CN114755588A - 一种锂离子扩散系数的测试方法及其应用 - Google Patents

一种锂离子扩散系数的测试方法及其应用 Download PDF

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CN114755588A CN202210394021.0A CN202210394021A CN114755588A CN 114755588 A CN114755588 A CN 114755588A CN 202210394021 A CN202210394021 A CN 202210394021A CN 114755588 A CN114755588 A CN 114755588A
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ion battery
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张磊
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Abstract

本申请公开了一种锂离子扩散系数的测试方法及其应用。该测试方法包括如下步骤：S1、于0.05C‑0.5C电流对锂离子电池恒流充电10‑60mi n，然后静置100‑240mi n，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；S2、若步骤S1所述锂离子电池的电池电压＞3.65V，则执行步骤S3；S3、于0.05C‑0.5C电流对所述锂离子电池恒流放电10‑60mi n，然后静置100‑240mi n，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；S4、若步骤S3所述锂离子电池的电池电压＜2.50V，则停止测试。本申请还提供所述测试方法的应用。本申请能快速获得锂离子扩散系数，适用于专业的电芯测试柜。

Description

一种锂离子扩散系数的测试方法及其应用
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，特别是涉及一种锂离子扩散系数的测试方法及其应用。
背景技术
随着科技的发展，锂电池作为一种能源装置越来越备受关注，在手机、电动汽车、电动工具等领域得到了广泛的应用。
锂离子扩散系数是衡量电极材料的电化学性能和进行电池化学建模仿真必不可少的参数，在电化学测试中具有极其重要的意义。受多种因素的共同影响，目前测定锂离子扩散系数的方法分为电化学间接测定和物理直接测定两大类。其中，恒电流间歇滴定技术(GITT)作为常用的锂离子扩散系数的测试方法，重点分析电流与时间之间的关系，其在一定时间间隔t对体系施加一定的恒电流I，在电流脉冲期间，测试工作电极和参比电极之间的电位随时间的变化；这种测试方法计算过程复杂，测试要求苛刻，很难适用于专业的电芯测试柜。
发明内容
基于此，本发明提供一种锂离子扩散系数的测试方法及其应用，旨在解决现有的锂离子扩散系数测试要求苛刻、计算过程复杂、不能适用于专业的电芯测试柜等问题。本申请的测试方法简单，计算过程简易便捷，可以适用于专业的电芯测试柜。
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种锂离子扩散系数的测试方法，包括如下步骤：
S1、于0.05C-0.5C电流对锂离子电池恒流充电10-60min，然后静置100-240min，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；
S2、若步骤S1所述锂离子电池的电池电压≤3.65V，则重复步骤S1的操作；
若步骤S1所述锂离子电池的电池电压＞3.65V，则执行步骤S3；
S3、于0.05C-0.5C电流对所述锂离子电池恒流放电10-60min，然后静置100-240min，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；
S4、若步骤S3所述锂离子电池的电池电压≥2.50V，则重复步骤S3的操作；
若步骤S3所述锂离子电池的电池电压＜2.50V，则停止测试。
作为优选的实施方式，所述锂离子扩散系数的测试方法还包括：
S5、根据式一计算得到锂离子扩散系数：
Figure BDA0003596626890000021
