CN116399759A - 电池扩散系数的评估方法、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池扩散系数的评估方法、装置及存储介质,所述方法包括:组装测试电池并确定所述测试电池的电池总电荷量;分别根据预设的多个充放电倍率和所述电池总电荷量对所述测试电池进行充电或者放电,以使所述电池电压达到预设的截止电压;针对每个所述充放电倍率,获取所述电池电压达到所述截止电压时的电池容量;根据所述充放电倍率和所述电池容量计算所述测试电池在所述截止电压下的扩散系数。本发明所提供的技术方案能够解决现有技术中通过平面电极模型评估电池的扩散系数,评估结果精确度较低的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域,尤其涉及一种电池扩散系数的评估方法、装置及存储介质。
背景技术
近年来,随着全球能源消耗的大幅增长和地区不稳定性因素的增加,能源供应形式呈现多样性。为确保可持续发展,使用氢技术和锂离子电池技术解决设备供电问题。其中,锂电池被认为是最实用和最有前途的储能设备,广泛应用于消费电子产品、电动汽车和电网规模设施等大小设备。
固相扩散系数是锂离子电池活性材料最重要的参数之一,决定锂离子电池的充放电倍率能力。特别是在高功率密度方面的应用,锂离子在正极材料中的快速传输是一个关键因素。锂离子扩散系数可以通过电化学实验方法,如恒电流间歇滴定技术(GITT)、恒电位间歇滴定技术(PITT)、循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)等方法。由于各种实验方法测试原理以及各测试参数不同,同一材料有着不同的扩散系数,导致很难评估材料性电池的扩散系数。
现有的技术中,如上述的GITT、PITT和EIS方法均以平面电极模型为理论基础,即认为测试对象为致密的平面,将锂离子电池中的极片理想化为致密电极。事实上,锂离子在电极材料的实际嵌锂过程并不完全稳定,锂离子电池极片属于多孔电极,活性物质颗粒通过导电剂粘结,并且电解液可以渗入。因此,锂离子在活性材料中的脱嵌并非沿着一个方向,而是各个方向均可发生脱嵌锂行为,这种电池特性导致基于平面电极模型的扩散系数测试理论存在一定的误差。恒压恒流充电容量比值法(RPG)虽然是基于球形电极模型求解扩散系数,但对于电子导电性能较差的正极材料存在较大的误差。
发明内容
本发明提供了一种电池扩散系数的评估方法、装置及存储介质,旨在有效解决现有技术中通过平面电极模型评估电池的扩散系数,评估结果精确度较低的技术问题。相比之下,基于球形电极的扩散理论更符合活性材料脱嵌锂的行为,因此使用球形电极模型测试锂离子电池扩散系数更加合理。
根据本发明的一方面,本发明提供一种电池扩散系数的评估方法,所述方法包括:
组装测试电池并确定所述测试电池的电池总电荷量;
分别根据预设的多个充放电倍率和所述电池总电荷量对所述测试电池进行充电或者放电,以使所述电池电压达到预设的截止电压,针对每个所述充放电倍率,获取所述电池电压达到所述截止电压时的电池容量;
根据所述充放电倍率和所述电池容量计算所述测试电池在所述截止电压下的扩散系数。
进一步地,所述组装测试电池包括:
使用参比极片和含待测材料的正极极片组装锂半电池;或,
使用参比极片、负极极片和含待测材料的正极极片组装三电极电池。
进一步地,所述确定所述测试电池的电池总电荷量包括:
使用预设的测试充放电倍率对所述测试电池进行充电或者放电;
充电结束或放电结束时,测量所述测试电池的当前电池容量,并确定该当前电池容量为所述电池总电荷量。
进一步地,所述分别根据预设的多个充放电倍率和所述电池总电荷量对所述测试电池进行充电或者放电,以使所述电池电压达到预设的截止电压包括:
针对多个所述充放电倍率,执行如下循环操作:
根据所述充放电倍率和所述电池总电荷量确定对所述测试电池进行充电或放电时的电流;
