CN116487676A - 一种单片电池及电池材料的筛选方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种单片电池及电池材料的筛选方法，其中，单片电池包括正极片、负极片和参比电极，参比电极设置在正极片和负极片之间，在正极片与参比电极之间以及负极片与参比电极之间设置隔膜，以使参比电极与正极片和负极片均分隔开。在本申请中，由于三电极单片电池具有用料少和电池制作时长短的特点，有利于为电池材料的快速筛选提供简单安全的测试手段，进而提高了操作人员的测试效率。
Description
技术领域
本申请涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种单片电池及电池材料的筛选方法。
背景技术
锂离子电池具有体积小、质量轻、无记忆效应、较高的能量密度和循环寿命等优点，被广泛地应用于移动电子设备、新能源汽车、航空航天，储能等领域。
目前，倍率性能差的电池在快速充放电过程中容易导致电池性能衰减加快，严重时可造成电池内部短路，发生起火爆炸。现有技术中常使用为软包电池设置第三电极的方式来测试负极电位，通过检测负极的析锂风险以分析电池的倍率性能。但由于软包电池的制作工艺(如热压等)较复杂，用料多以及制作时长较久等问题，导致对电池做测试时的时间成本以及制作成本等都较高，降低了操作人员的测试效率。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种单片电池及电池材料的筛选方法，由于三电极单片电池具有用料少和电池制作时长短的特点，有利于为电池材料的快速筛选提供简单安全的测试手段，进而提高了操作人员的测试效率。
第一方面，本申请实施例提供了一种单片电池，所述单片电池包括：正极片、负极片和参比电极；所述参比电极设置在所述正极片和所述负极片之间，在所述正极片与所述参比电极之间以及所述负极片与所述参比电极之间设置隔膜，以使所述参比电极与所述正极片和所述负极片均分隔开。
在本申请的一种可选实施例中，所述参比电极是通过对铜丝进行镀锂得到的。
在本申请的一种可选实施例中，所述隔膜材料为聚乙烯或聚丙烯。
第二方面，本申请实施例还提供了一种电池材料的筛选方法，应用在如上所述的单片电池，所述方法包括：
采集所述单片电池在预设时间段内以不同倍率的电流进行充放电时的电压数据集；
根据预设时间段内的不同倍率的电流确定所述单片电池的荷电状态；
根据所述电压数据集以及所述单片电池的荷电状态，确定单片电池在不同倍率下的电压随着所述荷电状态变化的电压变化曲线；
通过对所述电压变化曲线进行分析，确定倍率性能满足预设要求的电池材料。
在本申请的一种可选实施例中，所述电压数据集中的电压值包括以下之一：所述正极片与所述负极片之间的第一电压值、所述负极片与所述参比电极之间的第二电压值和所述正极片与所述参比电极之间的第三电压值。
在本申请的一种可选实施例中，电池材料包括以下之一：电解液材料、正极材料和负极材料。
在本申请的一种可选实施例中，当所述电压数据集包括所述负极片与所述参比电极之间的第二电压值，所述电池材料包括负极材料时，通过对所述电压变化曲线进行分析，确定倍率性能满足预设要求的电池材料的步骤，包括：
获取指定荷电状态值；
根据对所述电压变化曲线进行分析，得到所述指定荷电状态值对应的单片电池在不同倍率下的待测第二电压值；
若检测到所有倍率下的待测第二电压值大于预设电压阈值，则确定所述单片电池当前的负极材料为倍率性能满足预设要求的电池材料。
在本申请的一种可选实施例中，当所述电压数据集包括所述正极片与所述参比电极之间的第三电压值，所述电池材料包括正极材料时，通过对所述电压变化曲线进行分析，确定出倍率性能满足预设要求的电池材料的步骤，包括：
根据所述电压变化曲线，确定指定第三电压值及所述指定第三电压值对应的电压变化幅度；