其中：DLi为锂离子扩散系数；CLi为锂离子浓度；x为微观尺度下，锂离子电池内部的电解液与活性物质之间的距离；t为弛豫时间；
Figure BDA0003596626890000022
为锂离子浓度分布情况，表示锂离子浓度分布随时间和距离的变化情况；
Figure BDA0003596626890000023
为锂离子浓度分布情况的二阶微分，表示锂离子浓度分布随时间和距离的变化加速情况。
作为优选的实施方式，步骤S1中，
所述恒流充电优选为于0.1C电流对锂离子电池恒流充电30min。
所述锂离子电池优选为纽扣电池或者方形铝壳电池。
作为优选的实施方式，步骤S3中，
所述恒流放电优选为于0.1C电流对锂离子电池恒流放电20min。
另一方面，本发明还提供所述锂离子扩散系数的测试方法的应用，所述锂离子扩散系数的测试方法可以应用于锂离子电池或者测试柜。
所述锂离子电池优选为纽扣电池或者方形铝壳电池；所述测试柜优选为新威恒电流测试柜或LAND测试柜。
本申请的测试方法简单易于实现，计算公式简单易懂，并且能够将复杂的计算过程简易和便捷化，快速获得锂离子电池的锂离子扩散系数。本申请测试方法可以适用于专业的电芯测试柜，有利于电极材料的电化学性能和进行电池化学建模仿真的快速实现，在电化学测试中具有积极的意义。
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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1得到的充放电过程中锂离子扩散系数分布曲线示意图；
图2为本发明实施例2得到的充放电过程中锂离子扩散系数分布曲线示意图；
图3为本发明实施例3得到的充放电过程中锂离子扩散系数分布曲线示意图；
图4为本发明实施例4得到的充放电过程中锂离子扩散系数分布曲线示意图；
图5为本发明对比实施例1得到的充放电过程中锂离子扩散系数分布曲线示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，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作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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
目前测定锂离子扩散系数的方法分为电化学间接测定和物理直接测定两大类。其中，恒电流间歇滴定技术(GITT)作为常用的锂离子扩散系数的测试方法，重点分析电流与时间之间的关系，其在一定时间间隔t对体系施加一定的恒电流I，在电流脉冲期间，测试工作电极和参比电极之间的电位随时间的变化；这种测试方法计算过程复杂，测试要求苛刻，很难适用于专业的电芯测试柜。基于此，有必要提供一种锂离子扩散系数的测试方法及其应用以解决上述技术问题。
本发明提供一种锂离子扩散系数的测试方法，包括如下步骤：
S1、于0.05C-0.5C电流对锂离子电池恒流充电10-60min，然后静置100-240min，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；
S2、若步骤S1所述锂离子电池的电池电压≤3.65V，则重复步骤S1的操作；
若步骤S1所述锂离子电池的电池电压＞3.65V，则执行步骤S3；
S3、于0.05C-0.5C电流对所述锂离子电池恒流放电10-60min，然后静置100-240min，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；
S4、若步骤S3所述锂离子电池的电池电压≥2.50V，则重复步骤S3的操作；
若步骤S3所述锂离子电池的电池电压＜2.50V，则停止测试。
作为优选的实施方式，所述锂离子扩散系数的测试方法还包括：
S5、根据式一计算得到锂离子扩散系数：
Figure BDA0003596626890000051
其中：DLi为锂离子扩散系数；CLi为锂离子浓度；x为微观尺度下，锂离子电池内部的电解液与活性物质之间的距离；t为弛豫时间；
Figure BDA0003596626890000054
为锂离子浓度分布情况，表示锂离子浓度分布随时间和距离的变化情况；
Figure BDA0003596626890000055
为锂离子浓度分布情况的二阶微分，表示锂离子浓度分布随时间和距离的变化加速情况。
进一步地，所述锂离子浓度CLi通过式一和式二计算得到：
