CN115308630A - 一种电池寿命的衰减分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池寿命的衰减分析方法，所述衰减分析方法包括如下步骤：（1）获取待测失效电池循环过程的电压、电流和容量；（2）计算待测失效电池循环过程的充电中值电压Vc和放电中值电压Vd；（3）计算待测失效电池的内阻‑电压RV；（4）计算待测失效电池的活性锂‑电压SV；（5）对比分析RV和SV，得到电池寿命的衰减原因。本发明提供了一种电池寿命的衰减分析方法，利用电池循环过程中的数据进行计算分析，从而判断电池容量衰减的主要原因，所述分析方法无需额外的测试过程，也无需参比电池，操作方法简单易行，且适用范围广。

Description

一种电池寿命的衰减分析方法
技术领域
本发明属于锂离子电池失效分析领域，涉及一种电池寿命的衰减分析方法。
背景技术
在锂离子动力电池的开发领域，电池寿命评估常用的一种方法是设定条件下的循环测试，通常认为剩余容量到达初始容量的80%时，寿命即终止。然而，在实际评测过程中，会出现循环寿命未到期望值，剩余容量即衰减至80%初始值以下的情况，即电池在循环过程中发生容量失效，如何分析引起容量加速衰减的原因，一直是个庞大而复杂的课题。
CN 112487702A公开了一种基于VMD-HGWO-SVR的锂离子电池剩余使用寿命预测方法，锂离子电池的剩余使用寿命预测是电池健康管理的重要一部分。该方法的具体步骤如下：首先使用变分模态分解方法，将锂电池容量退化数据进行多尺度分解，根据相关系数分析设定合适的阈值，将满足条件的模态函数进行重构，得到消除容量再生和噪声波动后的电池容量数据；然后，基于预处理后的电池容量数据训练SVR模型，并采用改进灰狼优化算法HGWO来优化SVR的超参数；最后，使用好的VMD-HGWO-SVR模型进行锂电池剩余使用寿命预测。该方法解决了锂电池容量数据中容量再生和噪声波动对锂电池剩余寿命预测精度的影响，同时对灰狼优化算法进行三处改进避免预测模型训练时陷入局部最优解，所提方法预测性能稳定，预测结果更精确。
CN 106383324A公开了一种基于容量衰减机理分解分析的锂离子电池寿命预测方法，其包含：步骤一、建立待测锂离子电池的平衡电位方程：结合待测锂离子电池的测试数据，将正负极平衡电位相减，再经极化修正，得到平衡电位方程；步骤二、基于锂离子电池的不同衰减机理建立多衰减模式分解模型，并通过短期老化试验，建立待测锂离子电池的多衰减模式拟合公式并进行衰减趋势预测；步骤三、将多衰减模式拟合公式的预测结果，代入待测锂离子电池的平衡电位方程，进行剩余容量预测。该发明基于锂离子电池容量衰减的不同机理而进行不同衰减模式的分解分析的寿命预测方法，解决了根据实验测试数据简单外推或将锂离子电池寿命衰减简单归因于单一电化学机理的问题。
现有技术中，一种技术方案通过拆解容量失效电池，对电池内部零部件做一些理化测试，通过综合分析理化测试结果，来评判引起容量失效的主要原因，但这种方法过程复杂，耗时较长，且过程存在不可控因素，导致分析结果偏差较大。
另一种技术方案通过获得失效锂电池和新的锂电池的电池容量与电压的一阶导数曲线，通过对比计算曲线上某些相变峰波峰或波谷位移的方法，确定失效锂电池容量减少的主要原因，但随着电池正、负极材料体系变化，曲线会出现相应改变，故这种方法适用的电池类型有限。
还有一种技术方案通过测量并计算待测电池相对于参比电池的在充电及放电过程的欧姆阻抗增长率和弛豫阻抗增长率以及电池的温熵系数增长率绝对值，通过比较待测电池相对于参比电池的欧姆阻抗增长率和弛豫阻抗增长率以及温熵系数增长率绝对值的大小，对电池性能衰减的原因判断，该方法也需要额外的测试，过程也比较复杂。