使用所述电流对所述测试电池进行充电或者放电,当所述电池电压达到预设的截止电压时,使所述测试电池静置预设时间长度。
进一步地,所述方法还包括:
在所述根据所述充放电倍率和所述电池容量计算所述测试电池在所述截止电压下的扩散系数之前,将多个所述充放电倍率对应的多个电池容量进行累加操作以获得电池容量累加值。
进一步地,所述根据所述充放电倍率和所述电池容量计算所述测试电池在所述截止电压下的扩散系数包括:
根据所述电池容量累加值和所述充放电倍率计算所述扩散系数。
进一步地,所述根据所述电池容量累加值和所述充放电倍率计算所述扩散系数包括:
根据下式计算所述扩散系数:
其中,D表示所述扩散系数,Cx表示每个充放电倍率对应的电池容量,CA表示所述电池容量累加值,r表示锂离子扩散距离,N表示所述充放电倍率,αi表示函数tanα=α的正数解,αi的个数为q,∑表示以αi为变量进行累加运算,exp()表示以自然常数e为底的指数函数。
进一步地,所述方法还包括:
确定所述测试电池的上限电压和下限电压;
在所述上限电压和所述下限电压之间设置多个所述截止电压;
计算每个所述截止电压对应的所述扩散系数;
基于多个截止电压及其对应的多个扩散系数拟合出电压-扩散系数关系式。
根据本发明的另一方面,本发明还提供了一种电池扩散系数的评估装置,所述装置包括:
第一容量确定模块,用于组装测试电池并确定所述测试电池的电池总电荷量;
第二容量确定模块,用于分别根据预设的多个充放电倍率和所述电池总电荷量对所述测试电池进行充电或者放电,以使所述电池电压达到预设的截止电压,针对每个所述充放电倍率,获取所述电池电压达到所述截止电压时的电池容量;
扩散系数计算模块,用于根据所述充放电倍率和所述电池容量计算所述测试电池在所述截止电压下的扩散系数。
根据本发明的另一方面,本发明还提供了一种存储介质,所述存储介质中存储有多条指令,所述指令适于由处理器加载以执行如上所述的任一电池扩散系数的评估方法。
通过本发明中的上述实施例中的一个实施例或多个实施例,至少可以实现如下技术效果:
在本发明所公开的技术方案中,组装测试电池,根据多个充放电倍率对测试电池进行充放电,记录电池容量,根据获得的数据得到截止电压下的扩散系数。本方案依据球形电极模型评估扩散系数,更加贴合实际锂离子在活性材料中的脱嵌锂过程,提高了扩散系数的准确性。
附图说明
下面结合附图,通过对本发明的具体实施方式详细描述,将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本发明实施例提供的一种电池扩散系数的评估方法的步骤流程图;
图2为本发明实施例一提供的一种电池电压-时间变化曲线图;
图3为本发明实施例提供的一种电池扩散系数的评估装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
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,本文中术语“和/或”,仅仅是一种描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B这三种情况。另外,本文中字符“/”,在不做特别说明的情况下,一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
图1所示为本发明实施例所提供的电池扩散系数的评估方法的步骤流程图,根据本发明的一方面,本发明提供一种电池扩散系数的评估方法,所述方法包括:
步骤101:组装测试电池并确定所述测试电池的电池总电荷量;
步骤102:分别根据预设的多个充放电倍率和所述电池总电荷量对所述测试电池进行充电或者放电,以使所述电池电压达到预设的截止电压,针对每个所述充放电倍率,获取所述电池电压达到所述截止电压时的电池容量;