Figure BDA0003596626890000052
其中：DLi为锂离子扩散系数；CLi为锂离子浓度；x为微观尺度下，锂离子电池内部的电解液与活性物质之间的距离；t为弛豫时间；
Figure BDA0003596626890000053
为锂离子浓度分布情况，表示锂离子浓度分布随距离的变化情况；I0为电流的大小；s为极片面积或者有效接触面积；Ziq为锂离子电池的比容量。
作为优选的实施方式，步骤S1中，
所述恒流充电优选为于0.1C电流对锂离子电池恒流充电30min。
在本申请中，通过控制恒流充电在0.05C-0.5C恒流充电10-60min，能够很好地活化锂离子电池，使得锂离子能够更加均匀地迁移嵌入负极中。电流过小(小于0.05C)不利于锂离子电池的活化，过大(大于0.5C)则会使得锂离子不均匀迁移嵌入负极中，大大降低锂离子电池的性能和使用寿命。
所述锂离子电池优选为纽扣电池或者方形铝壳电池。
步骤S2中，以锂离子电池的电池电压≤3.65V作为判断恒流充电的指标，能够很好的判断锂离子电池的活化情况，保证锂离子能够更加均匀地迁移嵌入负极中。
作为优选的实施方式，步骤S3中，
所述恒流放电优选为于0.1C电流对锂离子电池恒流放电20min。
在本申请中，通过控制恒流放电在0.05C-0.5C恒流放电10-60min，能够很好地活化锂离子电池，使得锂离子能够更加均匀地迁移脱出负极。电流过小(小于0.05C)不利于锂离子电池的活化，过大(大于0.5C)则会使得锂离子不均匀迁移脱出负极，大大降低锂离子电池的性能和使用寿命。
步骤S4中，以锂离子电池的电池电压≥2.50V作为判断恒流放电的指标，能够很好的判断锂离子电池的活化情况，保证锂离子能够更加均匀地迁移嵌入负极中。
本发明还提供所述锂离子扩散系数的测试方法的应用，所述锂离子扩散系数的测试方法可以应用于锂离子电池或者测试柜。
所述锂离子电池优选为纽扣电池或者方形铝壳电池；所述测试柜优选为新威恒电流测试柜或LAND测试柜。
本申请的测试方法简单易于实现，计算公式简单易懂，并且能够将复杂的计算过程简易和便捷化，快速获得锂离子电池的锂离子扩散系数。本申请测试方法可以适用于专业的电芯测试柜，有利于电极材料的电化学性能和进行电池化学建模仿真的快速实现，在电化学测试中具有积极的意义。
实施例1
一种锂离子扩散系数的测试方法，包括如下步骤：
S1、于0.1C电流对锂离子电池恒流充电30min，然后静置120min，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；
S2、若步骤S1所述锂离子电池的电池电压≤3.65V，则重复步骤S1的操作；
若步骤S1所述锂离子电池的电池电压＞3.65V，则执行步骤S3；
S3、于0.1C电流对所述锂离子电池恒流放电20min，然后静置120min，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；
S4、若步骤S3所述锂离子电池的电池电压≥2.50V，则重复步骤S3的操作；
若步骤S3所述锂离子电池的电池电压＜2.50V，则停止测试；
S5、根据式一计算得到锂离子扩散系数：
Figure BDA0003596626890000061
其中：DLi为锂离子扩散系数；CLi为锂离子浓度；x为微观尺度下，锂离子电池内部的电解液与活性物质之间的距离；t为弛豫时间；
Figure BDA0003596626890000062
为锂离子浓度分布情况，表示锂离子浓度分布随时间和距离的变化情况；
Figure BDA0003596626890000063
为锂离子浓度分布情况的二阶微分，表示锂离子浓度分布随时间和距离的变化加速情况。
如图1所示为本实施例的充放电过程中锂离子扩散系数分布曲线示意图；从图1可以看出，通过0.1C充放电，测试时间为充电30min，放电时间为20min，锂离子扩散系数的数据分布较集中，没有明显的离散现象。可见，通过本申请方法能够获得本征的锂离子扩散系数数据。
实施例2
一种锂离子扩散系数的测试方法，包括如下步骤：
S1、于0.05C电流对锂离子电池恒流充电40min，然后静置120min，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；
S2、若步骤S1所述锂离子电池的电池电压≤3.65V，则重复步骤S1的操作；
若步骤S1所述锂离子电池的电池电压＞3.65V，则执行步骤S3；