因此，如何改进现有衰减分析方法，提出一种无需额外测试、无需参比电池、操作方法简单易行且适用范围广的衰减分析方法，是锂离子电池开发阶段的失效分析领域亟需解决的技术问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种电池寿命的衰减分析方法，利用电池循环过程中的数据进行计算分析，从而判断电池容量衰减的主要原因，所述分析方法无需额外的测试过程，也无需参比电池，操作方法简单易行，且适用范围广。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种电池寿命的衰减分析方法，所述衰减分析方法包括如下步骤：
获取待测失效电池循环过程的电压、电流和容量；
计算待测失效电池循环过程的充电中值电压Vc和放电中值电压Vd；
计算待测失效电池的内阻-电压RV；
计算待测失效电池的活性锂-电压SV；
对比分析RV和SV，得到电池寿命的衰减原因。
本发明提供了一种电池寿命的衰减分析方法，利用电池循环过程中的数据进行计算分析，从而判断电池容量衰减的主要原因，所述分析方法无需额外的测试过程，也无需参比电池，操作方法简单易行，且适用范围广。
锂电池的容量随着不断使用，其容量会自然衰减，表现在电压降低，容量不足，这与锂电池的材料特性有关，简单理解就是锂离子电池的活性随着使用会不断降低，直至最终容量全部衰减完。析锂、电极表面钝化膜增厚、可循环锂量的损失、活性物质结构的破坏等均可导致锂电池寿命的衰减。
电池容量衰减的影响因素主要有：电极表面副反应引起的可循环锂量的减少；活性物质的减少（如金属的溶出、结构的破坏、材料的相变等）引起的可循环锂量的减少和阻抗增加；界面膜增厚等因素导致的电池阻抗的增加。
优选地，所述循环过程包括：
设定充电截止电压及截止电流，进行恒流和恒压条件下充电，静置；
设定放电截止电压，进行恒流放电，静置；
重复所述充电和放电，完成循环过程。
优选地，设定充电截止电压及截止电流，进行恒流和恒压条件下充电，所述充电截止电压为4.0V-4.25V，例如可以是4V、4.1V、4.15V、4.2V或4.25V，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，设定充电截止电压及截止电流，进行恒流和恒压条件下充电，所述充电截止电流为0.05-0.2C，例如可以是0.05C、0.08C、0.1C、0.15C或0.2C，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，设定放电截止电压，进行恒流放电，所述放电截止电压为2.5-3V，例如可以是2.5V、2.6V、2.75V、2.9V或3V，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，重复所述充电和放电，所述重复的次数为500-700次，例如可以是500次、550次、600次、650次、700次，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述充电中值电压Vc为充电容量达到总充电容量的一半时的电压。
优选地，所述放电中值电压Vd为放电容量达到总放电容量一半时的电压。
优选地，所述内阻-电压RV的计算方法为：RV=n×(Vc-Vd)，其中0＜n＜1。
通过将循环过程中内阻-电压RV的数据作图，可以得到内阻-电压RV的变化趋势图，该趋势图代表了内阻变化引起的的电池衰减变化趋势。
电池的内阻是影响电池电化学性能的重要因素。电池内阻又分为欧姆内阻和极化内阻。电池的欧姆内阻主要由电极材料、隔膜、电解液以及每种组分的接触电阻共同决定，同时也与电池的结构、大小以及装配有关。极化内阻是电流流过电极时，电极电势偏离平衡电势而引起的内阻。电池的内阻并不是一成不变的，它会在充放电循环中不断改变。这是由于电解质的温度以及浓度在电化学反应中会不停地变化。一般来说，极化内阻会随着电流密度的变大而变大，然而它们之间并不是一种线性关系。一般情况下，内阻较小的电池，其大电流充放电能力强；而内阻较大的电池，大电流放电能力较弱。在循环过程中，电池的内阻会随着电池内部的变化而变化，当电解液干涸或者材料从集流体脱落时，电池的内阻会相应变大。通常情况下，电池的内阻会随着电极材料表面钝化膜的增厚而变大。内阻增大之后会对电池产生不利的影响，比如电池的倍率性能降低，电池容量衰减，放电电压平台降低等。另外，电池的内阻增加与SEI膜的厚度增长有密切联系。
