CN117335028A - 充电方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了充电方法及其应用。设计锂电充电技术领域。公开的充电方法，包括连续的以下几个阶段：第一阶段：采用大倍率电流充电；第二阶段：采用第一小倍率电流恒流充电至设定电压；第三阶段：采用设定电压进行恒压充电；进行第一阶段至第三阶段的充电操作至少一次；第四阶段：以设定电压为起始电压，采用第二小倍率电流恒流充电至电压上升到电池的截止电压，然后以截止电压进行恒压充电至倍率电流降低至充电截止电流；第一小倍率电流和第二小倍率电流的值小于大倍率电流的值；设定电压的值小于截止电压的值。该充电方法快速，且电池以该充电方法充电循环寿命长。该充电方法适合应用于快充电池的充电中。

Description

充电方法及其应用
技术领域
本发明涉及锂电充电技术领域，具体而言，涉及充电方法及其应用。
背景技术
随着锂离子电池的技术发展，不论是消费类电池领域，还是动力电池领域，市场对于快速充电的需求越来越旺盛，使用的充电倍率也越来越高。因此，应运而生了较多具备快充能力的锂离子二次电池。
针对快充电池，现有常规的充电方法例如为：(1)使用恒定的大倍率电流直充到上限截止电压结束来实现快速充电；(2)多种电流阶梯充电的方式直接充到上限截止电压结束来实现快速充电。现有的这些充电方法会造成锂离子电池的内部极化快速增长，循环过程负极容易到达析锂电位或者发生析锂，同时也存在充电温升高，内部热量难散去的现象，这会加速电解液副反应和消耗，存在循环寿命衰减快或跳水的风险。
因此，需要开发一种合适的充电方法，来达到在不影响人们充电体验的前提下减小极化增长，延长锂离子电池的寿命的目的。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供充电方法及其应用，旨在改善背景技术中提到的至少一种问题。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种充电方法，包括连续的以下几个阶段：
第一阶段：采用大倍率电流充电；
第二阶段：采用第一小倍率电流恒流充电至设定电压；
第三阶段：采用设定电压进行恒压充电；
进行第一阶段至第三阶段的充电操作至少一次；
第四阶段：以设定电压为起始电压，采用第二小倍率电流恒流充电至电压上升到电池的截止电压，然后以截止电压进行恒压充电至倍率电流降低至充电截止电流；
大倍率电流的取值范围为：1C≤大倍率电流≤电池允许的最大倍率充电电流；
第一小倍率电流和第二小倍率电流的值小于大倍率电流的值；
设定电压的值小于截止电压的值。
在可选的实施方式中，第一小倍率电流的值为＜1.0C；
在可选的实施方式中，第二小倍率电流的值为＜1.0C；
在可选的实施方式中，进行所述第一阶段至第三阶段的充电操作至少一次，直至电池的荷电状态为30～98％后进行所述第四阶段充电。
在可选的实施方式中，设定电压的值与截止电压的值之差为0.15～1.6V。
在可选的实施方式中，第三阶段中，采用设定电压进行恒压充电的方式为：
(1)电流截止，恒压充电至倍率电流降低至充电截止电流后截止，可选地，本步骤中，充电截止电流为0.05C；
或者，(2)时间截止，恒压充电一定时间后截止，该一定时间为≤8min。
在可选的实施方式中，第四阶段中的充电截止电流为0.02～0.05C。
在可选的实施方式中，第一阶段中，采用大倍率电流充电的方式为：
采用恒定的大倍率电流值进行恒流充电；
或者，在不同的时间段内以不同的大倍率电流值进行阶梯式充电；
或者，以随着充电时间动态变化的大倍率电流值进行充电。
在可选的实施方式中，进行第一阶段至第三阶段的充电操作次数为一次，在第一阶段充电过程中，采用大倍率电流充电至荷电状态为50～80％。
在可选的实施方式中，进行第一阶段至第三阶段的充电操作次数为两次；
在第一次第一阶段充电过程中，采用大倍率电流充电至荷电状态为30～50％；
在第二次第一阶段充电过程中，采用大倍率电流充电至荷电状态为50～80％。
第二方面，本发明提供如前述实施方式任一项的充电方法应用于快充电池的充电中。
在可选的实施方式中，快充电池为三元锂离子电池、钴酸锂锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池、锰酸锂锂离子电池或磷酸锰铁锂离子电池。
本发明具有以下有益效果：
