CN116151051A - 一种锂离子电池注液量确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种锂离子电池注液量确定方法，属于锂离子电池技术领域，包括以下步骤：S1.确定电芯主要应用工况的SOC变化区间，并计算正极料区膨胀系数有效值和负极料区膨胀系数有效值；S2.根据正极料区膨胀系数有效值和正极料区第一状态体积计算得到正极料区第二状态体积，根据负极料区膨胀系数有效值和负极料区第一状态体积计算得到负极料区第二状态体积；S3.根据正极料区第二状态体积、负极料区第二状态体积和电芯内剩余体积，计算电解液实际可注液体积。采用本专利提供的锂离子电池注液量确定方法，无需进行大量实验，且可以精确计算电芯的注液量；本发明考虑了电芯主要应用工况对应的SOC变化区间，避免电解液过多或过少对电芯带来的不利影响。

Description

一种锂离子电池注液量确定方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池注液量确定方法。
背景技术
目前锂离子电池在生产过程中都需要加入电解液才能正常使用，但传统的锂离子电池对电解液注液量的设计已经无法与目前的新型正负极材料相匹配，存在着过量注液导致电芯比能量降低或是少量注液导致电芯安全性得不到保障的问题。传统的锂离子电池注液量设计往往有以下两种方法：方法一实验法；方法二计算法。
其中方法一中需要做大量的重复实验来寻找规律，并从规律中推断该款电芯最佳的注液量，如CN115275361A《一种确定锂电池最佳注液量的方法》，而方法二的计算也随着正负极材料的发展和电芯结构的设计已经无法满足未来的需求，如CN105787140A《确定软包装锂离子电池电解液保有量和注液量的方法》（或同类型其他专利如CN106159346 A《一种锂离子电池注液量的计算方法》），其中该类专利的核心点都是通过材料的孔隙率和电芯内部总容积来判断剩余可供注液空间，再乘上电解液密度算出注液重量，并且有的专利在计算出电解液重量后还会乘上一定的系数来制定最终的注液量，或是加上一些余量来制定最终的注液量，但方法二中最后用来修正的系数或是增加的余量全是依靠主观经验判断或是已有数据作为参考，无法精确确定最佳的系数或是增加的余量，并且随着新材料的发展，以往的经验或是数据无法对新材料进行预估。
发明内容
为了解决上述问题，本专利提供了一种锂离子电池注液量确定方法，无需进行大量实验，并且可以适用于未来采用新材料电极的电池注液量计算。
本发明公开了一种锂离子电池注液量确定方法，包括以下步骤：
S1.确定所设计的电芯主要应用工况对应的SOC变化区间，并计算该区间内正极料区膨胀系数有效值和负极料区膨胀系数有效值；
S2. 根据正极料区膨胀系数有效值和正极料区第一状态体积计算得到正极料区第二状态体积，根据负极料区膨胀系数有效值和负极料区第一状态体积计算得到负极料区第二状态体积；
S3. 根据所述正极料区第二状态体积、所述负极料区第二状态体积和电芯内剩余体积，计算电解液实际可注液体积Vg。
得到实际可注液体积Vg后可根据
Figure SMS_1
计算实际注液量m，其中ρg为电解液密度。
进一步的，电芯内剩余体积根据设计的电芯内部容积、隔膜层体积、箔材层体积之间的约束关系计算得到。
进一步的，所述电解液实际可注液体积Vg计算公式为
Figure SMS_2
，其中，Vs为电芯内剩余体积，Vb为正极料区第一状态体积，Vc为负极料区第一状态体积；exbsoc表示正极料区膨胀系数有效值，excsoc表示负极料区膨胀系数有效值,
Figure SMS_3
为正极料区第二状态体积，
Figure SMS_4
为负极料区第二状态体积；其中，第一状态体积为极片料区膨胀前的体积，在充放电过程中，极片料区发生膨胀以后，体积变为第二状态体积。
所述电芯内剩余体积的计算公式为：
Figure SMS_5
,其中，Va为设计的电芯内部容积，Vd为隔膜层体积，Ve为箔材层体积。
进一步的，所述正极料区膨胀系数有效值计算公式为
Figure SMS_6
；
负极料区膨胀系数有效值计算公式为：
Figure SMS_7
；