步骤103:根据所述充放电倍率和所述电池容量计算所述测试电池在所述截止电压下的扩散系数。
评估扩散系数时,如果以平面电极模型为理论基础,与实际的锂离子在电极材料中的脱嵌锂行为不符。本方案使用球形电极模型更加贴合实际锂离子在活性材料中的脱嵌锂过程,获得的扩散系数相对更加准确。
在锂离子电池中,电极材料的电压主要受到活性材料表面嵌锂量的影响。当活性材料表面嵌满锂时,材料即无法继续嵌锂,同时到达材料的截止电压。由于锂离子在固相中的扩散相对较慢,当活性材料表面嵌满锂时,其心部由于较慢的扩散过程导致并未嵌满锂,从而导致部分容量不能发挥。而这种现象在不同倍率下所表现出的容量损失有所不同。本方法正是利用该特性,通过分析不倍率下的充电或放电容量与所用倍率间的关系,获得材料的扩散系数。
以下对上述步骤101~103进行具体描述。
在步骤101中,组装测试电池并确定所述测试电池的电池总电荷量。
示例性地,根据应用需求组装测试电池,将含待测材料的极片组装为对锂半电池或三电极电池。其中,可以使用新鲜涂布极片组装电池,也可以用电池组中拆解出的极片组装为对锂半电池或三电极电池。
在步骤102中,分别根据预设的多个充放电倍率和所述电池总电荷量对所述测试电池进行充电或者放电,以使所述电池电压达到预设的截止电压,针对每个所述充放电倍率,获取所述电池电压达到所述截止电压时的电池容量。
示例性地,将组装好的锂半电池或三电极电池进行活化定容,具体来说,使用小倍率对测试电池进行充放电,测试得到电池容量C。
然后将测试电池的电池电压调节至需求的起始电压,然后根据预设的多个充放电倍率对所述测试电池进行充电或者放电。例如,起始电压为V1,分别使用2C、1C、1/2C…1/160C进行放电或充电,其中,充放电倍率x可自行确定,取值范围为6C>x>1/10000C。
截止电压为V1±Ve,其中,V1为起始电压,Ve为电压间隔值。具体来说,当对电池进行放电时,电池电压不断下降,因此截止电压V2为起始电压减去电压间隔值,即放电截止电压V2为V1-Ve,例如起始电压V1为3.2V,Ve为0.1V,则放电截止电压V2为3.1V;当对电池进行充电时,电池电压不断上升,因此截止电压为起始电压加上电压间隔值,即充电截止电压V2为V1+Ve,例如V1为3.2V,Ve为0.1V,则充电截止电压V2为3.3V。
每次放电或充电后需对电池进行充分静置,具体的静置时间根据需求进行确定。
在步骤103中,根据所述充放电倍率和所述电池容量计算所述测试电池在所述截止电压下的扩散系数。
示例性地,根据充放电倍率对测试电压进行多次充放电获得的数据,能够得到对应的截止电压下的扩散系数。对应地,可以得到多个截止电压下的多个扩散系数。在实际应用中,可以针对特定的截止电压确定扩散系数,也可以拟合出电压-扩散系数的变化曲线,以得到上限电压和下限电压之间的任意一个截止电压对应的扩散系数。
进一步地,在步骤101中,所述组装测试电池包括:
使用参比极片和含待测材料的正极极片组装锂半电池;或,
使用参比极片、负极极片和含待测材料的正极极片组装三电极电池。
示例性地,正极极片采用特定的待测材料,例如涂上NCM613活性物质,参比极片为锂极片,用正极极片和锂极片组装锂半电池。或者在正极极片和负极极片之间设置锂极片,以组装三电极电池。
进一步地,在步骤101中,所述确定所述测试电池的电池总电荷量包括:
使用预设的测试充放电倍率对所述测试电池进行充电或者放电;
充电结束或放电结束时,测量所述测试电池的当前电池容量,并确定该当前电池容量为所述电池总电荷量。
示例性地,将组装好的半电池进行活化定容,测试电池组装完成后,使用小倍率对电池充电或者放电,并在结束时测量电池总电荷量C。
进一步地,在步骤202中,所述分别根据预设的多个充放电倍率和所述电池总电荷量对所述测试电池进行充电或者放电,以使所述电池电压达到预设的截止电压包括:
针对多个所述充放电倍率,执行如下循环操作:
根据所述充放电倍率和所述电池总电荷量确定对所述测试电池进行充电或放电时的电流;
使用所述电流对所述测试电池进行充电或者放电,当所述电池电压达到预设的截止电压时,使所述测试电池静置预设时间长度。
示例性地,提前预设多个充放电倍率,将电池电压调节至需求的起始电压时,使用第一个充放电倍率进行充电或放电,当电池电压为截止电压时,停止充放电,使测试电池处于静置状态,充分静置后,再次使用第二个充放电倍率进行充放电,不断重复上述步骤,直至最后一个充放电倍率。
举例来说,对测试电池进行充电来评估扩散系数,电倍率分别为2C、1C、1/2C……1/160C,假设起始电压V1为3.0V,电压间隔值Ve为0.1V,则截止电压V2为3.1V。首先,根据2C确定第一充电电流,使用充电电流对测试电池进行充电,电池电压不断升高,当电池电压为截止电压V2=3.1V时,停止充电,充分静置电池,电池电压逐渐下降。然后确定1C倍率对应的第二充电电流,使用第二充电电流对电池进行充电,当电池电压为截止电压V2=3.1V时,停止充电,充分静置电池,电池电压逐渐下降。然后确定1/2C倍率对应的第三充电电流,重复上述步骤,直至然后确定1/160C倍率对应的充电电流,进行充电。
进一步地,所述方法还包括:
在所述根据所述充放电倍率和所述电池容量计算所述测试电池在所述截止电压下的扩散系数之前,将多个所述充放电倍率对应的多个电池容量进行累加操作以获得电池容量累加值。
进一步地,在步骤103中,所述根据所述充放电倍率和所述电池容量计算所述测试电池在所述截止电压下的扩散系数包括:
根据所述电池容量累加值和所述充放电倍率计算所述扩散系数。
示例性地,使用多个充放电倍率进行充放电,重复相同的充方电过程,多次使电池电压达到截止电压,每次电池电压为截止电压时,计算当前的电池容量。然后将各个充放电操作得到的电池容量进行累加,得到电池容量累加值CA,然后根据充放电倍率N、每次对应的电池容量Cx和电池容量累加值CA计算截止电压V1下的扩散系数。
进一步地,在步骤103中,所述根据所述电池容量累加值和所述充放电倍率计算所述扩散系数包括:
根据下式计算所述扩散系数:
其中,D表示所述扩散系数,Cx表示每个充放电倍率对应的电池容量,CA表示所述电池容量累加值,r表示锂离子扩散距离,N表示所述充放电倍率,αi表示函数tanα=α的正数解,αi的个数为q,∑表示以αi为变量进行累加运算,exp()表示以自然常数e为底的指数函数。
示例性地,在锂离子电池脱嵌锂过程中,事实上材料的截止电压与材料表面的锂离子浓度有关,因此仅需要考虑活性材料表面锂离子浓度的变化。当测试到达截止电压时表明此时材料表面锂离子浓度与理论锂离子浓度相等。恒定电流状态下脱嵌锂时间t和T与容量Cx和CA等效,其中t表示给定倍率性放出或充入Cx容量所用时间;T表示标准倍率(极小倍率以消除极化影响)下放出或充入容量CA所用时间。
根据热传导模型求解球形颗粒的三维扩散方程得到上述公式,将多个充放电倍率对应的多组数据分别带入该公式,最终能拟合出该公式对应的变化曲线,进而得到扩散系数D的具体数值。本方案基于球形电极模型测试锂离子电池扩散系数,可以提高测量精度。
进一步地,所述方法还包括:
确定所述测试电池的上限电压和下限电压;
在所述上限电压和所述下限电压之间设置多个所述截止电压;
计算每个所述截止电压对应的所述扩散系数;
基于多个截止电压及其对应的多个扩散系数拟合出电压-扩散系数关系式。
示例性地,除了直接得到特定的截止电压下的扩散系数,还可以拟合出电压-扩散系数关系式。举例来说,假设测试电池的下限电压为3V,上限电压为4V,电压间隔值Ve为0.1V,通过充电评估扩散系数,则起始电压为3V,第一个截止电压为3.1V,计算得到3.1V对应的扩散系数,然后起始电压为3.1V,截止电压为3.2V,计算得到3.2V对应的扩散系数,以此类推,直至截止电压为4V,得到4V对应的扩散系数,然后可以根据获取的数据拟合出电压-扩散系数关系式,可得到任意电压对应的扩散系数。
