CN117686924A - 一种二次离子电池的活性离子有效补充水平的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种二次离子电池的活性离子有效补充水平的评估方法,其中,二次离子电池为第一电池,二次离子电池对应的未补充活性离子的二次离子电池为第二电池,评估方法包括:获取第一电池在标称电压区间的放电时的放电容量C2;将第一电池和第二电池分别充电至各自的预设电压U,且在预设电压U时,第一电池的阳极电位和第二电池的阳极电位相等,计算此时第一电池和第二电池的充电容量差C;计算充电容量差C1与放电容量C2之和C3,C3用于表征第一电池的活性离子总有效容量。
Description
技术领域
本申请涉及电池技术领域,特别是涉及一种二次离子电池的活性离子有效补充水平的评估方法。
背景技术
二次离子电池中由于阳极活性材料在首圈嵌锂过程中,电解液会在颗粒表面发生还原反应形成固体电解质界面膜(SEI),从而消耗阴极活性离子(如活性锂或活性钠),影响阴极活性材料的克容量发挥,使得电池的能量密度降低。
通过预锂化技术或预钠化技术对电极材料进行补锂或补钠,使其在充电过程中释放出的活性锂或活性钠补偿首次不可逆锂或不可逆钠损耗,用于形成阳极表面SEI膜,以提高二次离子电池的可逆循环容量和循环寿命。二次离子电池阳极、阴极、隔膜、电解液、集流体都可以通过补锂或补钠技术达到优化电池性能的目的。
虽然通过补锂或补钠可以实现电池能量密度和循环性能的提升,但是补锂量或补钠量并不是越多越好,过量或者不足都会影响电池性能。因此,如何准确评估活性离子有效补充量和补充效率对于预锂化技术或预钠化技术至关重要。
发明内容
本申请提供了一种二次离子电池的活性离子有效补充水平的评估方法,以更准确第评估活性离子的有效补充效果。
本申请提供了一种二次离子电池的活性离子有效补充水平的评估方法,其中,二次离子电池为第一电池,二次离子电池对应的未补充活性离子的二次离子电池为第二电池,评估方法包括:获取第一电池在标称电压区间的放电时的放电容量C2;将第一电池和第二电池分别充电至各自的预设电压U,且在预设电压U时,第一电池的阳极电位和第二电池的阳极电位相等,计算此时第一电池和第二电池的充电容量差C1;计算充电容量差C1与放电容量C2之和C3,C3用于表征第一电池的活性离子总有效容量。
在任意实施方式中,评估方法包括:获取曲线,包括:获取第一电池和第二电池在标称电压区间充电过程或放电过程的第一曲线和第二曲线以及第一电池的放电容量C2,第一曲线和第二曲线均为充电全过程曲线或均为放电全过程曲线,第一曲线为第一电池的阳极电位-电池电压曲线,第二曲线为第二电池的阳极电位-电池电压曲线;获取电压区间U1,包括:确定第一曲线和第二曲线中在相同的阳极电位区间曲线形状相同的部分对应的第一电池的电池电压区间U1-1和第二电池的电池电压区间U2-1;获取容量差C1,包括:获取第一电池和第二电池分别充电至各自的预设电压U时的第一电池和第二电池的充电容量,其中,第一电池的预设电压U为U1-1中的任意数值,第二电池的预设电压U为U2-1中的任意数值,计算此时第一电池和第二电池的充电容量差C1;获取活性离子总有效容量,包括:计算充电容量差C1与放电容量C2之和C3。
在任意实施方式中,获取容量差C1的过程包括:将第一电池和第二电池分别放电后充电至各自的预设电压U,计算此时第一电池和第二电池的充电容量差C1,其中,第一电池放电至标称下限电压,第二电池放电至阳极电位1V-2.5V或者放电至阳极电位到达SEI膜分解电位。
在任意实施方式中,放电的倍率选自0.02C-0.1C中的任一倍率。
在任意实施方式中,以0.02C-0.1C之间的任一倍率分别充电至预设电压U。
在任意实施方式中,第一电池的预设电压U为U1-1的中值电压值,第二电池的预设电压U为U2-1的中值电压值。
在任意实施方式中,确定U1-1和U2-1的过程包括:沿电池电压所在坐标线平移第一曲线电压值t1和/或平移第二曲线电压值t2,使第一曲线和第二曲线以电池电压区间U'重叠,当平移为电池电压更低的方向平移时t1和t2为负值,当平移为电池电压更高的方向平移时t1和t2为正值,可选地t1和t2满足以下条件中的任意一个或多个:0 V≤∣t1∣≤2.0 V,0 V≤∣t2∣≤2.0 V,0 V≤∣t1∣+∣t2∣≤2.0 V;按照以下公式计算U1-1和U2-1,U1-1= U'-t1,U2-1=U'-t2。
