CN114966443A - 电芯过量比的测试方法 - Google Patents

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曹志颖
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Sunwoda Electric Vehicle Battery Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种电芯过量比的测试方法，包括：获取三电极电芯，三电极电芯为化成前的电芯或者完全放电后的电芯，三电极电芯包括正极、负极、参比电极、第一隔膜以及第二隔膜；第一隔膜和第二隔膜处于正极和负极之间，且参比电极处于第一隔膜和第二隔膜之间；对三电极电芯进行充电；对充电中的三电极电芯进行充电容量检测，以得到三电极电芯在正极满脱锂状态时的第一充电容量C0以及三电极电芯在负极满嵌锂时的第二充电容量C1；所述第二充电容量C1与所述第一充电容量C0的比值为所述三电极电芯的过量比。应用本发明的技术方案能够有效地解决相关技术中的测量电芯实际过量比的方法容易检测不准确问题。

Description

电芯过量比的测试方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池性能测试技术领域，具体而言，涉及一种电芯过量比的测试方法。
背景技术
锂离子电池因其性能优异而得到广泛应用，发展至今，已经成为了一种不可替代的能源装置。在锂离子电池研发过程中，工作者需要对电芯各方面性能进行深入的分析，从而进一步改进产品设计或寻找当前所存在的问题根因等。
锂离子电池负极电位较低，若在低温环境、大倍率条件下充电或过充电，可能会导致负极电位降低至析锂电位，而析锂的发生会导致电池性能衰减加剧，甚至安全风险，为了尽量避免析锂的发生，通常在设计电芯时使负极过量，即过量比(相同面积极片的负极容量与正极容量的比值，通常简称为NP值或CB值)大于1。然而当电芯加工完成之后，电芯的实际过量比和设计过量比可能存在偏差，因此需要在电芯出厂前对其实际过量比进行测试。
目前采用的测量电芯过量比的方法为：先获得一定极片面积上的涂布物质总质量，再通过活性物质含量参数以及活性物质克容量参数计算得到过量比。采用上述方式，一旦出现混料失误使活性物质含量异常，或者出现活性材料本身异常的情况，将无法准确地得出电芯的实际过量比。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电芯过量比的测试方法，以解决现有技术中的测量电芯实际过量比的方法容易检测不准确问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种电芯过量比的测试方法，包括：获取三电极电芯，三电极电芯为化成前的电芯或者完全放电后的电芯，三电极电芯包括正极、负极、参比电极、第一隔膜以及第二隔膜；第一隔膜和第二隔膜处于正极和负极之间，且参比电极处于第一隔膜和第二隔膜之间；对三电极电芯进行充电；对充电中的三电极电芯进行充电容量检测，以得到三电极电芯在正极满脱锂状态时的第一充电容量C0以及三电极电芯在负极满嵌锂时的第二充电容量C1；第二充电容量C1与第一充电容量C0的比值为三电极电芯的过量比。
进一步地，对三电极电芯进行充电的步骤包括：将三电极电芯连接在数据采集设备上，并采集正极相对负极的电位信息、负极相对参比电极的电位信息以及三电极电芯的充电容量。
进一步地，对充电中的三电极电芯进行充电容量检测，以得到三电极电芯在正极满脱锂状态时的第一充电容量C0以及三电极电芯在负极满嵌锂时的第二充电容量C1的步骤包括：判断正极相对负极的电位是否达到三电极电芯的上限截止电压V0，当正极相对负极的电位达到三电极电芯的上限截止电压V0时，则得到第一充电容量C0。
进一步地，第一充电容量C0的计算方式为：C0＝T1×C×W，其中，T1为当正极相对负极的电位为V0时所对应的充电时长，C为三电极电芯的设计容量，W为充电倍率。
