CN115939534A

CN115939534A - 锂离子电池析锂无损诊断方法

Info

Publication number: CN115939534A
Application number: CN202211485939.2A
Authority: CN
Inventors: 杨陆峰; 陈洁; 王声翔; 谭志坚
Original assignee: Institute of High Energy Physics of CAS; Spallation Neutron Source Science Center
Current assignee: Institute of High Energy Physics of CAS; Spallation Neutron Source Science Center
Priority date: 2022-11-24
Filing date: 2022-11-24
Publication date: 2023-04-07

Abstract

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池析锂无损诊断方法，其包括如下步骤：S1、对电池的电化学曲线的特征参数进行分析；S2、如果所述电化学曲线特征参数小于零，则进行下一步，否者返回上一步；S3、在压力加载装置上放置压力感应膜，将所述电池放置到所述压力感应膜上，利用所述压力加载装置对所述电池施加设定的预压力；S4、在设定的时间内，对所述电池进行循环充放电；S5、利用与所述压力感应膜通信连接的显示装置确定析锂区域；S6、利用中子布拉格边成像表征方法对所述析锂区域进行无损扫描，获得布拉格边衍射谱。本发明能够对锂离子电池的析锂区域以及析锂的含量进行分析。

Description

锂离子电池析锂无损诊断方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池析锂无损诊断方法。

背景技术

锂离子电池在生产生活中被大量使用。锂离子电池在充电时,Li+从正极脱嵌并嵌入负极；但是当一些异常情况；如负极嵌锂空间不足、Li+嵌入负极阻力太大、Li+过快的从正极脱嵌但无法等量的嵌入负极等异常发生时,无法嵌入负极的Li+只能在负极表面得电子,从而形成银白色的金属锂单质,发生析锂现象。析锂不仅使电池性能下降,循环寿命大幅缩短,还限制了电池的快充容量,并有可能引起燃烧、爆炸等灾难。但现有技术中，只能判断是否产生析锂现象，而无法对锂离子电池的析锂区域以及析锂的含量进行分析，从而无法对锂离子电池进行进一步分析优化。

因此，需要一种锂离子电池析锂无损诊断方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池析锂无损诊断方法，能够对锂离子电池的析锂区域以及析锂的含量进行分析。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