本申请提供的充电方法，由于在大倍率电流充电之后设置了恒压充电过程，该过程能使得前期大倍率电流充电累积的极化问题得到消除或改善，可提高负极电位，避免出现极化过大导致的析锂现象，进而可避免影响锂离子电池的快充循环寿命。故本发明的充电方法，具有充电快速，且相较于现有技术对于电池的循环寿命影响小的特点，即以本发明提供的充电方法充电可使电池的循环寿命更长。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，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。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明实施例提供的一种充电方法，包括：
第一阶段：采用大倍率电流充电；
第二阶段：采用第一小倍率电流恒流充电至设定电压；
第三阶段：采用设定电压进行恒压充电至倍率电流降低至充电截止电流；
进行第一阶段至第三阶段的充电操作至少一次；
第四阶段：以设定电压为起始电压，采用第二小倍率电流恒流充电至电压上升到电池的截止电压，然后以截止电压进行恒压充电至倍率电流降低至充电截止电流；
大倍率电流的取值范围为：1C≤大倍率电流≤电池允许的最大倍率充电电流；
第一小倍率电流和第二小倍率电流的值小于大倍率电流的值；
设定电压的值小于截止电压的值。
本发明实施例提供的充电方法，在第一阶段采用大倍率电流进行充电可使得电池快速达到某一荷电量，而大倍率电流充电容易造成锂离子电池的内部极化快速增长，为了改善大倍率电流带来的极化增长问题，在大倍率电流充电后第二阶段以小倍率电流恒流充电进行过渡，紧接着第三阶段以恒压进行充电，恒压充电过程是一个电流逐渐减小的过程，在此过程中前期大倍率电流充电带来的极化问题能够得到很好的消除或者改善，最后第四阶段采用小电流充电至截止电压，以截止电压恒压充电，直至电流降低至充电截止电流，充电完成。
因此，本申请提供的充电方法，由于在大倍率电流充电之后设置了恒压充电过程，该过程能使得前期大倍率电流充电累积的极化问题得到消除或改善，可提高负极电位，避免出现极化过大导致的析锂现象，进而可避免影响锂离子电池的快充循环寿命。故本发明的充电方法，具有充电快速，且相较于现有技术对于电池的循环寿命影响小的特点，即以本发明提供的充电方法充电，可使电池的循环寿命更长。
可选地，第一阶段中，采用大倍率电流充电的方式可以为：
采用恒定的大倍率电流值进行恒流充电；
或者，在不同的时间段内以不同的大倍率电流值进行阶梯式充电；
或者，以随着充电时间动态变化的大倍率电流值进行充电。
需要说明的是，第一阶段的大倍率电流充电方式没有特别限定，第一阶段的充电目的主要在于提高充电速率，只要在限定的最大倍率值以内进行快速充电均可。
可选地，第三阶段中，恒压充电至倍率电流降低至充电截止电流的方式为：
(1)电流截止，恒压充电至倍率电流降低至0.05C；
或者，(2)时间截止，恒压充电一定时间后截止，该一定时间≤8min(例如0.5min、1min、2min、3min、4min、6min或8min等)。
需要说明的是，在第三阶段中以电流截止相较于时间截止具有更好的效果。
进一步地，为确保充电方法即有较高的充电效率，又有很好的消除极化效果，设定电压的值与截止电压的值之差为0.15～1.6V(差值例如为0.15V、0.5V、0.8V、1V、1.2V、1.4V或1.6V等)，例如截止电压值为3.65V，则设定电压值可以为2.05V、2.5V、3V、3.2V、3.3V、3.4V或3.5V等。
可选地，为了对前期大倍率充电带来的极化问题具有好的消除效果，第一小倍率电流的值为＜1.0C，例如可以为0.2C、0.33C、0.4C、0.5C、0.6V、0.8C或0.9C等，第二小倍率电流的值为＜1.0C，例如可以为0.2C、0.33C、0.4C、0.5C、0.6V、0.8C或0.9C等。
可选地，为了保证充电效率，进行所述第一阶段至第三阶段的充电操作至少一次，直至电池的荷电状态接近30～98％，优选为93～98％(例如93％、95％、96％或98％)后进行所述第四阶段充电。
可选地，进行第一阶段至第三阶段的充电操作次数为一次，在第一阶段充电过程中，采用大倍率电流充电至荷电状态为50～80％(例如50％、60％、70％或80％)。
或者，进行第一阶段至第三阶段的充电操作次数为两次；
在第一次第一阶段充电过程中，采用大倍率电流充电至荷电状态为30～50％(例如30％、40％或50％)；
在第二次第一阶段充电过程中，采用大倍率电流充电至荷电状态为50～80％％(例如50％、60％、70％或80％)。
需要说明的是，除了上述的一次和两次操作次数以外，在本申请的其他实施例中，第一阶段至第三阶段的充电操作还可以重复3次、4次、5次等。