进一步地，对充电中的三电极电芯进行充电容量检测，以得到三电极电芯在正极满脱锂状态时的第一充电容量C0以及三电极电芯在负极满嵌锂时的第二充电容量C1的步骤包括：判断负极相对参比电极的电位是否达到预设值V1，负极相对参比电极的电位达到预设值V1时，则判定为三电极电芯达到负极满嵌锂状态，记录此时的充电容量记C1，其中，预设值V1为0V。
进一步地，第二充电容量C1的计算方式为：C1＝T2×C×W，其中，T2为当三电极电芯的负极相对参比电极的电位达到预设值V1时所对应的充电时长，C为三电极电芯的设计容量，W为充电倍率。
进一步地，对三电极电芯进行充电的步骤包括：以能够减小三电极电芯极化的固定倍率对三电极电芯进行充电。
进一步地，固定倍率在0.02C至0.1C之间。
进一步地，三电极电芯为多个，在第二充电容量C1与第一充电容量C0的比值为三电极电芯的过量比的步骤之后，电芯过量比的测试方法还包括：取多个三电极电芯的过量比的平均值作为多个三电极电芯的过量比。
进一步地，选取三电极电芯的步骤包括：在同一生产批次中选取多个电芯作为多个三电极电芯。
应用本发明的技术方案，由于过量比等于相同面积极片的负极容量与正极容量的比值，因此只要获得电芯从未充电状态到正极满脱锂状态时的第一充电容量C0，再获得电芯从为未充电状态到负极满嵌锂时的第二充电容量C1，C1/C0的比值即为电芯的真实过量比。根据上述发明够构思，为了便于测量第一充电容量C0和第二充电容量C1，可选取化成前的电芯作为待测电芯，在待测电芯上增加参比电极制成三电极电芯，三电极电芯能够便于测量负极相对于参比电极的电位信息，有利于获得第二充电容量C1。上述测试方法对三电极电芯进行实际充电，并获知三电极电芯从未充电状态到正极满脱锂状态时的第一充电容量C0，再获得三电极电芯从为未充电状态到负极满嵌锂时的第二充电容量C1，通过C1/C0得出待测三电极电芯的真实过量比。由于三电极电芯是由选取好的待测电芯制成的，因此三电极电芯的过量比接近待测电芯的过量比。本申请的测试方法不必依靠极片涂布材料的特性参数进行电芯过量比的计算，克服了出现活性物质含量异常或者出现活性材料本身异常时，测出的电芯的过量比与真实的过量比差距过大的缺陷。采用本申请的技术方案测出的过量比与电芯的真实过量比更加接近，能够更好的反应电芯的真实过量比。
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电芯过量比的测试方法的实施例的流程图；
图2示出了本发明的实验对比例一的电容量-电压曲线图；以及
图3示出了本发明的实验对比例二的电容量-电压曲线图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
L1、实验对比例一的正极相对于负极的电位；
L2、实验对比例一的负极相对于参比电极的电位；
L3、实验对比例二的正极相对于负极的电位；
L4、实验对比例二的负极相对于参比电极的电位。
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。
电芯在出厂前检测时会测试电芯的实际过量比，看电芯的实际过量比和设计过量比是否差距较大，以此来判定电芯是否符合设计要求。但是通过涂布物质总质量、活性物质含量以及活性物质克容量计算得到过量比的方式比较依赖活性物质含量以及活性物质克容量等计算参数，一旦上述参数不能反映真实的涂布材料的性状，例如出现活性物质含量异常，或者出现活性材料本身异常的情况，则依照上述方法测试出的电芯的实际过量比与电芯的真实过量比也具有较大差距，仍不能反映电芯过量比的真实情况。发明人在长期研究后提出了另一种电芯过量比的测试方法，具体方法如下：
如图1所示，本发明的电芯过量比的测试方法包括：步骤S10：获取三电极电芯，三电极电芯为化成前的电芯或者完全放电后的电芯，三电极电芯包括正极、负极、参比电极、第一隔膜以及第二隔膜，第一隔膜和第二隔膜处于正极和负极之间，且参比电极处于第一隔膜和第二隔膜之间；步骤S20：对三电极电芯进行充电；步骤S30：对充电中的三电极电芯进行充电容量检测，以得到三电极电芯在正极满脱锂状态时的第一充电容量C0以及三电极电芯在负极满嵌锂时的第二充电容量C1；第二充电容量C1与和第一充电容量C0的比值以作为三电极电芯的过量比。
