CN115683264A - 锂电池产气量的评估方法及老化工艺中参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂电池产气量的评估方法及老化工艺中参数优化方法，基于锂电池产气评估装置获得锂电池的排气量，锂电池产气评估装置包括从上至下依次设置的：容纳仓，所述容纳仓中盛满液体；集液器，其位于所述容纳仓下侧以承接容纳仓中溢出的液体；质量计量器，其位于集液器下侧，所述质量计量器用于计量集液器及所述集液器中液体的总质量。其能够实时记录锂电池在不同条件下的产气量和产气速率，适用范围广，成本低，便于操作。

Description

锂电池产气量的评估方法及老化工艺中参数优化方法

技术领域

本发明涉及锂电池检测技术领域，尤其是指一种锂电池产气量的评估方法及老化工艺中参数优化方法。

背景技术

20世纪90年代，锂电池作为新型绿色二次电池被成功开发应用于市场。在近十几年来发展迅猛，在小型二次电池市场中持续占据着最大的市场份额。近几年随着动力锂电池产量迅猛增长，锂电池产品结构也发生了显著变化，电动汽车用锂电池的占比在不断地提升，已经成为锂电池行业的主导力量。此外，随着锂电池在储能电站、5G基站等领域快速渗透，储能用锂离子电池市场占比也在不断提升。

随着锂电池市场占比的不断提升，应用领域的不断拓宽，对锂电池的性能和安全要求也越来越高，对锂电池的研究也越来越深入。锂电池的产气问题一直是研发人员的研究重点，它对电池性能和安全有直接的影响。产气较多，会导致正负极界面贴合状态不佳，充放电不充分，影响容量发挥，电池寿命会受很大的影响。使用过程中不断产气，电池会鼓胀，将外壳撑变形或者导致漏液，正负极界面贴合不好也会持续析锂，最终导致安全事故。因此，优化配方和工艺来减少产气量尤为重要。

目前对锂电池的产气量研究手段较少，主要基于高端的气相色谱质谱联用仪。该设备昂贵，且只能测试反应前后气体的产生量，而无法实时表征反应过程中的产气量以及产气速率。且对于试验样本多，试验次数频繁的情况，极其的不便。因此开发一种简单易操作的产气量表征装置及方法尤其有必要。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中锂电池的产气量测试设备价格昂贵，不便于频繁试验的技术缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种锂电池产气量的评估方法，基于锂电池产气评估装置获得锂电池的排气量，所述锂电池产气评估装置包括从上至下依次设置的：