其中，exb为电芯内部100%SOC下正极料区膨胀系数，exc为电芯内部100%SOC下负极料区膨胀系数，y1%~y2%为电芯应用工况对应的SOC变化区间。
进一步的，100%SOC下正极料区膨胀系数的计算公式为：
Figure SMS_8
，
其中，xbi为正极料区中各组分所占质量百分比，exbi为正极料区中各组分膨胀系数，ρbi表示正极料区中各组分的真密度。
进一步的，100%SOC下负极料区膨胀系数的计算公式为：
Figure SMS_9
，其中，xci为负极料区中各组分所占质量百分比，exci为负极料区中各组分膨胀系数，ρci表示负极料区中各组分的真密度。
第一状态体积根据极片料区长度、宽度、厚度和真密度等参数测得，具体地，所述正极料区第一状态体积Vb的计算方法为：确定正极料区压实密度ρbyashi，确定正极料区真密度ρbzhen，确定正极料区长度lb，宽度wb，厚度db，正极层数nb，按照公式
Figure SMS_10
计算正极料区第一状态体积Vb；
进一步的，所述负极料区第一状态体积Vc的计算方法为：确定负极料区压实密度ρcyashi，确定负极料区真密度ρczhen，确定负极料区长度lc，宽度wc，厚度dc，正极层数nc，按照公式
Figure SMS_11
计算负极料区第一状态体积Vc
进一步的，所述正极料区真密度按照公式
Figure SMS_12
计算，xbi为正极料区中各组分（如粘结剂、导电剂、活性材料等）所占质量百分比，ρbi为正极料区中各组分真密度。
进一步的，负极料区真密度按照公式
Figure SMS_13
，xci为负极料区中各组分（如粘结剂、导电剂、活性材料等）所占质量百分比，ρci为负极料区中各组分真密度。
进一步，隔膜层体积Vd的计算方法为：确定隔膜孔隙率β，确定隔膜长度ld，宽度wd，厚度dd，按照公式
Figure SMS_14
计算隔膜层体积Vd。
进一步的，箔材层体积Ve的计算方法为：确定箔材长度le，宽度we，厚度de，极耳长度le-2，极耳宽度we-2，箔材层数ne，按照公式
Figure SMS_15
计算箔材层体积Ve。
进一步的，电解液理论可注液体积
Figure SMS_16
。
进一步的，先确定设计电芯的容积Va，再确定电芯内部各组分的第一状态体积。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1.采用本专利提供的锂离子电池注液量确定方法，无需进行大量实验，且可以精确计算电芯的注液量；
2.本发明考虑了各组分第一状态体积，通过引入第一状态体积，精确计算出电池中剩余的真实可供注液空间，计算结果更加准确；
3.本发明考虑了电芯主要应用工况对应的SOC变化区间，可以根据给定的真实使用时的SOC区间对电芯的电解液真实需求量进行计算，避免电解液过多或过少对电芯带来的不利影响，有利于发挥出电芯的最佳性能。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。
实施例1
实施例1：采用本专利设计注液量
1)设计电芯冲坑尺寸为47mm×60mm×4mm，Va=11280mm3。
2)设计正极极片，其中正极料区压实密度3.5g/cm3，正极料区长度56mm，宽度43mm，厚度114μm，正极层数12；正极料区中包括97%活性材料（三元正极材料）、1%导电剂、2%粘结剂；活性材料真密度4.57g/cm3，导电剂真密度1.8g/cm3，粘结剂真密度1.77g/cm3，根据
Figure SMS_17
，计算得到正极料区真密度
Figure SMS_18
g/cm3；正极料区第一状态体积Vb=12×56×43×114/1000×3.5/4.3649=2641.413mm3；
3)设计负极极片，其中负极料区压实密度1.6g/cm3，负极料区长度58mm，宽度45mm，厚度121μm，负极层数13；负极料区中包括94.5%活性材料（硅碳）、2%导电剂、3.5%粘结剂；活性材料真密度2.3g/cm3，导电剂真密度1.8g/cm3，粘结剂真密度2.17g/cm3，根据
Figure SMS_19
，计算得到负极料区真密度
Figure SMS_20
g/cm3；负极料区第一状态体积Vc=13×58×45×121/1000×1.6/2.2825=2877.918mm3；