在本实施例中，三电极电芯可以通过提前在电芯制备过程中装入第二隔膜和参比电极制得，具体制作步骤如下：1)取一定长度的外层裹有绝缘层的金属丝，一端利用酸或脱漆剂腐蚀，使其露出金属表面，得到参比电极；2)将参比电极经过腐蚀处理的一端埋入电池卷芯，置于第一隔膜与正极和负极之间，并用第二隔膜将参比电极与正极、负极分别隔开，另一端引出至电池体外，并通过锡焊或点焊等方式转接极耳，对电池进行注液、封口工序，得到三电极电芯。以上步骤1中的一定长度可以根据实际测试情况确定，例如5cm、10cm、20cm等尺寸，在此不做限定。
在本实施例中，三电极电芯也可以通过拆解现有电芯，截取部分正极和负极，并将截取得到的正极、负极，与提前备好的第一隔膜、第二隔膜以及参比电极重新组装制得三电极电芯，具体制作步骤如下：1)电池拆解打开，裁切长宽均为5cm的正极和负极；2)取一定长度的外层裹有绝缘层的金属丝，一端利用酸或脱漆剂腐蚀，使其露出金属表面，得到参比电极；3)将步骤1和步骤2中获得的参比电极和裁切好的正极和负极，与提前备好的第一隔膜、第二隔膜重新组装得到全电池，该全电池即为三电极电芯。步骤3中具体组装过程为将参比电极经过腐蚀处理的一端置于第一隔膜与正负极之间，并用第二隔膜将参比电极与正极、负极分别隔开，另一端引出至电池体外，并通过锡焊或点焊方式转接极耳，之后进行注液、封口工序，得到全电池。以上步骤1中，正极和负极的长宽尺寸可以根据实际需要进行调整，5cm仅作为举例，而不作为限定，在实际过程中可以选择8cm、10cm、20cm等尺寸。步骤2中的一定长度可以根据实际测试情况确定，例如5cm、10cm、20cm等尺寸，在此不做限定。
上述所制得的三电极电芯中，第一隔膜和第二隔膜处于正极和负极之间，参比电极处于第一隔膜和第二隔膜之间，参比电极可以选择金属锌、金属银、金属铂或者金属铜等。上述制作完成的三电极电芯，需提前分别以电芯的正极、负极作为镀锂正极，参比电极作为镀锂负极依次对参比电极镀锂；若三电极电芯未经历过首次充电，则只需以电池的正极作为镀锂正极，参比电极作为镀锂负极对参比电极镀锂；镀锂电流为0.005mA～0.5mA，镀锂时间为0.5h～10h。
应用本实施例的技术方案，由于过量比等于相同面积极片的负极容量与正极容量的比值，因此只要获得电芯从未充电状态到正极满脱锂状态时的第一充电容量C0，再获得电芯从为未充电状态到负极满嵌锂时的第二充电容量C1，C1/C0的比值即为电芯的真实过量比。根据上述发明构思，为了便于测量第一充电容量C0和第二充电容量C1，可选取化成前的电芯作为三电极电芯，在三电极电芯上增加参比电极制成三电极电芯，三电极电芯能够便于测量负极相对于参比电极的电位信息，有利于获得第二充电容量C1。上述测试方法对三电极电芯进行实际充电，并获知三电极电芯从未充电状态到正极满脱锂状态时的第一充电容量C0，再获得三电极电芯从为未充电状态到负极满嵌锂时的第二充电容量C1，通过C1/C0得出三电极电芯的真实过量比。由于三电极电芯是由选取好的待测电芯制成的，因此三电极电芯的过量比接近待测电芯的过量比。本申请的测试方法不必依靠极片涂布材料的特性参数进行电芯过量比的计算，克服了出现活性物质含量异常或者出现活性材料本身异常时，测出的电芯的过量比与真实的过量比差距过大的缺陷。采用本申请的技术方案测出的过量比与电芯的真实过量比更加接近，能够更好的反应电芯的真实过量比。
当然，在其他实施例中，也可以选取完全放电的电芯作为三电极电芯，并将三电极电芯制作成三电极电芯。需要说明的是，上述的“完全放电”后的电芯指的是电芯经过化成，或者是电芯已经进行过充电操作，再将电量完全释放后的电芯。
进一步地，步骤S20包括：将三电极电芯连接在数据采集设备上，并采集正极相对负极的电位信息、负极相对参比电极的电位信息以及三电极电芯的充电容量。上述步骤中，采用数据采集设备监测三电极电芯的数据信息，具体地，数据采集设备可以为数据采集仪或者数据记录仪等，上述设备能够实时监测电极电芯的正极相对负极的电位信息、负极相对参比电极的电位信息以及三电极电芯的充电容量等，便于检测人员在三电极电芯的正极达到满脱锂状态时，记录第一充电容量C0，在三电极电芯的负极达到满嵌锂时记录第二充电容量C1，从而便于得出三电极电芯的真实过量比。
需要说明的是，数据采集设备为安捷伦数据采集仪或者日置数据记录仪等。上述设备用于检测三电极电芯的电流、电压、容量、温度等，并能够绘制出曲线图，从而便于对三电极电芯进行数据检测。