容纳仓，所述容纳仓中盛满液体；

集液器，其位于所述容纳仓下侧以承接容纳仓中溢出的液体；

质量计量器，其位于集液器下侧，所述质量计量器用于计量集液器及所述集液器中液体的总质量；

所述锂电池产气量的评估方法包括以下步骤：

S1、将锂电池浸没在容纳仓的液体中；

S2、使用质量计量器测量获得集液器及集液器中液体的初始总质量m₀；

S3、对所述锂电池进行充电操作，每隔固定时间记录质量计量器的示数，获得数据集M＝{m₁、m₂、m₃、……m_n}，其中，m_n表示第n次记录的质量计量器的示数；

S4、计算获得各个时间节点锂电池的排气量V＝{v₁、v₂、v₃、……v_n}，其中，v_n为第n个时间节点所对应的排气量，

ρ为液体的密度。

作为优选的，所述S4之后还包括：

S5、根据各个时间节点锂电池的排气量，绘制随时间变化的排气量的曲线拟合图。

作为优选的，所述容纳仓中还设置有固定锂电池的夹具，所述夹具将所述锂电池固定以将锂电池的电极露出液面。

作为优选的，所述锂电池的电极及充电设备密封并置于容纳仓的液体内。

作为优选的，所述质量计量器为电子天平。

作为优选的，所述容纳仓为温度可调节的容纳仓。

本发明公开了一种锂电池老化工艺中参数优化方法，基于上述的锂电池产气量的评估方法，包括：

选取锂电池老化工艺中待优化变量为环境温度，其中，环境温度通过调节容纳仓中液体的温度实现不同环境温度的调控；

测试锂电池在不同环境温度下的排气量，选取排气量达到稳定时所对应时间最短的环境温度作为最佳老化环境温度。

本发明公开了一种锂电池老化工艺中参数优化方法，基于上述的锂电池产气量的评估方法，包括：

选取锂电池老化工艺中待优化变量为电池充电量；

测试锂电池在不同电池充电量下的排气量，选取排气量达到稳定时所对应的最小电池充电量作为老化工艺中最佳电池充电量。

本发明公开了一种锂电池老化工艺中参数优化方法，基于上述的锂电池产气量的评估方法，其特征在于，包括：

选取锂电池老化工艺中待优化变量为充电电流；

测试锂电池在不同充电电流下的排气量，选取排气量达到稳定时，所对应的最小充电电流作为老化工艺中最佳充电电流。

本发明公开了一种锂电池老化工艺中参数优化方法，基于上述的锂电池产气量的评估方法，包括：

选取锂电池老化工艺中待优化变量为环境温度T、电池充电量Q和充电电流I；

通过改变环境温度、电池充电量和充电电流，测试锂电池在不同环境温度、电池充电量和充电电流下的排气量V,其中，10℃＜T＜60℃，0＜Q＜100％，0.05C＜I＜1.0C，其中，C为锂电池电芯的额定容量；

依据不同的环境温度T、电池充电量Q和充电电流I构建函数V(T,Q,I),选取排气量V最大时所对应的环境温度T、电池充电量Q和充电电流I作为最优解。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明能够实时记录锂电池在不同条件下的产气量和产气速率。

2、本发明适用范围广，不仅可以研究不同原材料的差异、评估不同锂电生产工艺的影响，还能用于评估电池材料体系的安全性。

3、本发明中对应的装置和方法简单易操作、成本低。

4、传统的锂电池产气计量方法需要将电芯剪开才能计量排气量，本发明无需将电芯剪口子，能够实现电池的无损检测。

5、本发明中的电池电芯内部是完全密封不和外界接触的，无水分进入或者漏气风险。

6、本发明的电池电芯在软包封口前抽紧实，之后，置于锂电池产气评估装置中，如此，后续只要电芯产生气体，即能够将电池的产气量计量出来。

附图说明

图1为本发明评估锂电池产气的装置结构示意图；

图2为电池充电过程中随SOC变化的排气量曲线图。

说明书附图标记说明：10、容纳仓；20、集液器；30、质量计量器；40、铁架；50、锂电池。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，本发明公开了一种锂电池产气量的评估方法，基于锂电池产气评估装置获得锂电池的排气量，所述锂电池50产气评估装置包括从上至下依次设置的容纳仓10、集液器20和质量计量器30。

所述容纳仓10中盛满液体。容纳仓10可置于铁架40上，也可通过其他方式固定。

集液器20位于所述容纳仓10下侧以承接容纳仓10中溢出的液体。

质量计量器30位于集液器20下侧，所述质量计量器30用于计量集液器20及所述集液器20中液体的总质量。

本发明中锂电池产气量的评估方法包括以下步骤：

S1、将锂电池50浸没在容纳仓10的液体中。

S2、使用质量计量器30测量获得集液器20及集液器20中液体的初始总质量m0。

S3、对所述锂电池50进行充电操作，每隔固定时间记录质量计量器30的示数，获得数据集M＝{m₁、m₂、m₃、……m_n}，其中，m_n表示第n次记录的质量计量器30的示数。

S4、计算获得各个时间节点锂电池50的排气量V＝{v₁、v₂、v₃、……v_n}，其中，v_n为第n个时间节点所对应的排气量，

ρ为液体的密度。

S5、根据各个时间节点锂电池50的排气量，绘制随时间变化的排气量的曲线拟合图。

需要说明的是，本发明中，当锂电池在通电情况下会产生气体，该气体会使得电池鼓胀，由于电池鼓胀，会使得容纳仓中的液体溢出至质量计量器中。通过获取质量计量器的数据，以此可计算排气量。

本发明中，电池电芯内部是完全密封不和外界接触的，无水分进入或者漏气风险。具体的，电池电芯在软包封口前抽紧实，之后，置于锂电池产气评估装置中，如此，后续只要电芯产生气体，即能够将电池的产气量计量出来。

在一实施例中，本发明的容纳仓10中还设置有固定锂电池50的夹具，夹具将锂电池50固定以将锂电池50的电极露出液面。通过将锂电池50的电极露出液面，以此便于对锂电池50进行充电。在另一实施例中，也可不使用夹具，直接将锂电池50的电极及锂电池电极与充电设备的连接处密封并置于容纳仓10的液体内，而充电设备则置于外部，如此，可直接在液体内进行充电。

本发明中，质量计量器30为电子天平。容纳仓10可为烧杯。集液器20可为表面皿。电子天平可实时记录数据，且能够将记录的数据导出，如此，便于获得随时间变化的质量数据集，以便于后续的计算。此外电子天平可选择高精度的电子天平，其测量精度相对较高。