若检测到所述电压变化幅度在预设幅度范围内，则确定所述单片电池当前的正极材料为倍率性能满足预设要求的电池材料。
在本申请的一种可选实施例中，所述方法还包括：
获取所述单片电池中正极片的第一欧姆阻抗、第一成膜阻抗和第一电荷转移阻抗，以及负极片的第二欧姆阻抗、第二成膜阻抗和第二电荷转移阻抗；
若检测到所述第一欧姆阻抗、所述第一成膜阻抗和所述第一电荷转移阻抗均在相对应的第一预设阻抗范围内，则确定用于制备所述单片电池的正极片的电池材料满足预设要求；
若检测到所述第二欧姆阻抗、所述第二成膜阻抗和所述第二电荷转移阻抗均在相对应的第二预设阻抗范围内，则确定用于制备所述单片电池的负极片的电池材料满足预设要求。
在本申请的一种可选实施例中，所述方法还包括：
若检测到所述第一欧姆阻抗、所述第一成膜阻抗和所述第一电荷转移阻抗中任一个均超出相对应的第一预设阻抗范围，则确定所述正极片的电池材料不满足预设要求；
若检测到所述第二欧姆阻抗、所述第二成膜阻抗和所述第二电荷转移阻抗中任一个均超出相对应的第二预设阻抗范围，则确定所述负极片的电池材料不满足预设要求。
本申请实施例提供一种单片电池及电池材料的筛选方法，其中，单片电池包括正极片、负极片和参比电极，参比电极设置在正极片和负极片之间，在正极片与参比电极之间以及负极片与参比电极之间设置隔膜，以使参比电极与正极片和负极片均分隔开。在本申请中，由于三电极单片电池具有用料少和电池制作时长短的特点，有利于为电池材料的快速筛选提供简单安全的测试手段，进而提高了操作人员的测试效率。
进一步地，利用该单片电池进行电池材料的筛选，可以采集到更加全面的数据信息，进而实现快速检测并进行电池材料筛选的目的，成本较低，效率较高，同时筛选的精度较高。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种单片电池的结构示意图；
图2为本申请实施例所提供的一种电池材料的筛选方法的流程图；
图3为本申请实施例所提供的一种电压数据集中的电压变化示意图；
图4为本申请实施例所提供的一种电压变化曲线的示意图；
图5为本申请实施例所提供的另一种电压变化曲线的示意图；
图6为本申请实施例所提供的另一种电压变化曲线的示意图；
图7为本申请实施例所提供的另一种单片电池的结构示意图；
图8为本申请实施例所提供的另一种电压数据集中的电压变化示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的每个其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设有”、“安装”、“连通”、“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，或一体地连接；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。
首先，对本申请可适用的应用场景进行介绍。本申请可应用于电池领域，其中，锂离子电池具有体积小、质量轻、无记忆效应、较高的能量密度和循环寿命等优点，被广泛地应用于移动电子设备、新能源汽车、航空航天，储能等领域。
目前，倍率性能差的电池在充放电过程中容易导致电池性能衰减加快，严重时可造成电池内部短路，发生起火爆炸。现有技术中常使用为软包电池设置第三电极的方式来测试负极电位，通过检测负极的析锂风险以分析电池的倍率性能。但由于软包电池的制作工艺(如热压等)较复杂以及制作时长较久等问题，导致对电池做测试时的时间成本以及制作成本等都较高，降低了操作人员的测试效率。
基于此，本申请实施例提供一种单片电池及电池材料的筛选方法，由于三电极单片电池具有用料少和电池制作时长短的特点，有利于为电池材料的快速筛选提供简单安全的测试手段，进而提高了操作人员的测试效率。进一步地，利用该单片电池进行电池材料的筛选，可以采集到更加全面的数据信息，进而实现快速检测并进行电池材料筛选的目的，成本较低，效率较高，同时筛选的精度较高。