本申请还给出了如何判断三电极电芯达到正极达到满脱锂状态的方法。具体地，在本实施例中，步骤S30包括：判断正极相对负极的电位是否达到三电极电芯的上限截止电压V0，当三电极电芯的正极相对负极的电位达到三电极电芯的上限截止电压V0时，则表明三电极电芯达到正极达到满脱锂状态，记录此时数据采集设备上显示的第一充电容量C0。
具体地，第一充电容量C0的计算方式为：C0＝T1×C×W，其中，T1为当三电极电芯的正极相对负极的电位为V0时所对应的充电时长，C为三电极电芯的设计容量，W为充电倍率。
需要说明的是，上述的“上限截止电压”为充电截止电压，指的是在规定的恒流充电期间，电芯达到完全充电状态时的电压，该电压与电池的种类有关，不同种类电池的上限截止电压不同，例如三元锂电池电芯的充电截止电压为4.2V，磷酸铁锂电芯的充电截止电压为3.8V。
相应地，本申请还给出了如何判断三电极电芯达到负极达到满嵌锂状态的方法。具体地，在本实施例中，步骤S30还包括：判断负极相对参比电极的电位是否达到预设值V1，负极相对参比电极的电位达到预设值V1时，则判定为三电极电芯达到负极满嵌锂状态，记录此时的充电容量记C1。
在本实施例中，预设值为V1为0V。当负极相对参比电极的电位为0V时，说明此时负极材料中的晶格已经嵌满锂离子，即三电极电芯负极达到满嵌锂状态，如果此时不停止充电，会导致负极相对参比电极的电位为负值，此时三电极电芯会充电过量，负极处于析锂状态，因此需要在负极相对参比电极的电位为0V时停止充电，获取到准确的C1值。
具体地，第二充电容量C1的计算方式为：C1＝T2×C×W，其中，T2为当三电极电芯的负极相对参比电极的电位达到预设值V1时所对应的充电时长，C为三电极电芯的设计容量，W为充电倍率。
进一步地，在本实施例中，对三电极电芯进行充电的步骤包括：以能够减小三电极电芯极化的固定倍率对三电极电芯进行充电。充电容量等于充电时间乘以充电电流，以恒定的电流对三电极电芯进行充电便于计算第一充电容量C0和第二充电容量C1。
需要说明的是，应以较小的固定倍率对三电极电芯进行充电，可尽量消除极化。在本实施例中，固定倍率在0.02C至0.1C之间。固定倍率可以为0.02C、0.04C、0.05C、0.08C或者0.1C。优选地，在本实施例中，固定倍率为0.05C。
进一步地，为了提升电芯的实际过量比的精确性，三电极电芯为多个，在步骤S30之后，电芯过量比的测试方法还包括：取多个三电极电芯的过量比的平均值作为多个三电极电芯的过量比。上述方式能够提升测试电芯的实际过量比的精确性。
优选地，步骤S10包括：在同一生产批次中选取多个电芯作为多个三电极电芯。统一批次的电芯生产工艺较为接近，便于测试人员针对测试结果排查电芯的生产加工过程。
实验对比例一：
取两颗相同批次的三元体系锂离子电池，型号为4060D8的软包电芯，设计容量为2.75Ah，满充电上限截止电压为4.2V,并且已知其过量比设计值为1.03；以0.05C对电芯进行首次充电,充电过程中用日置数据记录仪(型号为LR8401-21)监测三电极电芯的正极相对负极、负极相对参比电极的电位信息，采点间隔30S/点，并通过日置数据记录仪绘制以充电容量为横坐标，以电压为纵坐标的电压的电容量-电压曲线图(如图2所示)。截取全电池电位达到上限截止电压4.2V时所对应的充电容量，记为C0，截取负极电压到达0V时所对应的充电容量，记为C1，C1与C0的比值(C1/CO)即为电池的真实过量比。数据结果如下表1所示。根据测试及计算结果可知该电芯的真实过量比与设计值接近，无异常。
表1实施例1电芯的容量截取值
Figure BDA0003643351300000061
实验对比例二：
取另两颗相同批次的三元体系锂离子电池，型号为4060D8的软包电芯，设计容量为2.75Ah，满充电上限截止电压为4.2V,并且已知其过量比设计值为1.03；以0.05C对电芯进行首次充电,充电过程中用日置数据记录仪(型号为LR8401-21)监测三电极电芯的正极相对负极、负极相对参比电极的电位信息，采点间隔30S/点，并通过日置数据记录仪绘制以充电容量为横坐标，以电压为纵坐标的电压的电容量-电压曲线(如图3所示)。截取全电池电位达到上限截止电压4.2V时所对应的充电容量，记为C0，截取负极电压到达0V时所对应的充电容量，记为C1，C1与C0的比值(C1/CO)即为电池的真实过量比。数据结果如下表2所示。根据测试及计算结果可知该批次电芯的真实过量比低于设计值较多，属于异常现象，存在很大析锂风险。