在任意实施方式中,获取曲线的过程还包括获取标称电压区间充电过程或放电过程的第三曲线和第四曲线的过程,第三曲线和第四曲线均为充电全过程曲线或均为放电全过程曲线,第三曲线为第一电池的SOC-电池电压曲线,第四曲线为第二电池的SOC-电池电压曲线;评估方法还包括确定第三曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第一电池电压区间U1-2,确定第四曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第二电池电压区间U2-2;确定U1-1和U1-2重叠的电压区间U1;确定U2-1和U2-2重叠的电压区间U2;获取充电容量差C1的过程中,第一电池的预设电压U为U1中的任意数值,第二电池的预设电压U为U2中的任意数值。
在任意实施方式中,第一电池的预设电压U为U1的中值电压值,第二电池的预设电压U为U2的中值电压值。
在任意实施方式中,获取曲线过程包括:对第一电池和第二电池分别在标称电压区间以同一倍率进行充电处理或放电处理,获取第一曲线和第二曲线。
在任意实施方式中,充电过程或放电过程的倍率选自0.02C-0.1C中的任一倍率。
在任意实施方式中,评估方法还包括记录第二电池的放电容量C4的步骤,评估方法还包括计算活性离子补充效率的过程,活性离子补充效率A=(C3-C4)/C5,其中,C5为活性离子理论补充容量。
在任意实施方式中,参比电极为表面具有活性材料层的导电丝,导电丝的直径为50μm -100μm,活性材料层的厚度为10μm -50μm。
在任意实施方式中,参比电极为铜丝、表面具有镀锂层的铜丝、表面具有镀钠层的铜丝、表面涂覆有磷酸铁锂层的铜丝、表面涂覆有钛酸锂层的铜丝或表面涂覆有磷酸钒钠层的铜丝。
在任意实施方式中,当参比电极为铜丝时,在进行评估前,以第一电池的正极为正极、铜丝为负极、恒流10μA充电1h以对第一电池的铜丝进行电镀处理,以第二电池的正极为正极,铜丝为负极,恒流10μA充电1h以对第二电池的铜丝进行电镀处理。
在任意实施方式中,当参比电极为表面涂覆有磷酸铁锂层的铜丝、表面涂覆有钛酸锂层的铜丝或表面涂覆有磷酸钒钠层的铜丝时,评估方法还包括首先对参比电极进行活化的过程,对参比电极进行活化的过程包括:将第一电池和第二电池分别充电至50±5%SOC对应的电池电压。
在任意实施方式中,第一电池和第二电池均为全电池,二次离子电池为锂离子二次电池或钠离子二次电池。
在任意实施方式中,评估方法包括:
第一电池和第二电池中设置有参比电极,利用参比电极监控第一电池和第二电池充放电过程中的阳极电位,第一电池和第二电池均为全电池,参比电极为铜丝、表面镀锂的铜丝、表面镀钠的铜丝、表面涂覆磷酸铁锂的铜丝、表面涂覆钛酸锂的铜丝或表面涂覆磷酸钒钠的铜丝,铜丝的直径为50μm -100μm,铜丝上的活性材料层的厚度为10μm -50μm;当参比电极为铜丝时,在进行评估前,以第一电池的正极为正极、铜丝为负极、恒流10μA充电1h以对第一电池的铜丝进行电镀处理,以第二电池的正极为正极、铜丝为负极、恒流10μA充电1h以对第二电池的铜丝进行电镀处理;当参比电极为表面涂覆磷酸铁锂的铜丝、表面涂覆钛酸锂的铜丝或表面涂覆磷酸钒钠的铜丝时,将第一电池和第二电池分别充电至50±5%SOC对应的电池电压,以对参比电极进行活化;
以0.02C-0.1C之间的任一倍率对第一电池和第二电池在标称电压区间进行充电,获取第一电池的阳极电位-电池电压曲线和SOC-电池电压曲线、以及第二电池的阳极电位-电池电压曲线和SOC-电池电压曲线,定义第一电池的阳极电位-电池电压曲线为第一曲线,定义第二电池的阳极电位-电池电压曲线为第二曲线,定义第一电池的SOC-电池电压曲线为第三曲线,定义第二电池的SOC-电池电压曲线为第四曲线;
确定第一曲线和第二曲线中在相同的阳极电位区间曲线形状相同的部分对应的第一电池的电池电压区间U1-1和第二电池的电池电压区间U2-1,其中,确定U1-1和U2-1的过程包括:沿电池电压所在坐标线平移第一曲线电压值t1和/或平移第二曲线电压值t2,使第一曲线和第二曲线以电池电压区间U'重叠,当平移为电池电压更低的方向平移时t1和t2为负值,当平移为电池电压更高的方向平移时t1和t2为正值,可选地t1和t2满足以下条件中的任意一个或多个:0 V≤∣t1∣≤2.0 V,0 V≤∣t2∣≤2.0 V,0 V≤∣t1∣+∣t2∣≤2.0 V;按照以下公式计算U1-1和U2-1,U1-1= U'-t1,U2-1= U'-t2;