S3、于0.05C电流对所述锂离子电池恒流放电20min，然后静置120min，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；
S4、若步骤S3所述锂离子电池的电池电压≥2.50V，则重复步骤S3的操作；
若步骤S3所述锂离子电池的电池电压＜2.50V，则停止测试；
S5、根据式一计算得到锂离子扩散系数：
Figure BDA0003596626890000071
其中：DLi为锂离子扩散系数；CLi为锂离子浓度；x为微观尺度下，锂离子电池内部的电解液与活性物质之间的距离；t为弛豫时间；
Figure BDA0003596626890000072
为锂离子浓度分布情况，表示锂离子浓度分布随时间和距离的变化情况；
Figure BDA0003596626890000073
为锂离子浓度分布情况的二阶微分，表示锂离子浓度分布随时间和距离的变化加速情况。
如图2所示为本实施例的充放电过程中锂离子扩散系数分布曲线示意图；从图2可以看出，通过0.05C充放电，测试时间为充电40min，放电时间为20min，锂离子扩散系数的数据分布更加集中，没有明显的离散现象。可见，通过本申请方法能够获得本征的锂离子扩散系数数据。
实施例3
一种锂离子扩散系数的测试方法，包括如下步骤：
S1、于0.2C电流对锂离子电池恒流充电30min，然后静置120min，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；
S2、若步骤S1所述锂离子电池的电池电压≤3.65V，则重复步骤S1的操作；
若步骤S1所述锂离子电池的电池电压＞3.65V，则执行步骤S3；
S3、于0.2C电流对所述锂离子电池恒流放电20min，然后静置120min，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；
S4、若步骤S3所述锂离子电池的电池电压≥2.50V，则重复步骤S3的操作；
若步骤S3所述锂离子电池的电池电压＜2.50V，则停止测试；
S5、根据式一计算得到锂离子扩散系数：
Figure BDA0003596626890000081
其中：DLi为锂离子扩散系数；CLi为锂离子浓度；x为微观尺度下，锂离子电池内部的电解液与活性物质之间的距离；t为弛豫时间；
Figure BDA0003596626890000082
为锂离子浓度分布情况，表示锂离子浓度分布随时间和距离的变化情况；
Figure BDA0003596626890000083
为锂离子浓度分布情况的二阶微分，表示锂离子浓度分布随时间和距离的变化加速情况。
如图3所示为本实施例的充放电过程中锂离子扩散系数分布曲线示意图；从图3可以看出，锂离子扩散系数的数据分布更加集中，数据波动比较小，没有明显的离散现象。可见，通过本申请方法能够获得本征的锂离子扩散系数数据。
实施例4
一种锂离子扩散系数的测试方法，包括如下步骤：
S1、于0.5C电流对锂离子电池恒流充电10min，然后静置120min，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；
S2、若步骤S1所述锂离子电池的电池电压≤3.65V，则重复步骤S1的操作；
若步骤S1所述锂离子电池的电池电压＞3.65V，则执行步骤S3；
S3、于0.5C电流对所述锂离子电池恒流放电10min，然后静置120min，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；
S4、若步骤S3所述锂离子电池的电池电压≥2.50V，则重复步骤S3的操作；
若步骤S3所述锂离子电池的电池电压＜2.50V，则停止测试；
S5、根据式一计算得到锂离子扩散系数：
Figure BDA0003596626890000091
其中：DLi为锂离子扩散系数；CLi为锂离子浓度；x为微观尺度下，锂离子电池内部的电解液与活性物质之间的距离；t为弛豫时间；
Figure BDA0003596626890000092
为锂离子浓度分布情况，表示锂离子浓度分布随时间和距离的变化情况；
Figure BDA0003596626890000093
为锂离子浓度分布情况的二阶微分，表示锂离子浓度分布随时间和距离的变化加速情况。
如图4所示为本实施例的充放电过程中锂离子扩散系数分布曲线示意图；从图4可以看出，通过本申请方法能够获得本征的锂离子扩散系数数据，锂离子扩散系数的数据分布较集中；但是当电流增大，时间缩短时，锂离子扩散系数的数据稳定性会相应降低，出现一定的波动范围。
