CN117254130B - 二次电池群裕度的设计方法和计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种二次电池群裕度的设计方法和计算方法，涉及电池技术领域。本发明提供的二次电池群裕度的设计方法，通过半电池设计，一方面能够快速、精准的计算出目标电池的群裕度，以便根据群裕度调整电池体系设计，有助于缩短产品设计周期（可缩短50%‑85%），且不需要对目标电池进行拆解；另一方面可以设计较充足的空间来容纳电芯因充电导致的电芯膨胀，从而提高电池的循环寿命。本发明提供的二次电池群裕度的计算方法，通过半电池设计，能够快速、精准的计算出一系列目标电池的群裕度，且不需要对目标电池进行拆解。

Description

二次电池群裕度的设计方法和计算方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及一种二次电池群裕度的设计方法和计算方法。
背景技术
在电池设计中，会考虑极片的膨胀，设计一定空间容纳电极组件膨胀所带来的厚度增加，即群裕度设计。群裕度是指电池单体实际内部横截面面积与最大内部截面积的比例。以卷绕式电池单体为例，将电池单体横向切开，卷绕式电极组件各物质的截面积与电池单体壳体内径包含的面积的比值。
现有技术中，群裕度的设计方法通常是通过经验值或通过拆解全电池极片的方法来获取数值计算群裕度，此方法是通过实验结果反馈得来，导致周期较长、并且结果滞后。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种二次电池群裕度的设计方法，以解决上述问题中的至少一种。
本发明的第二目的在于提供一种二次电池群裕度的计算方法，以解决上述问题中的至少一种。
第一方面，本发明提供了一种二次电池群裕度的设计方法，包括以下步骤：
a. 获得待设计电池的三电极电池，记录三电极电池充电达到截止电压时的正极电位V1正和负极电位V1负；记录三电极电池放电达到截止电压时的正极电位V2正和负极电位V2负；
b. 以锂片为电极，分别制备三电极电池的正极半电池和负极半电池，所述正极半电池的充放电截止电压与三电极电池的正极相同，所述负极半电池的充放电截止电压与三电极电池的负极相同；
c. 半电池化成后，进行充放电测试，使得半电池极片厚度稳定；
d. 拆解半电池，获得正极半电池电位为V1正时的正极片厚度和负极半电池电位为V2负时的负极片厚度，并计算正极片和负极片的膨胀率，根据膨胀率计算待设计电池电芯的截面积，根据电芯的截面积和电池壳体内部的截面积设计待设计电池群裕度。
作为进一步技术方案，所述充放电测试的循环次数为2-20次。
作为进一步技术方案，所述膨胀率的计算公式为：S正=（T2正-T1正）/T1正；
S负=（T2负-T1负）/T1负；
其中，S正为正极片的膨胀率，T2正为d步骤测得的正极片厚度，T1正为化成前的正极片厚度；S负为负极片的膨胀率，T2负为d步骤测得的负极片厚度，T1负为化成前的负极片厚度。
作为进一步技术方案，根据待设计电芯的厚度计算待设计电池电芯的截面积；
所述待设计电池电芯的厚度为：H=n1×T1正×（1+S正）+n2×T1负×（1+S负）+n3×T隔膜；
其中，H为待设计电池电芯厚度，n1为正极片折数，n2为负极片折数，n3为隔膜折数，T隔膜为隔膜厚度。
作为进一步技术方案，所述群裕度的计算公式为：η=δ1/δ2；
其中，η为群裕度，δ1为待设计电池电芯的截面积，δ2为电池壳体内部的截面积。
作为进一步技术方案，所述群裕度的取值为95%-99%。
作为进一步技术方案，所述待设计电池包括锂离子电池或钠离子电池；
所述待设计电池的类型包括卷绕电池或叠片电池。
第二方面，本发明提供了一种二次电池群裕度的计算方法，包括以下步骤：
a1. 获得待测电池的三电极电池，记录三电极电池充电达到截止电压时的正极电位V1正和负极电位V1负；记录三电极电池放电达到截止电压时的正极电位V2正和负极电位V2负；
b1. 以锂片为电极，分别制备三电极电池的正极半电池和负极半电池，所述正极半电池的充放电截止电压与三电极电池的正极相同，所述负极半电池的充放电截止电压与三电极电池的负极相同；
c1. 半电池化成后，进行充放电测试，使得半电池极片厚度稳定；