容纳仓10为温度可调节的容纳仓10。具体的，在容纳腔内设置有电阻加热丝和温度传感器，通过电阻加热丝对容纳腔中的液体进行加热，通过温度传感器采集液体温度，当液体达到预设温度时，电阻加热丝则停止加热，通过电阻加热丝与温度传感器配合，以此使得容纳仓10中液体温度可调节。进一步的，本发明中的容纳仓10也可为水浴锅。

在现有的锂电池生产制作过程中，锂离子电池注完液进行化成一般要经过以下过程：

(1)对锂电池充电，在负极表面生成致密且薄SE I膜，SE I膜主要为了保护负极和电解液进一步反应；而负极表面SE I膜生成的好不好和充电时候的环境温度，充电电流，充进去的电量有直接关系；(2)搁置；(3)排气，通过排气将(1)和(2)过程中生成的废气排出去；(4)对锂电池进行密封操作。

因此，为了提高老化工艺的工作效率，选取合适的环境温度、电池充电量和充电电流大小极其重要，下面，本发明公开了一些锂电池老化工艺中参数优化方法。

本发明公开了一种锂电池老化工艺中参数优化方法，基于上述锂电池产气量的评估方法，包括：

选取锂电池老化工艺中待优化变量为环境温度，其中，环境温度通过调节容纳仓中液体的温度实现不同环境温度的调控；

测试锂电池在不同环境温度下的排气量，选取排气量达到稳定时所对应时间最短的环境温度作为最佳老化环境温度。

本发明公开了一种锂电池老化工艺中参数优化方法，基于上述锂电池产气量的评估方法，包括：

选取锂电池老化工艺中待优化变量为电池充电量；

测试锂电池在不同电池充电量下的排气量，选取排气量达到稳定时所对应的最小电池充电量作为老化工艺中最佳电池充电量。

本发明公开了一种锂电池老化工艺中参数优化方法，基于上述锂电池产气量的评估方法，包括：

选取锂电池老化工艺中待优化变量为充电电流；

测试锂电池在不同充电电流下的排气量，选取排气量达到稳定时，所对应的最小充电电流作为老化工艺中最佳充电电流。

本发明公开了一种锂电池老化工艺中参数优化方法，基于上述锂电池产气量的评估方法，其特征在于，包括：

选取锂电池老化工艺中待优化变量为环境温度T、电池充电量Q和充电电流I；

通过改变环境温度、电池充电量和充电电流，测试锂电池在不同环境温度、电池充电量和充电电流下的排气量V,其中，0℃＜T＜60℃，0＜Q＜100％，0.05C＜I＜1.0C(其中C为锂电池电芯的额定容量)；

依据不同的环境温度T、电池充电量Q和充电电流I构建函数V(T,Q,I),选取排气量V最大时所对应的环境温度T、电池充电量Q和充电电流I作为最优解。

下面，结合具体实施例，对本发明中的技术方案做进一步说明与解释。

实施例1：

本实施例用该装置和方法评估电池在化成过程中的产气量情况。

正极片制作：以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂，将正极活性材料(L i Mn₂O₄)、导电剂和PVDF以质量比97.5：1.0：1.5的比例混合，制成正极浆料。将搅拌均匀后的浆料涂覆在15um的集流体铝箔表面，干燥后经辊压和切片，获得正极极片。

负极片制作：以NMP为溶剂，将人造石墨、导电剂和粘结剂以质量比95：1.0：4.0的比例混合，制成负极浆料。将搅拌均匀后的浆料涂覆在8um的集流体铜箔表面，干燥后经辊压和切片，获得负极极片。

将正极片、负极片、隔膜和电解液组装成软包电池(注液量为3g)，搁置24h，然后用夹子架在烧杯上方，确保电芯本体在液面以下，铝塑膜封口区域在页面以上。往烧杯中注入，直到水溢出，流入天平上的表面皿中，静置30mi n，读取天平示数为1.2608g。对电池进行恒流充电，充电电流为0.3A，电压为4.2V，每1mi n记录电池充电数据。天平则每隔10mi n读取下示数。最终读取的天平的示数为10.6742g。

整个过程中电池的充电容量为465mA，过程产生的气体为(10.6742-1.2608)/1＝9.4134mL。且产气主要集中在SOC为20％之前。

参见图2所示，为电池充电过程中随SOC变化的排气量曲线图。

实施例2：

正极片和负极片的制备工艺和实施例1相同。

将正极片、负极片、隔膜和电解液组装成软包电池(注液量增加为5g)，搁置24h。

将电池放入烧杯中，注满水进行充电。充电条件和实施例1相同。

为了精简试验过程，仅记录了充电前后天平的示数，分别为1.4721g和13.1712g。

整个过程中产生的气体为(13.1712-1.4721)/1＝11.6991mL。相比实施例1的产气量增加了接近25％。说明电解液的添加量对电池在老化过程中的产气量影响较大。