可选地，第四阶段中的充电截止电流为0.02C～0.05C(例如0.02C、0.03C、0.04C或0.05C)。
本发明实施例还提供上述充电方法应用于快充电池的充电中。
可选地，快充电池为三元锂离子电池、钴酸锂锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池、锰酸锂锂离子电池或磷酸锰铁锂离子电池。
实施例1
一种3C快充型磷酸铁锂电池，使用以下步骤进行充电：
(1)3C恒流充电到80％SOC；
(2)0.33C恒流充到3.5V；
(3)3.5V恒压充电，0.05C截止，此时荷电量为98％；
(4)0.33C恒流充到3.65V，然后以3.65V恒压充电至0.05C截止。
实施例2
一种3C快充型磷酸铁锂电池，使用以下步骤进行充电：
1)3C恒流充电到80％SOC；
(2)0.33C恒流充到3.5V
(3)3.5V恒压充电2min，此时荷电量为93％；
(4)0.33C恒流充到3.65V，然后以3.65V恒压充电至0.05C截止。
实施例3
一种3C快充型磷酸铁锂电池，使用以下步骤进行充电：
(1)3C恒流充电到50％SOC；
(2)0.33C恒流充到3.4V；
(3)3.4V恒压充电，0.05C截止；
(4)3C恒流充电至80％SOC；
(5)0.33C恒流充到3.5V；
(6)3.5V恒压充电，0.05C截止，此时荷电量为98％；
(7)0.33C恒流充到3.65V，然后以3.65V恒压充电至0.05C截止。
实施例4
一种3C快充型磷酸铁锂电池，使用以下步骤进行充电：
(1)3C恒流充电到50％SOC；
(2)0.33C恒流充到3.4V；
(3)3.4V恒压充电2min；
(4)3C恒流充电至80％SOC；
(5)0.33C恒流充到3.5V；
(6)3.5V恒压充电2min，此时荷电量为93％；
(7)0.33C恒流充到3.65V，然后以3.65V恒压充电至0.05C截止。
实施例5
一种2.5C快充型磷酸铁锂电池，使用以下步骤进行充电：
(1)2.0C恒流充到5％SOC，3.6C恒流充到30％SOC，3.2C充到40％SOC，2.8C充到50％SOC，2.4C恒流充到60％SOC，2.0C充到70％SOC，1.5C充到80％SOC，上述平均2.5C阶梯组合式从0％SOC充电到80％SOC；
(2)0.33C恒流充到3.5V；
(3)3.5V恒压充电，0.05C截止，此时荷电量为98％；
(4)0.33C恒流充到3.65V，然后以3.65V恒压充电至0.05C截止。
实施例6
一种2.5C快充型磷酸铁锂电池，使用以下步骤进行充电：
(1)2.0C恒流充到5％SOC，3.6C恒流充到30％SOC，3.2C充到40％SOC，2.8C充到50％SOC，2.4C恒流充到60％SOC，2.0C充到70％SOC，1.5C充到80％SOC，上述平均2.5C阶梯组合式从0％SOC充电到80％SOC；
(2)0.33C恒流充到3.5V；
(3)3.5V恒压充电2min，此时荷电量为93％；
(4)0.33C恒流充到3.65V，然后以3.65V恒压充电至0.05C截止。
实施例7
一种2.5C快充型磷酸铁锂电池，使用以下步骤进行充电：
(1)0.8C恒流充到5％SOC，3.6C恒流充到30％SOC，3.2C充到40％SOC，2.8C充到50％SOC，上述平均2.5C阶梯组合方式从0％SOC充到50％SOC；
(2)0.33C恒流充到3.4V；
(3)3.4V恒压充电，0.05C截止；
(4)3C恒流充电至80％SOC；
(5)0.33C恒流充到3.5V；
(6)3.5V恒压充电，0.05C截止，此时荷电量为98％；
(7)0.33C恒流充到3.65V，然后以3.65V恒压充电至0.05C截止。
实施例8
一种2.5C快充型磷酸铁锂电池，使用以下步骤进行充电：
(1)0.8C恒流充到5％SOC，3.6C恒流充到30％SOC，3.2C充到40％SOC，2.8C充到50％SOC，上述平均2.5C阶梯组合方式从0％SOC充到50％SOC；
(2)0.33C恒流充到3.4V；
(3)3.4V恒压充电2min；
(4)3C恒流充电至80％SOC；
(5)0.33C恒流充到3.5V；
(6)3.5V恒压充电2min，此时荷电量为93％；
(7)0.33C恒流充到3.65V，然后以3.65V恒压充电至0.05C截止。
对比例1
一种3C快充型磷酸铁锂电池，使用以下步骤进行充电：
(1)3C恒流充电到80％SOC；
(2)0.33C恒流充到3.65V，然后以3.65V恒压充电至0.05C截止。
对比例2
一种2.5C快充型磷酸铁锂电池，使用以下步骤进行充电：