表2实施例2电芯的容量截取值
Figure BDA0003643351300000071
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)

1.一种电芯过量比的测试方法，其特征在于，包括：
获取三电极电芯，所述三电极电芯为化成前的电芯或者完全放电后的电芯，所述三电极电芯包括正极、负极、参比电极、第一隔膜以及第二隔膜；所述第一隔膜和所述第二隔膜处于所述正极和负极之间，且所述参比电极处于所述第一隔膜和第二隔膜之间；
对所述三电极电芯进行充电；
对充电中的所述三电极电芯进行充电容量检测，以得到所述三电极电芯在所述正极满脱锂状态时的第一充电容量C0以及所述三电极电芯在所述负极满嵌锂时的第二充电容量C1；所述第二充电容量C1与所述第一充电容量C0的比值为所述三电极电芯的过量比。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，对所述三电极电芯进行充电的步骤之后包括：
将所述三电极电芯连接在数据采集设备上，并采集所述正极相对所述负极的电位信息、所述负极相对所述参比电极的电位信息以及所述三电极电芯的充电容量。
3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，对充电中的所述三电极电芯进行充电容量检测，以得到所述三电极电芯在所述正极满脱锂状态时的第一充电容量C0以及所述三电极电芯在所述负极满嵌锂时的第二充电容量C1的步骤包括：
判断所述正极相对所述负极的电位是否达到所述三电极电芯的上限截止电压V0，当所述正极相对所述负极的电位达到所述三电极电芯的上限截止电压V0时，则得到所述第一充电容量C0。
4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，所述第一充电容量C0的计算方式为：
C0＝T1×C×W，其中，所述T1为当所述正极相对所述负极的电位为V0时所对应的充电时长，所述C为三电极电芯的设计容量，所述W为充电倍率。
5.根据权利要求2所述的电芯过量比的测试方法，其特征在于，对充电中的所述三电极电芯进行充电容量检测，以得到所述三电极电芯在正极满脱锂状态时的第一充电容量C0以及所述三电极电芯在负极满嵌锂时的第二充电容量C1的步骤包括：
判断所述负极相对所述参比电极的电位是否达到预设值V1，所述负极相对所述参比电极的电位达到所述预设值V1时，则判定为所述三电极电芯达到负极满嵌锂状态，记录此时的充电容量记C1，其中，所述预设值V1为0V。
6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述第二充电容量C1的计算方式为：
C1＝T2×C×W，其中，所述T2为当所述负极相对所述参比电极的电位达到所述预设值V1时所对应的充电时长，所述C为三电极电芯的设计容量，所述W为充电倍率。
7.根据权利要求1所述的电芯过量比的测试方法，其特征在于，对所述三电极电芯进行充电的步骤包括：以能够减小所述三电极电芯极化的固定倍率对所述三电极电芯进行充电。
8.根据权利要求7所述的电芯过量比的测试方法，其特征在于，所述固定倍率在0.02C至0.1C之间。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电芯过量比的测试方法，其特征在于，所述三电极电芯为多个，在所述第二充电容量C1与所述第一充电容量C0的比值为所述三电极电芯的过量比的步骤之后，所述电芯过量比的测试方法还包括：
取多个所述三电极电芯的过量比的平均值作为多个所述三电极电芯的过量比。
10.根据权利要求9所述的电芯过量比的测试方法，其特征在于，选取三电极电芯的步骤包括：在同一生产批次中选取多个电芯作为多个所述三电极电芯。
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