请参阅图1，图1为本申请实施例所提供的一种单片电池的结构示意图。如图1中所示，本申请实施例提供的单片电池，包括：正极片、负极片和参比电极；参比电极设置在正极片和负极片之间，在正极片与参比电极之间以及负极片与参比电极之间设置隔膜，以使参比电极与正极片和负极片均分隔开。
这里，正极片的正极材料包括但不限于：涂在铝箔上的磷酸铁锂、氧化钴锂、氧化锰锂或三元化合物。负极片的负极材料包括但不限于：涂在铜箔上的石墨或钛酸锂。隔膜材料为聚乙烯或聚丙烯。
具体地，参比电极是通过对铜丝进行镀锂(镀锂电流I≤20μA，镀锂时间t≤12h)得到的。其中，参比电极是测量各种电极电势时作为参照比较的电极。将被测定的电极与精确已知电极电势数值的参比电极构成电池，测定电池的电压值，就可计算出被测定电极的电极电势。在参比电极上进行的电极反应必须是单一的可逆反应，电极电势稳定和重现性好。
本申请实施例中，在开发单片电池时，关键在于参比电极置于正极片和负极片之间，并分别用隔膜将参比电极与正极片和负极片隔离。正极可以为涂有磷酸铁锂的铝箔，负极可以为涂有石墨的铜箔，用铝塑膜封装、注电解液后上夹具，经陈化、化成、老化和分容后，对铜丝进行镀锂得到参比电极，以得到三电极单片电池。
进而，镀锂后的三电极单片电池由于结构简单、用料少、体积小、制作时长短、开发成本低、获取电极间的电压数据较全面等特点，主要用于电池的开发测试中，以进行电池材料的快速且精确筛选和材料体系的搭配等，操作安全简单，不仅能够提高操作人员的测试效率，还能够对电池的性能进行深入分析。
由于本申请实施例中的单片电池具有用料少，制作时长短，测试方便安全等优点，使得该单片电池相对于软包电池、铝壳电池等更适合对电池材料进行初步电性能分析，具有较高的稳定性和可靠性，而且可以用来进行长循环测试。进而，将单片电池结合三电极技术手段能够用来快速检测电池材料的动力学、倍率充电性能、正/负极阻抗变化等，从而达到对电池材料进行筛选的目的。另外，还能够在长循环测试后分别对正负极进行电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)测试，以为电池的失效分析提供可靠信息。
基于此，本申请实施例提供了一种电池材料的筛选方法。请参阅图2，图2为本申请实施例所提供的一种电池材料的筛选方法，应用在如图1所示的单片电池，所述方法包括：
S201、采集单片电池在预设时间段内以不同倍率的电流进行充放电时的电压数据集。
S202、根据预设时间段内的不同倍率的电流确定单片电池的荷电状态。
S203、根据电压数据集以及单片电池的荷电状态，确定单片电池在不同倍率下的电压随着荷电状态变化的电压变化曲线。
S204、通过对电压变化曲线进行分析，确定倍率性能满足预设要求的电池材料。
本申请实施例提供的电池材料的筛选方法，利用图1中所示的单片电池采集更加全面的数据信息，进行电池材料的筛选，能够实现快速检测并进行电池材料筛选的目的，成本较低，效率较高，同时筛选的精度较高。
下面针对上述步骤进行示例性说明：
在步骤S201中，采集单片电池在预设时间段内以不同倍率的电流进行充放电时的电压数据集。
这里，预设时间段指的是监控单片电池以不同倍率的电流进行充放电时的时间段，可以根据实际测试情况进行设置。其中，倍率是用来表示电池充放电能力，单位为C，这里，倍率用于表示电流的大小，示例性的，不同倍率的电流包括：0.5C、0.75C、1C、1.5C、2C。
电压数据集包括多个电压值，这里的电压值可以包括以下之一：正极片与负极片之间的第一电压值、负极片与参比电极之间的第二电压值和正极片与参比电极之间的第三电压值。示例性的，电压数据集可以包括以不同倍率的电流进行充放电时所获取到的多个第一电压值，或电压数据集可以包括以不同倍率的电流进行充放电时所获取到的多个第二电压值，或电压数据集可以包括以不同倍率的电流进行充放电时所获取到的多个第三电压值；电压数据集也可以包括以不同倍率的电流进行充放电时所获取到的多个第一电压值和多个第二电压值，或包括以不同倍率的电流进行充放电时所获取到的多个第二电压值和多个第三电压值等；电压数据集还可以包括以不同倍率的电流进行充放电时所获取到的多个第一电压值、多个第二电压值和多个第三电压值。