下面用实施例一说明评估得到扩散系数的过程。
实施例一
将涂有NCM613活性物质的极片裁切为φ12mm的正极片,将该正极片组装为对锂半电池。将电池电压调整至3.85V,测试3.85V扩散系数。
对组装好的扣式电池进行定容,确定电池容量为3.8mAh。分别使用2C/1C/0.5C/0.25C/0.1C/0.05C/0.02C/0.01C/0.005C进行放电,每次放电后静置5h。图2为本发明实施例一提供的一种电池电压-时间变化曲线图,充放电倍率和电池容量的数据见表1。
表1充放电倍率和电池容量
将表中的数据带入上述的公式,即可求得测试电池在电池电压为3.85V处的扩散系数是2.30×10-13cm2/s。
通过本发明中的上述实施例中的一个实施例或多个实施例,至少可以实现如下技术效果:
在本发明所公开的技术方案中,组装测试电池,根据多个充放电倍率对测试电池进行充放电,记录电池容量,根据获得的数据得到截止电压下的扩散系数。本方案依据球形电极模型评估扩散系数,更加贴合实际锂离子在活性材料中的脱嵌锂过程,提高了扩散系数的准确性。
本发明较于RPG和基于平面电极模型的EIS、GITT、PITT等方法更加准确。
基于与本发明实施例的一种电池扩散系数的评估方法同样的发明构思,本发明实施例提供了一种电池扩散系数的评估装置,请参考图2,所述装置包括:
第一容量确定模块201,用于组装测试电池并确定所述测试电池的电池总电荷量;
第二容量确定模块202,用于分别根据预设的多个充放电倍率和所述电池总电荷量对所述测试电池进行充电或者放电,以使所述电池电压达到预设的截止电压,针对每个所述充放电倍率,获取所述电池电压达到所述截止电压时的电池容量;
扩散系数计算模块203,用于根据所述充放电倍率和所述电池容量计算所述测试电池在所述截止电压下的扩散系数。
进一步地,所述第一容量确定模块201还用于:
使用参比极片和含待测材料的正极极片组装锂半电池;或,
使用参比极片、负极极片和含待测材料的正极极片组装三电极电池。
进一步地,所述第一容量确定模块201还用于:
使用预设的测试充放电倍率对所述测试电池进行充电或者放电;
充电结束或放电结束时,测量所述测试电池的当前电池容量,并确定该当前电池容量为所述电池总电荷量。
进一步地,所述第二容量确定模块202还用于:
根据所述充放电倍率和所述电池总电荷量确定对所述测试电池进行充电或放电时的电流;
针对多个所述充放电倍率,执行如下循环操作:使用所述电流对所述测试电池进行充电或者放电,当所述电池电压达到预设的截止电压时,使所述测试电池静置预设时间长度。
进一步地,所述装置还用于:
在所述根据所述充放电倍率和所述电池容量计算所述测试电池在所述截止电压下的扩散系数之前,将多个所述充放电倍率对应的多个电池容量进行累加操作以获得电池容量累加值。
进一步地,所述扩散系数计算模块203还用于:
根据所述电池容量累加值和所述充放电倍率计算所述扩散系数。
进一步地,所述扩散系数计算模块203还用于:
根据下式计算所述扩散系数:
其中,D表示所述扩散系数,Cx表示每个充放电倍率对应的电池容量,CA表示所述电池容量累加值,r表示锂离子扩散距离,N表示所述充放电倍率,αi表示函数tanα=α的正数解,αi的个数为q,∑表示以αi为变量进行累加运算,exp()表示以自然常数e为底的指数函数。
进一步地,所述装置还用于:
确定所述测试电池的上限电压和下限电压;
在所述上限电压和所述下限电压之间设置多个所述截止电压;
计算每个所述截止电压对应的所述扩散系数;
基于多个截止电压及其对应的多个扩散系数拟合出电压-扩散系数关系式。
其中,所述电池扩散系数的评估装置的其它方面以及实现细节与前面所描述的电池扩散系数的评估方法相同或相似,在此不再赘述。