锂离子电池析锂无损诊断方法，包括如下步骤：

S1、对电池的电化学曲线的特征参数进行分析；

S2、如果所述电化学曲线特征参数小于零，则进行下一步，否者返回上一步；

S3、在压力加载装置上放置压力感应膜，将所述电池放置到所述压力感应膜上，利用所述压力加载装置对所述电池施加设定的预压力；

S4、在设定的时间内，对所述电池进行循环充放电；

S5、利用与所述压力感应膜通信连接的显示装置确定析锂区域；

S6、利用中子布拉格边成像表征方法对所述析锂区域进行无损扫描，获得布拉格边衍射谱。

进一步地，所述步骤S1中，所述电化学曲线为所述电池的电压波动曲线。

进一步地，所述步骤S3中，所述预压力根据所述电池的类型和体积进行设定。

进一步地，所述步骤S3中，在所述电池的上端面放置第一压垫片，在所述压力感应膜的下端面设置第二压垫片。

进一步地，所述第一压垫片的下端面的面积大于所述电池的上端面的面积。

进一步地，所述第二压垫片的上端面的面积大于所述电池的下端面的面积。

进一步地，所述步骤S3中，所述压力加载装置上设置压力显示器，所述压力显示器用于显示所述预压力的数值。

进一步地，所述步骤S5中，所述显示装置根据所述压力感应膜的受压情形显示不同深浅的颜色。

进一步地，所述步骤S5中，在所述析锂区域进行划线标记。

本发明的有益效果：

本发明所提供的一种锂离子电池析锂无损诊断方法，通过对电池的化学曲线的特征参数进行分析判断是否存在析锂现象，如果存在，则将电池放置到压力加载装置的压力感应膜上，利用压力加载装置对电池施加设定的预压力，在设定的时间内，对电池进行循环充放电，由于析锂的位置相对不析锂的位置会膨胀，从而在充放电的过程中，电池的不同位置施加在压力感应膜上的力不同，通过与压力感应膜通信连接的显示装置确定析锂区域，然后利用中子布拉格边成像表征方法对析锂区域进行无损扫描，获得布拉格边衍射谱。由于中子具有对锂元素和轻元素C敏感的优势，电池材料中的特征物相结构(比如LiC₆,LiC₁₂)有其对应的中子衍射峰特征，通过对这些对应某一类结构物相的中子布拉格边衍射谱进行集成化显现，形成了不同物相在电池中分布的可视化，从而能够对析锂现象进行定量分析，通过多种方法联用，能判断负极表面是否存在锂沉积，为锂离子电池的电化学性能分析提供有效的实验证据，从而为后续对电池进行优化提供基础。

附图说明

图1是本发明一种锂离子电池析锂无损诊断方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

锂离子电池在充电时,Li+从正极脱嵌并嵌入负极；但是当一些异常情况；如负极嵌锂空间不足、Li+嵌入负极阻力太大、Li+过快的从正极脱嵌但无法等量的嵌入负极等异常发生时,无法嵌入负极的Li+只能在负极表面得电子,从而形成银白色的金属锂单质,发生析锂现象。

为了能够对析锂现象的电池进行定区域和定量分析，如图1所示，本发明提供一种锂离子电池析锂无损诊断方法。锂离子电池析锂无损诊断方法包括如下步骤：

S1、对电池的电化学曲线的特征参数进行分析；

S2、如果电化学曲线特征参数小于零，则进行下一步，否者返回上一步；

S3、在压力加载装置上放置压力感应膜，将电池放置到压力感应膜上，利用压力加载装置对电池施加设定的预压力；

S4、在设定的时间内，对电池进行循环充放电；

S5、利用与压力感应膜通信连接的显示装置确定析锂区域；

S6、利用中子布拉格边成像表征方法对析锂区域进行无损扫描，获得布拉格边衍射谱。

根据电化学曲线的特征参数，判断电池是否发生析锂；基于电池的不均匀压力分布测量，获取电池的析锂区域；基于中子布拉格边成像对电池测试，获取电池内部电极材料在不同充电态下析锂区域的实际脱嵌锂状态的分布，从而量化分析不同区域的活性可逆锂含量，以及确定电池不可逆锂损失在电池空间上的分布。结合电池析锂区域在空间上产生的压力分布的测量，增加电池析锂的空间分辨的量化分析的准确性。

进一步地，在步骤S1中，电化学曲线为电池的电压波动曲线。具体地，通过测试站在设定时间周期内对电池进行充放电，获得电压的二阶导数与电压之间的关系即为电压波动曲线。根据电压波动曲线在放电初始阶段出现小于零的数值，即可判断锂电池发生析锂。

进一步地，步骤S3中，预压力根据电池的类型和体积进行设定。对不同的电池，采用不同的预压力，能够实现对不同的电池的精准测试。

进一步地，步骤S3中，在电池的上端面放置第一压垫片，在压力感应膜的下端面设置第二压垫片。通过设置第一压垫片和第二压垫片，能够避免压力加载装置直接施加力在电池上，能够对电池保护。

进一步地，第一压垫片的下端面的面积大于电池的上端面的面积。第二压垫片的上端面的面积大于电池的下端面的面积。通过上述设置，在利用压力加载装置对电池施加压力时，第一压垫片和第二压垫片使压力均匀分布到电池上。从而保证压力感应膜测试的准确性。

进一步地，步骤S3中，压力加载装置上设置压力显示器，压力显示器用于显示预压力的数值。通过设置压力显示器，能够对施加在电池上的预压力进行显示，便于检测人员实时观察，防止出现施加预压力过大造成电池损坏。