由此可知，本申请实施例能够同时采集负极片与参比电极之间的第二电压值和正极片与参比电极之间的第三电压值，有助于同时对负极片和正极片进行监控，进而实现同时对正极材料和负极材料的分析测试，达到为锂离子电池筛选具有高倍率性能的电池材料的目的，大幅节约了原材料使用量，减少了研发经费的开支，节省了材料筛选时间。
本申请实施例中，通过电压采集仪可以采集电压数据集，举例说明，如图3所示，图3为本申请实施例所提供的一种电压数据集中的电压变化示意图。电压采集仪采集单片电池在100000S内以0.5C放电→0.5C充电→0.5C放电→0.75C充电→0.5C放电→1C充电→0.5C放电→1.5C充电→0.5C放电→2C充电→0.5C放电的电流进行充放电时的电压数据集，进而可以在测试过程中用电压数据采集仪对正极/负极、正极/参比电极和负极/参比电极的电位进行分别监控。
上述步骤中，通过电压采集仪可以采集到正极片与负极片之间的第一电压值、负极片与参比电极之间的第二电压值和正极片与参比电极之间的第三电压值，通过采集到的电压值的变化情况可以判断出测试电池的电化学体系(正极、负极和电解液)的倍率性能。若检测到正极片和负极片分别对参比电极的电压变化幅度在预设幅度范围内，则确定单片电池当前的正极、负极和电解液材料为倍率性能满足预设要求的电池材料，通过单一因子试验可达到筛选材料的目的。其中，预设要求可以根据能够进行批量生产的电池要求进行确定；也可以根据实际需求进行确定。
在步骤S202中，根据预设时间段内的不同倍率的电流确定单片电池的荷电状态。
这里，荷电状态(state of charge，SOC)是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0～1，当SOC＝0时表示电池放电完全，当SOC＝1时表示电池完全充满。其中，可以采用放电实验法、开路电压法、安时积分法、卡尔曼滤波法、神经网络法等对荷电状态进行预测，本申请实施例中，采用安时积分法对荷电状态进行预测。安时积分法计算方法简单、可靠，能够对电池的荷电状态进行实时的估算。
此外，也可以将安时积分法和开路电压法进行结合来估算电池的荷电状态，其中，开路电压法用来估算电池的初始荷电状态，安时积分法用于实时估算，并且在算式中添加相关修正因子，以提高计算准确性。
在步骤S203中，根据电压数据集以及单片电池的荷电状态，确定单片电池在不同倍率下的电压随着荷电状态变化的电压变化曲线。
这里，在步骤S201和步骤S202的基础上，可以基于得到的电压数据集以及单片电池的荷电状态，拟合出单片电池在不同倍率下的电压随着荷电状态变化的电压变化曲线。
具体地，该电压变化曲线可以包括单片电池的正极与参比电极之间的电压随着荷电状态变化的电压变化曲线，也可以包括单片电池的负极与参比电极之间的电压随着荷电状态变化的电压变化曲线。
举例说明，如图4和图6所示，在图4中，示出了以不同倍率的电流进行充放电时的负极与参比电极之间的电压随着荷电状态变化的多条电压变化曲线，其中，各条电压变化曲线对应的充放电倍率不同；在图6中，示出了以不同倍率的电流进行充放电时的正极与参比电极之间的电压随着荷电状态变化的多条电压变化曲线，其中，各条电压变化曲线对应的充放电倍率不同。
在步骤S204中，通过对电压变化曲线进行分析，确定倍率性能满足预设要求的电池材料。
这里，倍率性能是不同电流下的充电性能。充电倍率越大，电池性能衰减速度越快，而且当电池的充放电倍率差异过大时，将加剧电池组的一致性衰减。可以根据实际需求进行电池材料的选择和配比，以得到倍率性能满足预设要求的电池材料。
其中，电池材料包括以下之一：电解液材料、正极材料和负极材料。