4)采用PP隔膜进行叠片，其中PP隔膜孔隙率为40%，长度1222mm，宽度60mm，厚度12μm，根据公式
Figure SMS_21
，隔膜层体积Vd=1222×60×12/1000×40%=351.936mm3；
5)正极集流体采用铝箔，长度56mm，宽度43mm，极耳长度15mm，极耳宽度6mm，厚度12μm，箔材层数12，铝箔箔材层体积VeAl=12×(56×43+15×6)×12/1000=359.712mm3；负极集流体采用铜箔，长度58mm，宽度45mm，极耳长度15mm，极耳宽度6mm，厚度12μm，箔材层数13，铜箔箔材层体积VeCu=13×(58×45+15×6)×12/1000=421.2mm3；
6)理论可注液体积Vf=11280-2641.413-2877.918-351.936-421.2=4987.533mm3；
7)其中制备的正极料区膨胀系数exb=0.98、负极料区膨胀系数exc=1.3；
8)设计电芯主要运行工况为20%SOC~80%SOC，则正极料区膨胀系数有效值exbsoc=(20%+80%)/2×(0.98-1)+1=0.99，负极料区膨胀系数有效值excsoc=(20%+80%)/2×(1.3-1)+1=1.15
9)实际可注液体积Vg=11280-0.99×2641.413-1.15×2877.918-351.936-421.2=4582.259mm3；
10)电解液密度为1.3g/cm3，实际注液量m=4582.259/1000×1.3=5.956g；
通过本专利设计注液量的电芯，总重量为31.643g，能量密度为257.081Wh/kg，1000圈的容量保持率为83%。
对比例1
根据专利CN 106159346 A中的方法，修正系数0.85。
电解液理论可占有体积为：4987.533mm3，理论电解液注液量：4987.533/1000×1.3=6.4838g，实际电解液注液量：6.4838×0.85=5.51123g；所设计电芯总重量为31.198g，能量密度为260.746Wh/kg。此种设计没有考虑电芯的设计使用工况，当电池在进行充放电时，电解液实际可用量无法满足电池的正常循环，随着循环的进行，电解液逐渐被消耗，导致循环性能快速衰减，其1000圈的容量保持率为76%。
对比例2
采用传统注液设计方法（无修正系数）
电解液理论可占有体积为：4987.533mm3，理论电解液注液量：4987.533/1000×1.3=6.4838g；所设计电芯总重量为32.171g，能量密度为252.863Wh/kg，能量密度降低较多，其1000圈的容量保持率为83%，但注液量高于实施例1，能量密度低于实施例1。
对比例3
采用传统注液设计方法（通过电芯容量计算）
在电解液注液领域，还存在公知的一种注液方式，通过电芯的容量以及注液系数直接进行注液。在实施例中所设计的电芯容量为2.247Ah，所采用的正极材料为三元，注液系数一般按照3g/Ah进行计算，则电芯应注液2.247×3=6.741g，电芯总重量为32.428g，能量密度为250.858Wh/kg，其1000圈的容量保持率为84%，但注液量高于实施例1，能量密度低于实施例1。
表1 实施例和对比例测试结果
Figure SMS_22
通过对比可以看出，实施例制得的电芯能量密度和容量保持率同时保持了较高的水平，电芯在各项性能指标之间取得了较好的平衡，有利于电芯发挥出最佳的性能。
以上即为本实施例列举的实施方式，但本实施例不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本实施例的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本实施例的保护范围的限制，本实施例的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种锂离子电池注液量确定方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.确定所设计的电芯主要应用工况对应的SOC变化区间，并计算该区间内正极料区膨胀系数有效值和负极料区膨胀系数有效值；