确定第三曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第一电池电压区间U1-2,确定第四曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第二电池电压区间U2-2;
确定U1-1和U1-2重叠的电压区间U1,确定U2-1和U2-2重叠的电压区间U2;
将第一电池和第二电池进行放电,放电的倍率选自0.02C-0.1C中的任一倍率,其中,第一电池放电至标称下限电压,第二电池放电至阳极电位1V-2.5V或者放电至阳极电位到达SEI膜分解电位,并记录第一电池的放电容量C2、第二电池的放电容量C4;获取以0.02C-0.1C之间的任一倍率将第一电池和第二电池分别充电至预设电压U时的第一电池和第二电池的充电容量,其中,第一电池的预设电压U为U1的中值电压值,第二电池的预设电压U为U2的中值电压值,计算此时第一电池和第二电池的充电容量差C1;
利用公式(I)计算第一电池的活性离子总有效容量C3,公式(I)C3=C1+C2;
利用公式(II)计算活性离子补充效率,公式(II):A=(C3-C4)/C5,其中,C5为活性离子理论补充容量,C5=m×k,m为额外提供的活性离子材料的质量,k为克容量,当额外提供的活性离子材料为锂金属,则k=3.86Ah/g;当额外提供的活性离子材料为钠金属,则k=1.165Ah/g。
在任意实施方式中,评估方法包括:
第一电池和第二电池中设置有参比电极,利用参比电极监控第一电池和第二电池充放电过程中的阳极电位,第一电池和第二电池均为全电池,参比电极为铜丝、表面镀锂的铜丝、表面镀钠的铜丝、表面涂覆磷酸铁锂的铜丝、表面涂覆钛酸锂的铜丝或表面涂覆磷酸钒钠的铜丝,铜丝的直径为50μm -100μm,铜丝上的活性材料层的厚度为10μm -50μm;当参比电极为铜丝时,在进行评估前,以第一电池的正极为正极、铜丝为负极、恒流10μA充电1h以对第一电池的铜丝进行电镀处理,以第二电池的正极为正极、铜丝为负极、恒流10μA充电1h以对第二电池的铜丝进行电镀处理;当参比电极为表面涂覆磷酸铁锂的铜丝、表面涂覆钛酸锂的铜丝或表面涂覆磷酸钒钠的铜丝时,将第一电池和第二电池分别充电至50±5%SOC对应的电池电压,以对参比电极进行活化;
以0.02C-0.1C之间的任一倍率对第一电池和第二电池在标称电压区间进行充放电,获取放电过程中第一电池的阳极电位-电池电压曲线和SOC-电池电压曲线、以及第二电池的阳极电位-电池电压曲线和SOC-电池电压曲线,并记录第二电池的放电容量C4,定义第一电池的阳极电位-电池电压曲线为第一曲线,定义第二电池的阳极电位-电池电压曲线为第二曲线,定义第一电池的SOC-电池电压曲线为第三曲线,定义第二电池的SOC-电池电压曲线为第四曲线;
确定第一曲线和第二曲线中在相同的阳极电位区间曲线形状相同的部分对应的第一电池的电池电压区间U1-1和第二电池的电池电压区间U2-1,其中,确定U1-1和U2-1的过程包括:沿电池电压所在坐标线平移第一曲线电压值t1和/或平移第二曲线电压值t2,使第一曲线和第二曲线以电池电压区间U'重叠,当平移为电池电压更低的方向平移时t1和t2为负值,当平移为电池电压更高的方向平移时t1和t2为正值,可选地t1和t2满足以下条件中的任意一个或多个:0 V≤∣t1∣≤2.0 V,0 V≤∣t2∣≤2.0 V,0 V≤∣t1∣+∣t2∣≤2.0 V;按照以下公式计算U1-1和U2-1,U1-1= U'-t1,U2-1= U'-t2;
确定第三曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第一电池电压区间U1-2,确定第四曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第二电池电压区间U2-2;
确定U1-1和U1-2重叠的电压区间U1,确定U2-1和U2-2重叠的电压区间U2;