具体地，电解液需要满足电导率高、热稳定性好、化学稳定性高、电化学窗口宽、工作温度范围宽、安全性好等性能指标。电解液主要成分是溶剂、溶质和添加剂等原料，按比例在一定条件下调制而成。正极材料包括但不限于：涂在铝箔上的磷酸铁锂、氧化钴锂、氧化锰锂或三元化合物。负极材料包括但不限于：涂在铜箔上的石墨或钛酸锂。可以根据用户的实际需求，对上述电池材料进行筛选和配比，以获得倍率性能满足预设要求的电池材料。
一种可选的实施例中，当电压数据集包括负极片与参比电极之间的第二电压值，电池材料包括负极材料时，步骤S204包括：
步骤2041、获取指定荷电状态值；
这里，指定荷电状态值可以根据操作人员的实际工作经验总结得出。
步骤2042、根据对电压变化曲线进行分析，得到指定荷电状态值对应的单片电池在不同倍率下的待测第二电压值；
根据电压变化曲线，可以得到指定荷电状态值对应的多个待测第二电压值，各个待测第二电压值对应的充电倍率不同。
步骤2043、若检测到所有倍率下的待测第二电压值大于预设电压阈值，则确定单片电池当前的负极材料为倍率性能满足预设要求的电池材料。
这里，预设电压阈值可以根据操作人员的实际工作经验总结得出。若检测到所有第二电压值都大于预设电压阈值，则确定单片电池当前的负极材料为倍率性能满足预设要求的电池材料。
举例说明，如图4所示，随着SOC的增长，到0.6—0.7之间，如SOC为0.75时，根据1.5C和2C对应的电压变化曲线确定出的与0.75对应的电压值小于0V，说明这款电池材料(负极材料)对倍率充电性能有不良影响，0V以上是正常的，而0V以下则存在析锂风险(预设电压阈值为0V)，基于此，可以使电池材料选择有一定的参考意义，比如要满足电池高倍率性能的目的，电池中就不能选择这款电池材料。基于此，改变单片电池的电池材料(如电解液材料、正极材料和负极材料)，可以得到任一倍率对应的电压变化曲线上的电压值都大于0V，如图5所示，那电池就可以选择这款电池材料，有助于后续开发大倍率电池的应用。即可以采用上述方式进行适当电池材料的匹配，然后对电池进行测试，据此进行选取电池材料。
通过上述方式，本申请实施例能够根据采集到的负极片与参比电极之间的第二电压值分析负极的析锂风险，有助于实现对负极材料的分析测试，达到为锂离子电池筛选具有高倍率性能的负极材料的目的，大幅节约了用于测试的单片电池的电池材料的使用量，减少了研发经费的开支，同时节省了电池材料的筛选时间。
一种可选的实施例中，当电压数据集包括正极片与参比电极之间的第三电压值，电池材料包括正极材料时，步骤S204还包括：
步骤2044、根据电压变化曲线，确定指定第三电压值及指定第三电压值对应的电压变化幅度；
其中，指定第三电压值指的是从电压变化曲线确定出的电压变化最小且容量变化较大时对应的电压范围内的任意值，其中，变化较大的容量指的是与变化最大的容量相距预设容量阈值的容量范围内的任意容量；电压变化幅度指的是电压范围的最小值和最大值之间的差值。其中，预设容量阈值可以由测试人员根据电池要求对应的数值确定。
步骤2045、若检测到电压变化幅度在预设幅度范围内，则确定单片电池当前的正极材料为倍率性能满足预设要求的电池材料。
这里，确定单片电池当前的正极材料为倍率性能满足预设要求的电池材料指的是使用该正极材料能够使单片电池满足：在充放电电压平台较稳定的情况下，在不同充放电倍率下，指定第三电压值变化很小。
其中，已知在充放电电压平台较稳定的情况下，平台电压越高越好，在不同充电倍率下，平台电压变化越小越好，这里根据此规定来判断单片电池的正极材料是否满足平台电压的变化规律要求。
其中，预设幅度范围可以由测试人员根据电池要求对应的数值确定。
此外，还可以采用平台容量比率进行判断，如若检测到平台容量比率在预设比率范围内，则确定单片电池当前的正极材料是满足平台电压要求的电池材料。其中，平台容量比率是指在平台电压范围内的充放电容量总占比，预设比率范围可以由测试人员根据电池要求对应的数值确定。