根据本发明的另一方面,本发明还提供一种存储介质,所述存储介质中存储有多条指令,所述指令适于由处理器加载以执行如上所述的任一电池扩散系数的评估方法。
综上所述,虽然本发明已以优选实施例揭露如上,但上述优选实施例并非用以限制本发明,本领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与润饰,因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种电池扩散系数的评估方法,其特征在于,所述方法包括:
组装测试电池并确定所述测试电池的电池总电荷量;
分别根据预设的多个充放电倍率和所述电池总电荷量对所述测试电池进行充电或者放电,以使所述电池电压达到预设的截止电压,针对每个所述充放电倍率,获取所述电池电压达到所述截止电压时的电池容量;
根据所述充放电倍率和所述电池容量计算所述测试电池在所述截止电压下的扩散系数。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述组装测试电池包括:
使用参比极片和含待测材料的正极极片组装锂半电池;或,
使用参比极片、负极极片和含待测材料的正极极片组装三电极电池。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述确定所述测试电池的电池总电荷量包括:
使用预设的测试充放电倍率对所述测试电池进行充电或者放电;
充电结束或放电结束时,测量所述测试电池的当前电池容量,并确定该当前电池容量为所述电池总电荷量。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述分别根据预设的多个充放电倍率和所述电池总电荷量对所述测试电池进行充电或者放电,以使所述电池电压达到预设的截止电压包括:
针对多个所述充放电倍率,执行如下循环操作:
根据所述充放电倍率和所述电池总电荷量确定对所述测试电池进行充电或放电时的电流;
使用所述电流对所述测试电池进行充电或者放电,当所述电池电压达到预设的截止电压时,使所述测试电池静置预设时间长度。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
在所述根据所述充放电倍率和所述电池容量计算所述测试电池在所述截止电压下的扩散系数之前,将多个所述充放电倍率对应的多个电池容量进行累加操作以获得电池容量累加值。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述根据所述充放电倍率和所述电池容量计算所述测试电池在所述截止电压下的扩散系数包括:
根据所述电池容量累加值和所述充放电倍率计算所述扩散系数。
8.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
确定所述测试电池的上限电压和下限电压;
在所述上限电压和所述下限电压之间设置多个所述截止电压;
计算每个所述截止电压对应的所述扩散系数;
基于多个截止电压及其对应的多个扩散系数拟合出电压-扩散系数关系式。
9.一种电池扩散系数的评估装置,其特征在于,所述装置包括:
第一容量确定模块,用于组装测试电池并确定所述测试电池的电池总电荷量;
第二容量确定模块,用于分别根据预设的多个充放电倍率和所述电池总电荷量对所述测试电池进行充电或者放电,以使所述电池电压达到预设的截止电压,针对每个所述充放电倍率,获取所述电池电压达到所述截止电压时的电池容量;
扩散系数计算模块,用于根据所述充放电倍率和所述电池容量计算所述测试电池在所述截止电压下的扩散系数。
10.一种存储介质,其特征在于,所述存储介质中存储有多条指令,所述指令适于由处理器加载以执行如权利要求1至8中任一项所述的方法。
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