获取0.02C-0.1C之间的任一倍率下第一电池放电至标称下限电压时的放电容量C2,获取0.02C-0.1C之间的任一倍率下第二电池放电至阳极电位1V-2.5V或者放电至阳极电位到达SEI膜分解电位时的放电容量C4;获取以0.02C-0.1C之间的任一倍率将第一电池和第二电池分别充电至预设电压U时的第一电池和第二电池的充电容量,其中,第一电池的预设电压U为U1的中值电压值,第二电池的预设电压U为U2的中值电压值,计算此时第一电池和第二电池的充电容量差C1;
利用公式(I)计算第一电池的活性离子总有效容量C3,公式(I)C3=C1+C2;
利用公式(II)计算活性离子补充效率A,公式(II):A=(C3-C4)/C5,其中,C5为活性离子理论补充容量,C5=m×k,m为额外提供的活性离子材料的质量,k为克容量,当额外提供的活性离子材料为锂金属,则k=3.86Ah/g;当额外提供的活性离子材料为钠金属,则k=1.165Ah/g。
本申请将第一电池和第二电池分别充电至预设电压U使两个电池充电至相同的阳极电位,计算此时第一电池和第二电池的充电容量差C1,该C1即因补锂导致的第一电池和第二电池的容量差,该容量差C1和前述放电容量C2的和即可准确地表征补锂的第一电池的活性离子总有效容量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例,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,还可以根据附图获得其他的附图。
图1示出了第二电池在一种实施例中充放电时的锂循环情况。
图2示出了第一电池在一种实施例中充放电时的锂循环情况。
图3示出了本申请实施例1的LFP的补锂电池和不补锂电池的阳极电位-全电池电压曲线图。
图4示出了本申请实施例1的LFP的补锂电池和不补锂电池的SOC-全电池电压曲线图。
图5示出了本申请实施例2的NCM的补锂电池和不补锂电池的阳极电位-全电池电压曲线图。
图6示出了本申请实施例2的NCM的补锂电池和不补锂电池的SOC-全电池电压曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本申请的原理,但不能用来限制本申请的范围,即本申请不限于所描述的实施例。
以下,适当地参照附图详细说明具体公开了本申请的二次离子电池的活性离子有效补充水平的评估方法的实施方式。但是会有省略不必要的详细说明的情况。例如,有省略对已众所周知的事项的详细说明、实际相同结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长,便于本领域技术人员的理解。此外,附图及以下说明是为了本领域技术人员充分理解本申请而提供的,并不旨在限定权利要求书所记载的主题。
本申请所公开的“范围”以下限和上限的形式来限定,给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的,选定的下限和上限限定了特别范围的边界。这种方式进行限定的范围可以是包括端值或不包括端值的,并且可以进行任意地组合,即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如,如果针对特定参数列出了60-120和80-110的范围,理解为60-110和80-120的范围也是预料到的。此外,如果列出的最小范围值1和2,和如果列出了最大范围值3,4和5,则下面的范围可全部预料到:1-3、1-4、1-5、2-3、2-4和2-5。在本申请中,除非有其他说明,数值范围“a-b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示,其中a和b都是实数。例如数值范围“0-5”表示本文中已经全部列出了“0-5”之间的全部实数,“0-5”只是这些数值组合的缩略表示。另外,当表述某个参数为≥2的整数,则相当于公开了该参数为例如整数2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12等。
如果没有特别的说明,本申请的所有实施方式以及可选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。