示例性的，三电极单片电池同时可以检测正极片与参比电极之间的第三电压值。电压数据集能提供不同倍率充放电下第三电压值随SOC的变化。从而可以判断正极电极电势在充放电中的稳定性，以及在不同倍率下正极的极化大小，为筛选正极材料提供可靠依据。
举例说明，如图6所示，在充电过程中，正极片与参比电极之间的第三电压值在80％SOC下都能保持稳定，具有较宽的电压平台。随着充电倍率的增加，指定第三电压值也有所增加。0.75C和1C相差不大，但2C的极化有明显增大，但远小于负极的极化。说明电池在大倍率充电方面的性能受限于负极材料。
本申请实施例通过检测正极片与参比电极之间的第三电压值在预设时间段内的电压变化幅度，来判断单片电池当前的正极材料是否为倍率性能满足预设要求的电池材料。操作简单，便于实现，有助于实现对正极材料的分析测试，达到为锂离子电池筛选具有高倍率性能的正极材料的目的，节省了电池材料的筛选时间。
本申请实施例既可以对单片电池的正极片进行监控，又可以对负极片进行监控，通过同时采集负极片与参比电极之间的第二电压值以及正极片与参比电极之间的第三电压值，并进行电池材料的筛选处理，可以判断出单片电池当前的正极材料或负极材料是否为倍率性能满足预设要求的电池材料。具体地，可以更换单片电池当前的正极材料为其他正极材料，进而使用上述方法进行正极材料筛选。
相关方案中，EIS既可以用于选取电池材料，又可以对微观电池参数进行测试，但是现有技术无法独立分析正极与参比电极之间的阻抗以及负极与参比电极之间的阻抗。
基于此，本申请实施例还包括如下方法：
步骤601、获取单片电池中正极片的第一欧姆阻抗、第一成膜阻抗和第一电荷转移阻抗，以及负极片的第二欧姆阻抗、第二成膜阻抗和第二电荷转移阻抗；
步骤602、若检测到第一欧姆阻抗、第一成膜阻抗和第一电荷转移阻抗均在相对应的第一预设阻抗范围内，则确定用于制备所述单片电池的正极片的电池材料满足预设要求；若检测到第二欧姆阻抗、第二成膜阻抗和第二电荷转移阻抗均在相对应的第二预设阻抗范围内，则确定用于制备单片电池的负极片的电池材料满足预设要求。
这里，第一预设阻抗范围包括第一预设阻抗阈值、第二预设阻抗阈值和第三预设阻抗阈值；第二预设阻抗范围包括第四预设阻抗阈值、第五预设阻抗阈值和第六预设阻抗阈值。其中，第一欧姆阻抗、第一成膜阻抗和第一电荷转移阻抗以及第二欧姆阻抗、第二成膜阻抗和第二电荷转移阻抗分别对应的预设阻抗阈值均是不同的，可以定义为：若检测到第一欧姆阻抗小于等于第一预设阻抗阈值、第一成膜阻抗小于等于第二预设阻抗阈值、第一电荷转移阻抗小于等于第三预设阻抗阈值，则确定用于制备单片电池的正极片的电池材料满足预设要求；若检测到第二欧姆阻抗小于等于第四预设阻抗阈值、第二成膜阻抗小于等于第五预设阻抗阈值以及第二电荷转移阻抗小于等于第六预设阻抗阈值，则确定用于制备单片电池的负极片的电池材料满足预设要求。其中，上述提到的预设阻抗阈值均是由测试人员根据电池要求对应的数值确定。具体地，第一预设阻抗阈值大于第四预设阻抗阈值，第二预设阻抗阈值小于第五预设阻抗阈值，第三预设阻抗阈值小于第六预设阻抗阈值。
进一步地，还包括步骤603，步骤603包括：若检测到第一欧姆阻抗、第一成膜阻抗和第一电荷转移阻抗中任一个超出相对应的第一预设阻抗范围，则确定正极片的电池材料不满足预设要求；若检测到第二欧姆阻抗、第二成膜阻抗和第二电荷转移阻抗中任一个超出相对应的第二预设阻抗范围，则确定负极片的电池材料不满足预设要求。
具体地，若检测到第一欧姆阻抗大于第一预设阻抗阈值、第一成膜阻抗大于第二预设阻抗阈值或第一电荷转移阻抗大于第三预设阻抗阈值，则确定正极片的电池材料不满足预设要求；若检测到第二欧姆阻抗大于第四预设阻抗阈值、第二成膜阻抗大于第五预设阻抗阈值或第二电荷转移阻抗大于第六预设阻抗阈值，则确定负极片的电池材料不满足预设要求。