实施例3：

本实施例用该装置和方法评估电池在高温搁置下的产气量情况。

正极片和负极片的制作如实施例1。将正极片、负极片、隔膜和电解液组装成软包电池(注液量为3g)，再进行老化处理，得到软包电池成品。测试电池的容量为560mA，最终将电池充满电。

用夹子架在烧杯上方，确保电芯本体在液面以下，铝塑膜封口区域在页面以上。将恒温水浴加热棒放进烧杯中，往烧杯中注入，直到水溢出，流入天平上的表面皿中，静置30mi n，读取天平示数为1.7614g。对烧杯中的水进行恒温加热，升到60℃之后保持24h。最终读取的天平的示数为5.4182g。

过程产生的气体为(5.4182-1.7614)/1＝3.6568mL。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种锂电池产气量的评估方法，其特征在于，基于锂电池产气评估装置获得锂电池的排气量，所述锂电池产气评估装置包括从上至下依次设置的：

容纳仓，所述容纳仓中盛满液体；

集液器，其位于所述容纳仓下侧以承接容纳仓中溢出的液体；

质量计量器，其位于集液器下侧，所述质量计量器用于计量集液器及所述集液器中液体的总质量；

所述锂电池产气量的评估方法包括以下步骤：

S1、将锂电池浸没在容纳仓的液体中；

S2、使用质量计量器测量获得集液器及集液器中液体的初始总质量m₀；

S3、对所述锂电池进行充电操作，每隔固定时间记录质量计量器的示数，获得数据集M＝{m₁、m₂、m₃、……m_n}，其中，m_n表示第n次记录的质量计量器的示数；

S4、计算获得各个时间节点锂电池的排气量V＝{v₁、v₂、v₃、……v_n}，其中，v_n为第n个时间节点所对应的排气量，

ρ为液体的密度。

2.根据权利要求1所述的锂电池产气量的评估方法，其特征在于，所述S4之后还包括：

S5、根据各个时间节点锂电池的排气量，绘制随时间变化的排气量的曲线拟合图。

3.根据权利要求1所述的锂电池产气量的评估方法，其特征在于，所述容纳仓中还设置有固定锂电池的夹具，所述夹具将所述锂电池固定以将锂电池的电极露出液面。

4.根据权利要求1所述的锂电池产气量的评估方法，其特征在于，所述锂电池的电极及所述锂电池电池与充电设备的连接处密封并置于容纳仓的液体内。

5.根据权利要求1所述的锂电池产气量的评估方法，其特征在于，所述质量计量器为电子天平。

6.根据权利要求1所述的锂电池产气量的评估方法，其特征在于，所述容纳仓为温度可调节的容纳仓。

7.一种锂电池老化工艺中参数优化方法，基于权利要求1-6任一项所述的锂电池产气量的评估方法，其特征在于，包括：

选取锂电池老化工艺中待优化变量为环境温度，其中，环境温度通过调节容纳仓中液体的温度实现不同环境温度的调控；

测试锂电池在不同环境温度下的排气量，选取排气量达到稳定时所对应时间最短的环境温度作为最佳老化环境温度。

8.一种锂电池老化工艺中参数优化方法，基于权利要求1-6任一项所述的锂电池产气量的评估方法，其特征在于，包括：

选取锂电池老化工艺中待优化变量为电池充电量；

测试锂电池在不同电池充电量下的排气量，选取排气量达到稳定时所对应的最小电池充电量作为老化工艺中最佳电池充电量。

9.一种锂电池老化工艺中参数优化方法，基于权利要求1-6任一项所述的锂电池产气量的评估方法，其特征在于，包括：

选取锂电池老化工艺中待优化变量为充电电流；

测试锂电池在不同充电电流下的排气量，选取排气量达到稳定时，所对应的最小充电电流作为老化工艺中最佳充电电流。

10.一种锂电池老化工艺中参数优化方法，基于权利要求1-6任一项所述的锂电池产气量的评估方法，其特征在于，包括：

选取锂电池老化工艺中待优化变量为环境温度T、电池充电量Q和充电电流I；

通过改变环境温度、电池充电量和充电电流，测试锂电池在不同环境温度、电池充电量和充电电流下的排气量V,其中，10℃＜T＜60℃，0＜Q＜100％，0.05C＜I＜1.0C，其中，C为锂电池电芯的额定容量；

依据不同的环境温度T、电池充电量Q和充电电流I构建函数V(T,Q,I),选取排气量V最大时所对应的环境温度T、电池充电量Q和充电电流I作为最优解。

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