d1. 拆解半电池，获得正极半电池电位为V1正时的正极片厚度和负极半电池电位为V2负时的负极片厚度，并计算正极片和负极片的膨胀率，根据膨胀率计算待测电池电芯的截面积，根据电芯的截面积和电池壳体内部的截面积计算待测电池群裕度。
作为进一步技术方案，所述充放电测试的循环次数为2-20次。
作为进一步技术方案，所述膨胀率的计算公式为：S正=（T2正-T1正）/T1正；S负=（T2负-T1负）/T1负；其中，S正为正极片的膨胀率，T2正为d1步骤测得的正极片厚度，T1正为化成前的正极片厚度；S负为负极片的膨胀率，T2负为d1步骤测得的负极片厚度，T1负为化成前的负极片厚度；
待测电池电芯的厚度为：H=n1×T1正×（1+S正）+n2×T1负×（1+S负）+n3×T隔膜；其中，H为待测电池电芯厚度，n1为正极片折数，n2为负极片折数，n3为隔膜折数，T隔膜为隔膜厚度；
所述群裕度的计算公式为：η=δ1/δ2；其中，η为群裕度，δ1为待测电池电芯的截面积，δ2为电池壳体内部的截面积。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的二次电池群裕度的设计方法，通过半电池设计，一方面能够快速、精准的计算出目标电池的群裕度，以便根据群裕度调整电池体系设计，有助于缩短产品设计周期（可缩短50%-85%），且不需要对目标电池进行拆解；另一方面可以设计较充足的空间来容纳电芯因充电导致的电芯膨胀，从而提高电池的循环寿命。
本发明提供的二次电池群裕度的计算方法，通过半电池设计，能够快速、精准的计算出一系列（例如不同隔膜和极片数量的电池）目标电池的群裕度，且不需要对目标电池进行拆解。
具体实施方式
下面将结合实施方式和实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施方式和实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
第一方面，本发明提供了一种二次电池群裕度的设计方法，包括以下步骤：
a. 获得待设计电池的三电极电池，记录三电极电池充电达到截止电压时的正极电位V1正和负极电位V1负；记录三电极电池放电达到截止电压时的正极电位V2正和负极电位V2负；
b. 以锂片为电极，分别制备三电极电池的正极半电池和负极半电池，所述正极半电池的充放电截止电压与三电极电池的正极相同，所述负极半电池的充放电截止电压与三电极电池的负极相同；
c. 半电池化成后，进行充放电测试，使得半电池极片厚度稳定；
d. 拆解半电池，获得正极半电池电位为V1正时的正极片厚度和负极半电池电位为V2负时的负极片厚度，并计算正极片和负极片的膨胀率，根据膨胀率计算待设计电池电芯的截面积，根据电芯的截面积和电池壳体内部的截面积设计待设计电池群裕度。
本发明提供的二次电池群裕度的设计方法，通过半电池设计，一方面能够快速、精准的计算出目标电池的群裕度，以便根据群裕度调整电池体系设计，有助于缩短产品设计周期（可缩短50%-85%），且不需要对目标电池进行拆解；另一方面可以设计较充足的空间来容纳电芯因充电导致的电芯膨胀，从而提高电池的循环寿命。
需要说明的是，本发明中“待设计电池的三电极电池”是指三电极电池与待设计电池的区别仅在于具有参比电极（通过在电池上引入铜丝，形成参比电极，然后充电将铜丝上镀锂即可），其他各项性能参数完全相同。本发明中，充电截止电压是指电池达到完全充电状态时的电压；放电截止电压是指电池在放电过程中电压降至一定程度停止放电的电压。本发明中，半电池的化成制式和三电极电池的化成制式一致，例如化成制式可以为：第一步:在40-55℃的环境下，搁置30-120min；第二步:在40-55℃的环境下，0.01-0.1C恒流充电，时间为60-200min，截止电压3.65V；第三步:在40-55℃的环境下，0.1C-0.2C恒流充电20-60min；第四步，结束。本发明中，将正极半电池充电至电位为V1正后拆解半电池，此时拆解获得的正极片的厚度即为三电极电池满电状态时正极片的厚度；将负极半电池调节至电位为V2负后拆解半电池，此时拆解获得的负极片的厚度即为三电极电池满电状态时负极片的厚度。