S2.根据正极料区膨胀系数有效值和正极料区第一状态体积计算得到正极料区第二状态体积，根据负极料区膨胀系数有效值和负极料区第一状态体积计算得到负极料区第二状态体积；
S3.根据所述正极料区第二状态体积、所述负极料区第二状态体积和电芯内剩余体积，计算电解液实际可注液体积Vg。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池注液量确定方法，其特征在于：所述电芯内剩余体积根据设计的电芯内部容积、隔膜层体积、箔材层体积之间的约束关系计算得到。
3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池注液量确定方法，其特征在于：所述电解液实际可注液体积Vg计算公式为
Figure QLYQS_1
，其中，Vs为电芯内剩余体积，Vb为正极料区第一状态体积，Vc为负极料区第一状态体积；exbsoc表示正极料区膨胀系数有效值，excsoc表示负极料区膨胀系数有效值,
Figure QLYQS_2
为正极料区第二状态体积，
Figure QLYQS_3
为负极料区第二状态体积；
所述电芯内剩余体积的计算公式为：
Figure QLYQS_4
,其中，Va为设计的电芯内部容积，Vd为隔膜层体积，Ve为箔材层体积。
4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池注液量确定方法，其特征在于：所述正极料区膨胀系数有效值计算公式为
Figure QLYQS_5
；
负极料区膨胀系数有效值计算公式为：
Figure QLYQS_6
；
其中，exb为电芯内部100%SOC下正极料区膨胀系数，exc为电芯内部100%SOC下负极料区膨胀系数，y1%~y2%为电芯主要应用工况对应的SOC变化区间。
5.根据权利要求4所述的一种锂离子电池注液量确定方法，其特征在于：100%SOC下正极料区膨胀系数的计算公式为：
Figure QLYQS_7
，
其中，xbi为正极料区中各组分所占质量百分比，exbi为正极料区中各组分膨胀系数，ρbi表示正极料区中各组分的真密度。
6.根据权利要求4所述的一种锂离子电池注液量确定方法，其特征在于: 100%SOC下负极料区膨胀系数的计算公式为：
Figure QLYQS_8
，其中，xci为负极料区中各组分所占质量百分比，exci为负极料区中各组分膨胀系数，ρci表示负极料区中各组分的真密度。
7.根据权利要求3所述的一种锂离子电池注液量确定方法，其特征在于：所述正极料区第一状态体积Vb的计算方法为：确定正极料区压实密度ρbyashi，确定正极料区真密度ρbzhen，确定正极料区长度lb，宽度wb，厚度db，正极层数nb，按照公式
Figure QLYQS_9
计算正极料区第一状态体积Vb；
所述负极料区第一状态体积Vc的计算方法为：确定负极料区压实密度ρcyashi，确定负极料区真密度ρczhen，确定负极料区长度lc，宽度wc，厚度dc，正极层数nc，按照公式
Figure QLYQS_10
计算负极料区第一状态体积Vc。
8.根据权利要求7所述的一种锂离子电池注液量确定方法，其特征在于：所述正极料区真密度按照公式
Figure QLYQS_11
计算，其中，xbi为正极料区中各组分所占质量百分比，ρbi为正极料区中各组分真密度；
所述负极料区真密度按照公式
Figure QLYQS_12
，xci为负极料区中各组分所占质量百分比，ρci为负极料区中各组分真密度。
9.根据权利要求3所述的一种锂离子电池注液量确定方法，其特征在于：所述隔膜层体积Vd的计算方法为：确定隔膜孔隙率β，确定隔膜长度ld，宽度wd，厚度dd，按照公式
Figure QLYQS_13
计算隔膜层体积Vd。
10.根据权利要求3所述的一种锂离子电池注液量确定方法，其特征在于：所述箔材层体积Ve的计算方法为：确定箔材长度le，宽度we，厚度de，极耳长度le-2，极耳宽度we-2，箔材层数ne，按照公式
Figure QLYQS_14
计算箔材层体积Ve。
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