(1)2.0C恒流充到5％SOC，3.6C恒流充到30％SOC，3.2C充到40％SOC，2.8C充到50％SOC，2.4C恒流充到60％SOC，2.0C充到70％SOC，1.5C充到80％SOC，上述平均2.5C阶梯组合式从0％SOC充电到80％SOC；
(2)0.33C恒流充到3.65V，然后以3.65V恒压充电至0.05C截止。
实验例
按照上述的各个实施例和对比例提供的充电方法进行充电。
充电后统一搁置30min，放电均采用0.33C恒流放电，2.0V截止，放电后搁置30min，重复充放电步骤。测试充放电过程中负极电位、表面最高温度以及循环寿命。将结果记录至表1中。
表1各实施例和对比例的循环寿命
通过表1可看出，实施例1-8在充电过程中设置恒压充电，与对比例1.2的常规的快充方法相比，电池的负极电位均高于0V，明显得到提高，可以改善大倍率快速充电导致的极化累积，避免负极电位接近析锂电位或低于析锂电位，电池内部出现析锂现象，进而抑制了副反应的发生和电解液的快速消耗，提升循环寿命；各实施例与对比例对比，充电时电芯的表面温均低于30℃以下，充电维持在锂离子电池的最佳使用温度；而且以3C电池为例，本申请提供的各个实施例的25℃循环寿命均在1900次以上，相较于对比例1的1500次得到了极大提高；此外，从表1中可以看到，实施例1、实施例3、实施例5和实施例7中使用0.05C的电流截止比2min的时间截止效果更优。
因此，本发明提出的充电方法，可以明显改善电池的循环寿命，同时并不影响快充使用体验，可以在市场上大规模使用。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种充电方法，其特征在于，包括连续的以下几个阶段：
第一阶段：采用大倍率电流充电；
第二阶段：采用第一小倍率电流恒流充电至设定电压；
第三阶段：采用所述设定电压进行恒压充电；
进行所述第一阶段至第三阶段的充电操作至少一次；
第四阶段：以所述设定电压为起始电压，采用第二小倍率电流恒流充电至电压上升到电池的截止电压，然后以所述截止电压进行恒压充电至倍率电流降低至充电截止电流；
所述大倍率电流的取值范围为：1C≤所述大倍率电流≤电池允许的最大倍率充电电流；
所述第一小倍率电流和所述第二小倍率电流的值小于所述大倍率电流的值；
所述设定电压的值小于所述截止电压的值。
2.根据权利要求1所述的充电方法，其特征在于，包括下述特征(1)～(3)中至少一个；
(1)所述第一小倍率电流的值为＜1.0C；
(2)所述第二小倍率电流的值为＜1.0C；
(3)进行所述第一阶段至第三阶段的充电操作至少一次，直至电池的荷电状态为30～98％后进行所述第四阶段充电。
3.根据权利要求1所述的充电方法，其特征在于，所述设定电压的值与所述截止电压的值之差为0.15～1.6V。
4.根据权利要求1所述的充电方法，其特征在于，所述第三阶段中，采用所述设定电压进行恒压充电的方式为：
(1)电流截止，恒压充电至倍率电流降低至充电截止电流后截止，可选地，本步骤中，所述充电截止电流为0.05C；
或者，(2)时间截止，恒压充电一定时间后截止，所述一定时间为≤8min。
5.根据权利要求1所述的充电方法，其特征在于，所述第四阶段中的所述充电截止电流为0.02～0.05C。
6.根据权利要求1所述的充电方法，其特征在于，所述第一阶段中，采用所述大倍率电流充电的方式为：
采用恒定的大倍率电流值进行恒流充电；
或者，在不同的时间段内以不同的大倍率电流值进行阶梯式充电；
或者，以随着充电时间动态变化的大倍率电流值进行充电。
7.根据权利要求1所述的充电方法，其特征在于，进行所述第一阶段至第三阶段的充电操作次数为一次，在所述第一阶段充电过程中，采用所述大倍率电流充电至荷电状态为50～80％。
8.根据权利要求1所述的充电方法，其特征在于，进行所述第一阶段至第三阶段的充电操作次数为两次；
在第一次所述第一阶段充电过程中，采用所述大倍率电流充电至荷电状态为30～50％；
在第二次所述第一阶段充电过程中，采用所述大倍率电流充电至荷电状态为50％～80％。
9.如权利要求1～8任一项所述的充电方法应用于快充电池的充电中。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述快充电池为三元锂离子电池、钴酸锂锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池、锰酸锂锂离子电池或磷酸锰铁锂离子电池。
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