在一些可选的实施方式中，所述充放电测试的循环次数为2-20次。不同电池极片厚度达到稳定态所需的充放电循环次数不同，本发明中选择电池极片厚度达到稳定态所需的充放电循环次数即可。
在一些可选的实施方式中，所述膨胀率的计算公式为：S正=（T2正-T1正）/T1正；
S负=（T2负-T1负）/T1负；
其中，S正为正极片的膨胀率，T2正为d步骤测得的正极片厚度，T1正为化成前的正极片厚度；S负为负极片的膨胀率，T2负为d步骤测得的负极片厚度，T1负为化成前的负极片厚度。
在一些可选的实施方式中，根据待设计电芯的厚度计算待设计电池电芯的截面积；
所述待设计电池电芯的厚度为：H=n1×T1正×（1+S正）+n2×T1负×（1+S负）+n3×T隔膜；
其中，H为待设计电池电芯厚度，n1为正极片折数，n2为负极片折数，n3为隔膜折数，T隔膜为隔膜厚度。
在一些可选的实施方式中，根据电芯的形状来计算电芯的截面积，如长方形、圆形、椭圆形等。
在一些可选的实施方式中，所述群裕度的计算公式为：η=δ1/δ2；
其中，η为群裕度，δ1为待设计电池电芯的截面积，δ2为电池壳体内部的截面积。
在一些可选的实施方式中，所述群裕度的取值为95%-99%。在此群裕度条件下，有助于提高电池的循环寿命。
在一些可选的实施方式中，所述待设计电池包括但不限于锂离子电池或钠离子电池，或者本领域技术人员所熟知的其他二次电池；
所述待设计电池的类型包括但不限于卷绕电池或叠片电池。
第二方面，本发明提供了一种二次电池群裕度的计算方法，包括以下步骤：
a1. 获得待测电池的三电极电池，记录三电极电池充电达到截止电压时的正极电位V1正和负极电位V1负；记录三电极电池放电达到截止电压时的正极电位V2正和负极电位V2负；
b1. 以锂片为电极，分别制备三电极电池的正极半电池和负极半电池，所述正极半电池的充放电截止电压与三电极电池的正极相同，所述负极半电池的充放电截止电压与三电极电池的负极相同；
c1. 半电池化成后，进行充放电测试，使得半电池极片厚度稳定；
d1. 拆解半电池，获得正极半电池电位为V1正时的正极片厚度和负极半电池电位为V2负时的负极片厚度，并计算正极片和负极片的膨胀率，根据膨胀率计算待测电池电芯的截面积，根据电芯的截面积和电池壳体内部的截面积计算待测电池群裕度。
本发明提供的二次电池群裕度的计算方法，通过半电池设计，能够快速、精准的计算出一系列目标电池的群裕度，且不需要对目标电池进行拆解。
需要说明的是，本发明中“待测电池的三电极电池”是指三电极电池与待测电池的区别仅在于具有参比电极（通过在电池上引入铜丝，形成参比电极，然后充电将铜丝上镀锂即可），其他各项性能参数完全相同。本发明中，充电截止电压是指电池达到完全充电状态时的电压；放电截止电压是指电池在放电过程中电压降至一定程度停止放电的电压。
在一些可选的实施方式中，所述充放电测试的循环次数为2-20次。不同电池极片厚度达到稳定态所需的充放电循环次数不同，本发明中选择电池极片厚度达到稳定态所需的充放电循环次数即可。
在一些可选的实施方式中，所述膨胀率的计算公式为：S正=（T2正-T1正）/T1正；S负=（T2负-T1负）/T1负；其中，S正为正极片的膨胀率，T2正为d1步骤测得的正极片厚度，T1正为化成前的正极片厚度；S负为负极片的膨胀率，T2负为d1步骤测得的负极片厚度，T1负为化成前的负极片厚度；
待测电池电芯的厚度为：H=n1×T1正×（1+S正）+n2×T1负×（1+S负）+n3×T隔膜；其中，H为待测电池电芯厚度，n1为正极片折数，n2为负极片折数，n3为隔膜折数，T隔膜为隔膜厚度；
所述群裕度的计算公式为：η=δ1/δ2；其中，η为群裕度，δ1为待测电池电芯的截面积，δ2为电池壳体内部的截面积。
在一些可选的实施方式中，所述待测电池包括但不限于锂离子电池或钠离子电池，或者本领域技术人员所熟知的其他二次电池；
所述待测电池的类型包括但不限于卷绕电池或叠片电池。
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
需要说明书的是，以下实施例中，半电池的化成制式和三电极电池的化成制式一致，为：第一步:在50-55℃的环境下，搁置120min；第二步:在50-55℃的环境下，0.01恒流充电，时间为200min，截止电压3.65V；第三步:在50-55℃的环境下，0.1C恒流充电60min；第四步，结束。