本发明提供的分析方法中通过在循环过程中的测试，计算得出锂电池衰减的原因是否为内阻增大。
优选地，所述活性锂-电压SV的计算方法为：SV=n×(Vc+Vd)，其中0＜n＜1。
通过将循环过程中活性锂-电压SV的数据作图，可以得到活性锂-电压SV的变化趋势图，该趋势图代表了活性锂损失引起的的电池衰减变化趋势。
锂离子电池是靠电池内部活性锂离子在正负极间往返脱嵌完成充放电的过程。电池内活性锂的数量是由正极材料的用量决定的。电池的成本在很大程度上也与正极材料含量有关。当电池中有限的锂离子数量减少时，电池容量也会相应减少。在电池的化成阶段，由于电解液的分解会在电极表面形成一层固体电解质钝化膜，也就是SEI膜。在长期循环中，SEI膜的稳定性影响着电池中活性锂的含量，因为这个过程中会伴随着不可逆反应及活性锂的损失。
本发明提供的分析方法中通过在循环过程中的测试，计算得出锂电池衰减的原因是否为活性锂损失。
0＜n＜1，例如可以是0.1、0.2、0.4、0.6、0.8或0.9，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，对比分析RV和SV对应曲线的变化趋势，得到电池内阻增加和/或活性锂损失引起的电池衰减的变化趋势，得到电池寿命的衰减原因。
由以上技术方案，本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种电池寿命的衰减分析方法，利用电池循环过程中的数据进行计算分析，从而判断电池容量衰减的主要原因，所述分析方法无需额外的测试过程，也无需参比电池，操作方法简单易行，且适用范围广。
附图说明
图1是本发明所提供的是电池寿命的衰减分析方法的流程图。
图2是实施例1所提供的循环图。
图3是实施例1所提供的RV和SV对比图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
实施例1
本实施例提供了一种电池寿命的衰减分析方法，待测失效电池：50Ah 三元能量型软包锂离子电池。
所述衰减分析方法的流程如图1所示，具体包括如下步骤：
（1）获取待测失效电池循环过程的电压、电流和容量；
其中，循环过程包括：
（i）设定充电截止电压为4.25V，设定充电截止电流为0.1C，进行恒流和恒压条件下充电，静置；
（ii）设定放电截止电压为2.75V，进行恒流放电，静置；
（iii）重复上述过程中步骤（i）和步骤（ii），重复的次数为600次，完成循环；
所述循环图如图2所示。
（2）计算待测失效电池循环过程的充电中值电压Vc和放电中值电压Vd；
所述充电中值电压Vc为充电容量达到总充电容量的一半时的电压；
所述放电中值电压Vd为放电容量达到总放电容量的一半时的电压。
（3）计算待测失效电池的内阻-电压RV，RV=n×(Vc-Vd)，n的取值范围为0-1，RV变化曲线如图3所示；
从图3中分析可知，内阻-电压RV变化曲线随循环进行呈现出先降低后不断增加的现象，这主要是因为在循环前期电池体系及界面结构尚不稳定，有修复优化的过程，因此电池阻抗有短时期的降低过程。在体系稳定和界面修复后，随着循环的进行，副反应的发生导致界面不断增厚等原因使得阻抗开始逐渐增大，直至失效。
（4）计算待测失效电池的活性锂-电压SV，SV=n×(Vc+Vd)，n的取值范围为0-1，SV变化曲线如图3所示；
从图3中分析可知，活性锂-电压SV变化曲线随循环的进行，在前期呈现逐渐降低的趋势，在一定循环次数后（对应图中500次），SV变化曲线开始呈现上升的趋势。该趋势的主要原因是在一定循环次数之前，电池内部活性锂大多进行正常的充放电过程，副反应占比较小，活性锂的损失较少；当循环约500次后，锂电池性能逐渐发生衰减，如图2所示，用于正常充放电的活性锂占比逐渐减少，用于副反应的活性锂占比逐渐增加，因此，活性锂-电压SV曲线又呈现了上升趋势。