如果没有特别的说明,本申请的所有技术特征以及可选技术特征可以相互组合形成新的技术方案。
如果没有特别的说明,本申请的所有步骤可以顺序进行,也可以随机进行,优选是顺序进行的。例如,所述方法包括步骤(a)和(b),表示所述方法可包括顺序进行的步骤(a)和(b),也可以包括顺序进行的步骤(b)和(a)。例如,所述提到所述方法还可包括步骤(c),表示步骤(c)可以任意顺序加入到所述方法,例如,所述方法可以包括步骤(a)、(b)和(c),也可包括步骤(a)、(c)和(b),也可以包括步骤(c)、(a)和(b)等。
如果没有特别的说明,本申请所提到的“包括”和“包含”表示开放式。例如,所述“包括”和“包含”可以表示还可以包括或包含没有列出的其他组分。
如果没有特别的说明,在本申请中,术语“或”是包括性的。举例来说,以下任一条件均满足条件“A或B”:A为真(或存在)并且B为假(或不存在);A为假(或不存在)而B为真(或存在);或A和B都为真(或存在)。
本申请提供了一种二次离子电池的活性离子有效补充水平的评估方法,其中,二次离子电池为第一电池,二离子次电池对应的未补充活性离子的二离子次电池为第二电池,评估方法包括:获取第一电池在标称电压区间的放电时的放电容量C2;将第一电池和第二电池分别充电至各自的预设电压U,且在预设电压U时,第一电池的阳极电位和第二电池的阳极电位相等,计算此时第一电池和第二电池的充电容量差C1;计算充电容量差C1与放电容量C2之和C3,C3用于表征第一电池的活性离子总有效容量。
上述二次离子电池又称为充电电池或蓄电池,是指在电池放电后可通过充电的方式使活性材料激活而继续使用的电池。
通常情况下,二次离子电池包括阴极极片、阳极极片、隔离膜及电解质。在电池充放电过程中,活性离子(例如锂离子)在阴极极片和阳极极片之间往返嵌入和脱出。隔离膜设置在阴极极片和阳极极片之间,主要起到防止阴阳极短路的作用,同时可以使活性离子通过。电解质在阴极极片和阳极极片之间,主要起到传导活性离子的作用。
上述第一电池和第二电池除了补锂和不补锂外,二者的电池设计和生产工艺相同。允许第一电池和第二电池的极片宽度和长度存在一定差异,本申请所应用的各容量均为采用阴极极片的真实面积对电池充放电过程的容量进行归一化。
本申请将第一电池和第二电池分别充电至预设电压U使两个电池充电至相同的阳极电位,计算此时第一电池和第二电池的充电容量差C1,该C1即因补锂导致的第一电池和第二电池的容量差,该容量差C1和前述放电容量C2的和即可准确地表征补锂的第一电池的活性离子总有效容量。
根据常规二次离子电池的工作机理,在一些实施方式中,通常预设电压处于2.8-3.8V范围。
以下结合附图对本申请的上述评估方法的原理进行说明。
图1示出了第二电池在一种实施例中充放电时的锂循环情况。如图1所示,有填充位置代表锂,阴极含有100个锂,阳极有110个可供脱嵌锂的空位(即阳极可逆的空位),以及SEI形成需要消耗的10个锂空位。首次充电时,阴极100个锂脱出,10个用于SEI成膜,90个存于阳极可逆的空位。满放时,90个锂脱出到阴极。再次充电时,控制阳极电位,使40个锂嵌入阳极。阳极电位代表阳极的实际SOC,实际SOC=阳极嵌入的锂/可逆空位总量,在图1中,SOC=40/100=40%。
图2示出了第一电池在一种实施例中充放电时的锂循环情况。如图2所示,有填充位置代表锂,阴极含有112个锂(包含12个补锂),阳极有110个可供脱嵌锂的空位(即阳极可逆的空位),以及SEI形成需要消耗的10个锂空位。首次充电时,阴极112个锂脱出,10个用于SEI成膜,102个存于阳极可逆的空位。满放时,100个锂脱出到阴极。再次充电时,控制阳极电位,使阳极共有40个锂嵌入即实际SOC=阳极嵌入的锂/可逆空位总量,在图2中,SOC=40/100=40%。
此时,补锂电池的活性锂C3= C2+C1=100+(40-38)=102。
可以选择第一电池和第二电池的阳极电位-电池电压曲线形状相同区间对应的电压作为预设电压U,从而确保充电至预设电压U时,第一电池和第二电池的实际阳极电位更精确地相等。