实施例1
本实施例的目标为：以18片磷酸铁锂正极片、19片石墨负极片和pp隔膜制备得到群裕度为90%-93%的二次电池。
该二次电池的设计方法，包括以下步骤：
a. 获得待设计电池的三电极电池（即以上述18片磷酸铁锂正极片、19片石墨负极片和PP隔膜为主要原料制备得到，电池上引出铜丝作为参比电极），记录三电极电池充电达到截止电压时的正极电位V1正和负极电位V1负；记录三电极电池放电达到截止电压时的正极电位V2正和负极电位V2负，结果如下表：
b. 以相同的正极片和负极片为原料，以锂片为电极，采用相同的电解液分别制作三电极电池的正极半电池和负极半电池，经检测正极半电池的充放电截止电压与三电极电池正极相同，负极半电池的充放电截止电压与三电极电池负极相同；
c. 将半电池进行小电流化成，然后进行充放电测试，循环6次；
d. 拆解半电池，获得正极半电池电位为V1正时的正极片厚度和负极半电池电位为V2负时的负极片厚度，并计算正极片和负极片的膨胀率，膨胀率的计算公式为：S正=（T2正-T1正）/T1正；
S负=（T2负-T1负）/T1负；
其中，S正为正极片的膨胀率，T2正为d步骤测得的正极片厚度，T1正为化成前的正极片厚度；S负为负极片的膨胀率，T2负为d步骤测得的负极片厚度，T1负为化成前的负极片厚度。结果如下表：
。
e. 根据膨胀率计算待设计电池电芯的厚度，计算公式为：H=n1×T1正×（1+S正）+n2×T1负×（1+S负）+n3×T隔膜；经计算，H为5004μm。
其中，H为待设计电池电芯厚度，n1为正极片折数，n2为负极片折数，n3为隔膜折数，T隔膜为隔膜厚度。
f. 电芯宽度为137mm，计算得到电芯截面积为685.548mm2，为了得到群裕度为90%-93%的二次电池，设计电池壳体的内部宽度为138mm，厚度为5.5mm，截面积为759mm2，预期群裕度η=90.3%。
将上述制备得到的电池化成，充放电循环至电池极片厚度稳定，拆解电池，反向检测电池群裕度为91.4%，与本发明预期群裕度接近，通过本发明方法设计的电池群裕度精准度可达98.8%。且本发明方法设计周期较现有设计方法缩短了75%。
此外，发明人还参照实施例1的设计方法，以上述极片和隔膜为原料制备正极片层数分别为10层、40层和60层（相应的，负极片层数较正极片层数+1）的二次电池，经验证，这些电池设计的预期群裕度与实际群裕度接近，准确率分别为98.4%、98.8%和99.1%。
实施例2
以现有制备得到的二次电池A（主要由35层磷酸铁锂正极片、36层石墨负极片和72层pp隔膜制备得到）为例，该电池群裕度的计算方法，包括以下步骤：
a. 获得该待测电池的三电极电池（与待测电池的区别在于具有参比电极，通过从电池上引出铜丝作为参比电极），记录三电极电池充电达到截止电压时的正极电位V1正和负极电位V1负；记录三电极电池放电达到截止电压时的正极电位V2正和负极电位V2负，如下表所示;
。
b. 以相同的正极片和负极片为原料，以锂片为电极，采用相同的电解液分别制作三电极电池的正极半电池和负极半电池，经检测正极半电池的充放电截止电压与三电极电池正极相同，负极半电池的充放电截止电压与三电极电池负极相同；
c. 将半电池进行小电流化成，然后进行充放电测试，循环10次；
d. 拆解半电池，获得正极半电池电位为V1正时的正极片厚度和负极半电池电位为V2负时的负极片厚度，并计算正极片和负极片的膨胀率，膨胀率的计算公式为：S正=（T2正-T1正）/T1正；
S负=（T2负-T1负）/T1负；
其中，S正为正极片的膨胀率，T2正为d步骤测得的正极片厚度，T1正为化成前的正极片厚度；S负为负极片的膨胀率，T2负为d步骤测得的负极片厚度，T1负为化成前的负极片厚度。结果如下表：
e. 根据膨胀率计算待测电池电芯的厚度，计算公式为：H=n1×T1正×（1+S正）+n2×T1负×（1+S负）+n3×T隔膜；经计算，H为11402μm。
其中，H为待测电池电芯厚度，n1为正极片折数，n2为负极片折数，n3为隔膜折数，T隔膜为隔膜厚度。