（5）对比分析RV和SV，可以根据曲线的变化趋势，得到电池内阻增加及活性锂损失引起的电池衰减的变化趋势，由此即可得到电池寿命的衰减原因。
本实施例中电池寿命的衰减原因为：前500次循环，电池寿命衰减的主要原因是内阻的增加，500次循环后，电池寿命衰减的主要原因是活性锂的损失。
本实施例提供的电池寿命的衰减分析方法，利用电池循环过程中的数据进行计算分析，从而判断电池容量衰减的主要原因，所述分析方法无需额外的测试过程，也无需参比电池，操作方法简单易行，且适用范围广。
对比例1
本对比例提供了一种电池寿命的衰减分析方法，待测失效电池：50Ah 三元能量型软包锂离子电池。
具体包括如下步骤：
（1）获取待测失效电池循环过程的电压、电流和容量；
其中，循环过程包括：
（i）设定充电截止电压为4.25V，设定充电截止电流为0.1C，进行恒流和恒压条件下充电，静置；
（ii）设定放电截止电压为2.75V，进行恒流放电，静置；
（iii）重复上述过程中步骤（i）和步骤（ii），重复的次数为600次，完成循环；
（2）获取同款新电池循环过程的电压、电流和容量；
其中，循环过程包括：
（i）设定充电截止电压为4.25V，设定充电截止电流为0.1C，进行恒流和恒压条件下充电，静置；
（ii）设定放电截止电压为2.75V，进行恒流放电，静置；
（iii）重复上述过程中步骤（i）和步骤（ii），重复的次数为600次，完成循环；
（3）计算容量和循环过程电压的一阶导数，对比待测失效电池和同款新电池相变峰波峰或波谷位移，确定电池寿命的衰减原因。
本对比例中因电池中正、负极材料体系的不同，适用电池类型有限。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (7)

1.一种电池寿命的衰减分析方法，其特征在于，所述衰减分析方法包括如下步骤：
获取待测失效电池循环过程的电压、电流和容量；
计算待测失效电池循环过程的充电中值电压Vc和放电中值电压Vd；
计算待测失效电池的内阻-电压RV；
计算待测失效电池的活性锂-电压SV；
对比分析RV和SV，得到电池寿命的衰减原因；
所述充电中值电压Vc为充电容量达到总充电容量的一半时的电压；所述放电中值电压Vd为放电容量达到总放电容量一半时的电压；
所述内阻-电压RV的计算方法为：RV=n×(Vc-Vd)，其中0＜n＜1；
所述活性锂-电压SV的计算方法为：SV=n×(Vc+Vd)，其中0＜n＜1。
2.根据权利要求1所述电池寿命的衰减分析方法，其特征在于，所述循环过程包括：
设定充电截止电压及截止电流，进行恒流和恒压条件下充电，静置；
设定放电截止电压，进行恒流放电，静置；
重复所述充电和放电，完成循环过程。
3.根据权利要求2所述电池寿命的衰减分析方法，其特征在于，所述“设定充电截止电压及截止电流，进行恒流和恒压条件下充电”的步骤中的所述充电截止电压为4.0V-4.25V。
4.根据权利要求2所述电池寿命的衰减分析方法，其特征在于，所述“设定充电截止电压及截止电流，进行恒流和恒压条件下充电”的步骤中的所述充电截止电流为0.05-0.2C。
5.根据权利要求2所述电池寿命的衰减分析方法，其特征在于，所述“设定放电截止电压，进行恒流放电”的步骤中的所述放电截止电压为2.5-3V。
6.根据权利要求2所述电池寿命的衰减分析方法，其特征在于，所述“重复所述充电和放电”的步骤中的所述重复的次数为500-700次。
7.根据权利要求1所述电池寿命的衰减分析方法，其特征在于，对比分析RV和SV对应的曲线变化趋势，得到电池内阻增加和/或活性锂损失引起的电池衰减的变化趋势，得到电池寿命的衰减原因。
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