另外，正负极的电荷转移需要保持动力学平衡。相对于负极，正极电荷转移过快会导致负极极化大，易析锂。本申请实施例中的三电极单片电池能够区分检测正极片与负极片的欧姆阻抗、成膜阻抗和电荷转移阻抗。如此，通过分别测试正极和负极的电荷转移阻抗能够为不同正负极材料的匹配提供依据(正极和负极的电荷转移阻抗相近为佳)。
这里，随着电池材料的改变，SEI会随着变化，进而本申请实施例在利用SEI筛选电池材料时，可以在建立同一批同样的电池后，再利用EIS对电池材料进行筛选，如电解液的筛选。
具体地，在步骤601中，欧姆阻抗RS、成膜阻抗和电荷转移阻抗RCT的定义如下：其中，欧姆内阻RS主要是指由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成。成膜阻抗包括负极电解质界面(SEI)的阻抗以及正极电解质界面(CEI)的阻抗。电荷转移阻抗指的是能够阻碍电荷移动或控制电荷移动的转移电阻。
在步骤601中，通过本申请实施例中的单片电池能够区分检测正极片的阻抗以及负极片的阻抗。这里的阻抗包括欧姆阻抗、成膜阻抗和电荷转移阻抗。具体地，正极片与参比电极之间的阻抗主要包括第一欧姆阻抗以及正极电解质界面(CEI)的阻抗RCEI，负极片的阻抗主要包括负极固体电解质界面(SEI)的阻抗RSEI以及第二电荷转移阻抗。
在步骤602中，利用三电极单片电池技术能够在不破坏电池结构的基础上对正极片的第一欧姆阻抗、第一成膜阻抗和第一电荷转移阻抗，以及负极片的第二欧姆阻抗、第二成膜阻抗和第二电荷转移阻抗进行分析。
由于单片电池的第一欧姆阻抗主要来自正极材料，与磷酸铁锂导电性能差，电池内阻较高的特性吻合；由于负极主材石墨的导电率高，因此负极的第二欧姆阻抗相对要低许多。
而电池的成膜阻抗分正极电解质界面(CEI)的阻抗RCEI以及负极电解质界面(SEI)的阻抗RSEI，其中，RSEI占主要部分。同理，电荷转移阻抗也主要来源于负极，说明电池的动力学性能主要受限于负极。这些阻抗参数对于我们选取电池材料具有很大的参考价值。
在进行电池材料的选择时，希望电荷转移阻抗比较小，RSEI阻抗在循环过程中稳定，进而可以将RSEI阻抗和RCT阻抗一起进行电池材料的筛选；
另外，三电极单片电池可以用来评估电池的长循环性能。随着电池的使用次数的增加，正负极的电荷转移阻抗和成膜阻抗会随之增加。通过三电极单片电池的EIS测试给出的正负极各部分阻抗来评估电池的老化程度，以及为失效分析提供有用信息。
通过上述方式，本申请实施例提供的三电极单片电池能够用来快速检测电池材料的动力学、倍率性能和正负极阻抗(RS、RSEI、RCEI和RCT)的变化，从而达到对电池材料筛选和电池老化分析的目的。
进一步地，如图7和图8所示，在图7中，如果参比电极103′置于正极片101′外侧(非正极片101′和负极片102′之间)，且将隔膜104′设置在参比电极103′与正极片101′之间以及正极片101′和负极片102′之间。由图8可得知，则在测试过程中，对正负极(尤其是正极)的对锂电位的检测不敏感。因为参比电极距离正负极片活性位面(充放电反应面)的距离较远，补偿电压变大。对负极对锂电位的检测也不够精确。进而，本申请上述实施例中将参比电极置于正负极片之间(分别用隔膜将参比与正极和负极均分隔开)为最佳方案。
本申请实施例提供了一种单片电池及电池材料的筛选方法，其中，单片电池包括正极片、负极片和参比电极，参比电极设置在正极片和负极片之间，在正极片与参比电极之间以及负极片与参比电极之间设置隔膜，以使参比电极与正极片和负极片均分隔开。在本申请中，由于三电极单片电池具有用料少和电池制作时长短的特点，有利于为电池材料的快速筛选提供简单安全的测试手段，进而提高了操作人员的测试效率。进一步地，利用该单片电池进行电池材料的筛选，可以采集到更加全面的数据信息，进而实现快速检测并进行电池材料筛选的目的，成本较低，效率较高，同时筛选的精度较高。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种单片电池，其特征在于，所述单片电池包括：正极片、负极片和参比电极；所述参比电极设置在所述正极片和所述负极片之间，在所述正极片与所述参比电极之间以及所述负极片与所述参比电极之间设置隔膜，以使所述参比电极与所述正极片和所述负极片均分隔开。
