的一种评估锂离子动力电池快速充电稳定性的方法，其特征在于，电池外形为方形软包装、方形金属壳或者方形塑料壳中的一种，电池容量为10-20Ah，正负极耳位于对立面，电池设计厚度不超过10mm。
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