对比实施例1
一种锂离子扩散系数的测试方法，包括如下步骤：
S1、于1.0C电流对锂离子电池恒流充电30min，然后静置120min，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；
S2、若步骤S1所述锂离子电池的电池电压≤3.65V，则重复步骤S1的操作；
若步骤S1所述锂离子电池的电池电压＞3.65V，则执行步骤S3；
S3、于1.0C电流对所述锂离子电池恒流放电20min，然后静置120min，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；
S4、若步骤S3所述锂离子电池的电池电压≥2.50V，则重复步骤S3的操作；
若步骤S3所述锂离子电池的电池电压＜2.50V，则停止测试；
S5、根据式一计算得到锂离子扩散系数：
Figure BDA0003596626890000101
其中：DLi为锂离子扩散系数；CLi为锂离子浓度；x为微观尺度下，锂离子电池内部的电解液与活性物质之间的距离；t为弛豫时间；
Figure BDA0003596626890000102
为锂离子浓度分布情况，表示锂离子浓度分布随时间和距离的变化情况；
Figure BDA0003596626890000103
为锂离子浓度分布情况的二阶微分，表示锂离子浓度分布随时间和距离的变化加速情况。
如图5所示为本实施例的充放电过程中锂离子扩散系数分布曲线示意图；从图5可以看出，锂离子扩散系数的差异较大，无法准确反应锂离子扩散系数的变化规律。可见，充放电的电流过大(大于0.5C)会使得锂离子不均匀迁移嵌入/脱出负极，大大降低锂离子电池的性能和使用寿命。
从本申请的实施例可以看出，在本申请给定的测试参数范围内，能够获得本征的锂离子扩散系数数据，锂离子扩散系数的数据分布更加集中，数据波动比较小，没有明显的离散现象。当充放电的电流增大，充放电的时间缩短时，锂离子扩散系数的数据稳定性会降低，出现比较大的波动范围。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种锂离子扩散系数的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、于0.05C-0.5C电流对锂离子电池恒流充电10-60min，然后静置100-240min，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；
S2、若步骤S1所述锂离子电池的电池电压≤3.65V，则重复步骤S1的操作；
若步骤S1所述锂离子电池的电池电压＞3.65V，则执行步骤S3；
S3、于0.05C-0.5C电流对所述锂离子电池恒流放电10-60min，然后静置100-240min，测量所述锂离子电池的电池电压和比容量；
S4、若步骤S3所述锂离子电池的电池电压≥2.50V，则重复步骤S3的操作；
若步骤S3所述锂离子电池的电池电压＜2.50V，则停止测试。
2.根据权利要求1所述的锂离子扩散系数的测试方法，其特征在于，所述锂离子扩散系数的测试方法还包括：
S5、根据式一计算得到锂离子扩散系数：
Figure FDA0003596626880000011
其中：DLi为锂离子扩散系数；CLi为锂离子浓度；x为微观尺度下，锂离子电池内部的电解液与活性物质之间的距离；t为弛豫时间；
Figure FDA0003596626880000012
为锂离子浓度分布情况，表示锂离子浓度分布随时间和距离的变化情况；
Figure FDA0003596626880000013
为锂离子浓度分布情况的二阶微分，表示锂离子浓度分布随时间和距离的变化加速情况。
3.根据权利要求1所述的锂离子扩散系数的测试方法，其特征在于，步骤S1中，所述恒流充电为于0.1C电流对锂离子电池恒流充电30min。
4.根据权利要求1所述的锂离子扩散系数的测试方法，其特征在于，所述锂离子电池为纽扣电池或者方形铝壳电池。
5.根据权利要求1所述的锂离子扩散系数的测试方法，其特征在于，步骤S3中，所述恒流放电为于0.1C电流对锂离子电池恒流放电20min。
6.权利要求1至5任一项所述的锂离子扩散系数的测试方法，应用于锂离子电池或者测试柜。
7.根据权利要求6所述的锂离子扩散系数的测试方法的应用，其特征在于，所述锂离子电池为纽扣电池或者方形铝壳电池。
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