进一步地，步骤S5中，显示装置根据压力感应膜的受压情形显示不同深浅的颜色。具体地，检测人员可以直接从显示装置上读取电池空间的压力分布，而且压力大小由压力感应膜上显色颜色深浅程度来判断，便于检测人员快速确定析锂区域。

进一步地，步骤S5中，在析锂区域进行划线标记。通过划线标记，在后续进行中子布拉格边成像表征方法对析锂区域进行无损扫描时，便于快速确定位置，提升检测的效率。

进一步地，通过中子布拉格边成像表征方法确认电池中的可逆活性锂含量和不可逆锂含量分布。通过布拉格边衍射谱的分析，可以确定电池不同区域中电极材料的具体物相结构，并通过衍射峰的强度即可对应确定该物相存在的含量。通过对在充电态和放电态两种物相含量的比较，可以得知锂电池中该区域处能可逆地脱嵌于锂电池电极材料中锂含量，并同时可以确认该处的不可逆的死锂的含量。进而实现对整个锂电池的可逆锂含量和不可逆锂含量的分布的测量。

具体地，对于电池的负极侧，如石墨负极，其结构中如果有高含量锂离子嵌入，其对于该物相中子布拉格边衍射峰会更强，因此可判定该区域处的析锂更少，从而对应的区域受到电池膨胀产生的压力相对较小。反之，如果电池某一区域的析锂较多，可逆进入负极结构中的锂离子就越少，在负极嵌锂态(放电态)时所对应的物相(LiC₆)的衍射峰就越弱，因此更多的锂离子以析锂的方式在该区域聚集，形成更大的局域压力。对于具有不可逆析锂的电池的局域范围内，该区域在充电态下，含有多种晶体结构，以石墨负极为例，其含有LiC₆,LiC₁₂和LiC₂₄等结构，通过对该区域不同类型物相的衍射峰峰强的对比，可以得到不同物相比例的比较，从而可以得知该处的实际嵌入锂含量为多少，进而推断出该区域的不可逆锂含量，实现析锂的定量分析。

针对钠离子电池、锂硫电池、锂空电池等二次离子可充电的电池中金属离子的析出检测和分析也可以采用上述方法，在此不做过多赘述。

相比于目前锂电池析锂的研究方法，本方法对电池析锂的测量具有更准确更充分的优势。可以通过对锂电池析锂的空间分布进行判断是何种原因导致该析锂行为，为锂电池的析锂现象背后的触发机理找到分析的途径，为后续对电池的优化提供分析基础。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.锂离子电池析锂无损诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对电池的电化学曲线的特征参数进行分析；

S4、在设定的时间内，对所述电池进行循环充放电；

2.根据权利要求1所述的锂离子电池析锂无损诊断方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述电化学曲线为所述电池的电压波动曲线。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池析锂无损诊断方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述预压力根据所述电池的类型和体积进行设定。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池析锂无损诊断方法，其特征在于，所述步骤S3中，在所述电池的上端面放置第一压垫片，在所述压力感应膜的下端面设置第二压垫片。

5.根据权利要求4所述的锂离子电池析锂无损诊断方法，其特征在于，所述第一压垫片的下端面的面积大于所述电池的上端面的面积。

6.根据权利要求4所述的锂离子电池析锂无损诊断方法，其特征在于，所述第二压垫片的上端面的面积大于所述电池的下端面的面积。

7.根据权利要求1所述的锂离子电池析锂无损诊断方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述压力加载装置上设置压力显示器，所述压力显示器用于显示所述预压力的数值。

8.根据权利要求1所述的锂离子电池析锂无损诊断方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述显示装置根据所述压力感应膜的受压情形显示不同深浅的颜色。

9.根据权利要求1所述的锂离子电池析锂无损诊断方法，其特征在于，所述步骤S5中，在所述析锂区域进行划线标记。