f. 待测电芯的宽度为175.5mm，计算得到待测电芯的截面积为2001mm2。待测电池壳体内部宽度为176mm，厚度为12mm，待测壳体内部的面积为2112mm2。因此，计算得到待测电池的群裕度为94.7%。
拆解待测电池，反向检验的群裕度为：94.2%，通过本发明方法计算得到的电池群裕度精准度可达99.47%。
另外，根据上述计算得到的正负极片膨胀率，计算待测二次电池B和待测二次电池C的群裕度。其中待测二次电池B、C与待测二次电池A的制备方法相同，区别在于，待测二次电池B的正极片层数为15层，负极片层数为16层，隔膜层数为32层；待测二次电池C的正极片层数为48层，负极片层数为49层，隔膜层数为98层。
经计算，待测二次电池B的壳体内部宽度为176mm，厚度为5.2mm，面积为915.2mm2；电芯截面积为874.3mm2。计算得到待测二次电池B的群裕度为95.5%。拆解待测电池，反向检验的群裕度为：95.9%，通过本发明方法计算得到的电池群裕度精准度可达99.58%。
经计算，待测二次电池C的壳体内部宽度为176mm，厚度为16.2mm，面积为2851.2mm2；电芯截面积为2733.4mm2。计算得到待测二次电池C的群裕度为95.9%。拆解待测电池，反向检验的群裕度为：96.8%，通过本发明方法计算得到的电池群裕度精准度可达99.07%。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种二次电池群裕度的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
a. 获得待设计锂离子电池的三电极电池，记录三电极电池充电达到截止电压时的正极电位V1正和负极电位V1负；记录三电极电池放电达到截止电压时的正极电位V2正和负极电位V2负；
b. 以锂片为电极，分别制备三电极电池的正极半电池和负极半电池，所述正极半电池的充放电截止电压与三电极电池的正极相同，所述负极半电池的充放电截止电压与三电极电池的负极相同；
c. 半电池化成后，进行充放电测试，使得半电池极片厚度稳定；
d. 拆解半电池，获得正极半电池电位为V1正时的正极片厚度和负极半电池电位为V2负时的负极片厚度，并计算正极片和负极片的膨胀率，根据膨胀率计算待设计锂离子电池电芯的截面积，根据电芯的截面积和电池壳体内部的截面积设计待设计锂离子电池群裕度。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述充放电测试的循环次数为2-20次。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述膨胀率的计算公式为：S正=（T2正-T1正）/T1正；
S负=（T2负-T1负）/T1负；
其中，S正为正极片的膨胀率，T2正为d步骤测得的正极片厚度，T1正为化成前的正极片厚度；S负为负极片的膨胀率，T2负为d步骤测得的负极片厚度，T1负为化成前的负极片厚度。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，根据待设计电芯的厚度计算待设计锂离子电池电芯的截面积；
所述待设计锂离子电池电芯的厚度为：H=n1×T1正×（1+S正）+n2×T1负×（1+S负）+n3×T隔膜；
其中，H为待设计锂离子电池电芯厚度，n1为正极片折数，n2为负极片折数，n3为隔膜折数，T隔膜为隔膜厚度。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述群裕度的计算公式为：η=δ1/δ2；
其中，η为群裕度，δ1为待设计锂离子电池电芯的截面积，δ2为电池壳体内部的截面积。
6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述群裕度的取值为95%-99%。
7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述待设计锂离子电池替换为钠离子电池。
8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述待设计锂离子电池的类型包括卷绕电池或叠片电池。
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