2.根据权利要求1所述的单片电池，其特征在于，所述参比电极是通过对铜丝进行镀锂得到的。
3.根据权利要求1所述的单片电池，其特征在于，所述隔膜材料为聚乙烯或聚丙烯。
4.一种电池材料的筛选方法，其特征在于，应用在如权利要求1至3任一项所述的单片电池，所述方法包括：
采集所述单片电池在预设时间段内以不同倍率的电流进行充放电时的电压数据集；
根据预设时间段内的不同倍率的电流确定所述单片电池的荷电状态；
根据所述电压数据集以及所述单片电池的荷电状态，确定单片电池在不同倍率下的电压随着所述荷电状态变化的电压变化曲线；
通过对所述电压变化曲线进行分析，确定倍率性能满足预设要求的电池材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电压数据集中的电压值包括以下之一：所述正极片与所述负极片之间的第一电压值、所述负极片与所述参比电极之间的第二电压值和所述正极片与所述参比电极之间的第三电压值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，电池材料包括以下之一：电解液材料、正极材料和负极材料。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述电压数据集包括所述负极片与所述参比电极之间的第二电压值，所述电池材料包括负极材料时，通过对所述电压变化曲线进行分析，确定倍率性能满足预设要求的电池材料的步骤，包括：
获取指定荷电状态值；
根据对所述电压变化曲线进行分析，得到所述指定荷电状态值对应的单片电池在不同倍率下的待测第二电压值；
若检测到所有倍率下的待测第二电压值大于预设电压阈值，则确定所述单片电池当前的负极材料为倍率性能满足预设要求的电池材料。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述电压数据集包括所述正极片与所述参比电极之间的第三电压值，所述电池材料包括正极材料时，通过对所述电压变化曲线进行分析，确定出倍率性能满足预设要求的电池材料的步骤，包括：
根据所述电压变化曲线，确定指定第三电压值及所述指定第三电压值对应的电压变化幅度；
若检测到所述电压变化幅度在预设幅度范围内，则确定所述单片电池当前的正极材料为倍率性能满足预设要求的电池材料。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取所述单片电池中正极片的第一欧姆阻抗、第一成膜阻抗和第一电荷转移阻抗，以及负极片的第二欧姆阻抗、第二成膜阻抗和第二电荷转移阻抗；
若检测到所述第一欧姆阻抗、所述第一成膜阻抗和所述第一电荷转移阻抗均在相对应的第一预设阻抗范围内，则确定用于制备所述单片电池的正极片的电池材料满足预设要求；
若检测到所述第二欧姆阻抗、所述第二成膜阻抗和所述第二电荷转移阻抗均在相对应的第二预设阻抗范围内，则确定用于制备所述单片电池的负极片的电池材料满足预设要求。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
若检测到所述第一欧姆阻抗、所述第一成膜阻抗和所述第一电荷转移阻抗中任一个超出相对应的第一预设阻抗范围，则确定所述正极片的电池材料不满足预设要求；
若检测到所述第二欧姆阻抗、所述第二成膜阻抗和所述第二电荷转移阻抗中任一个均超出相对应的第二预设阻抗范围，则确定所述负极片的电池材料不满足预设要求。
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