在本申请一些实施方式中,上述评估方法包括:获取曲线,包括:获取第一电池和第二电池在标称电压区间充电过程或放电过程的第一曲线和第二曲线以及第一电池的放电容量C2,第一曲线和第二曲线均为充电全过程曲线或均为放电全过程曲线,第一曲线为第一电池的阳极电位-电池电压曲线,第二曲线为第二电池的阳极电位-电池电压曲线;获取电压区间U1,包括:确定第一曲线和第二曲线中在相同的阳极电位区间曲线形状相同的部分对应的第一电池的电池电压区间U1-1和第二电池的电池电压区间U2-1;获取容量差C1,包括:获取第一电池和第二电池分别充电至各自的预设电压U时的所述第一电池和所述第二电池的充电容量,其中,第一电池的预设电压U为U1-1中的任意数值,第二电池的预设电压U为U2-1中的任意数值,计算此时第一电池和第二电池的充电容量差C1;获取活性离子总有效补充容量,包括:计算充电容量差C1与放电容量C2之和C3。
采用上述方式确定预设电压U,此时所获得的充电容量差C1更接近真实水平。其中,当电池电压区间U1-1和电池电压区间U2-1重叠时,第一电池的预设电压和第二电池的预设电压可相同。
其中,上述获取容量差C1的过程中,第一电池和第二电池的充电容量可以为获取上述曲线的过程中对应充电电压为U时的充电容量,因此获取容量差C1的过程可以不进行再次充电。当然,也可以按照上述条件进行单独的充电获取第一电池和第二电池的充电容量。
在本申请一些实施方式中,获取容量差C1的过程包括:将第一电池和第二电池分别放电后充电至各自的预设电压U,计算此时第一电池和第二电池的充电容量差C1,其中,第一电池放电至标称下限电压,第二电池放电至1V-2.5V或者放电至阳极电位到达SEI膜分解电位。
上述SEI膜分解电位通过本领域常规的dQ/dV测试即可确定准确的SEI分解电位,本申请不再赘述。
补锂的第一电池由于存的阳极活性锂更多,放电时阴极嵌锂到较低的电压,此时极化较大,因此第一电池相比第二电池放电后,阳极残留的活性锂更多。因此,将第一电池放电至标称下限电压以尽可能使其充分放电,减少因未能充分放电导致能脱嵌的活性锂残留在阳极导致第一电池的活性离子总有效容量偏小。
在一些实施方式中,放电的倍率选自0.02C-0.1C中的任一倍率。以上述低倍率进行放电,更容易精确控制放电的截止电压,所得容量差C1更精确。
在一些实施方式中,以0.02C-0.1C之间的任一倍率分别充电至预设电压U。上述低倍率进行充电,更容易精确控制充电的截止电压。
上述预设电压U可以为U1中的任一数值,在一些实施方式中,第一电池的预设电压U为U1-1的中值电压值,第二电池的所述预设电压U为U2-1的中值电压值。
由于不同的电池体系,第一电池和第二电池的第一曲线和第二曲线存在不能原位重叠的情况,在一些实施方式中,确定U1-1和U2-1的过程包括:沿电池电压所在坐标线平移第一曲线电压值t1和/或平移第二曲线电压值t2,使第一曲线和第二曲线以电池电压区间U'重叠,当平移为电池电压更低的方向平移时t1和t2为负值,当平移为电池电压更高的方向平移时t1和t2为正值,可选地t1和t2满足以下条件中的任意一个或多个:0 V≤∣t1∣≤2.0 V,0 V≤∣t2∣≤2.0 V,0 V≤∣t1∣+∣t2∣≤2.0 V;按照以下公式计算U1-1和U2-1,U1-1= U'-t1,U2-1=U'-t2。从而获得更准确的U1-1和U2-1。
在一些实施方式中,获取曲线的过程还包括获取标称电压区间充电过程或放电过程的第三曲线和第四曲线的过程,第三曲线和第四曲线均为充电全过程曲线或均为放电全过程曲线,第三曲线为第一电池的SOC-电池电压曲线,第四曲线为第二电池的SOC-电池电压曲线;评估方法还包括确定第三曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第一电池电压区间U1-2,确定第四曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第二电池电压区间U2-2;确定U1-1和U2-1重叠的电压区间U1;确定U1-2和U2-2重叠的电压区间U2;获取充电容量差C1的过程中,第一电池的预设电压U为U1中的任意数值,第二电池的预设电压U为U2中的任意数值。
充放电设备精度等因素导致实际的充电截止电压与预设电压U存在偏差,在SOC-电池电压曲线斜率较低时,引起的SOC偏差较小,因此对C1的影响较小。当斜率不超过400%SOC/电池电压时,说明该曲线段的斜率较低,意味着电池充电截止电压和预设电压即使存在一定差异时,对应的容量差C1因充放电本身带来影响较小,由此获得的充放电差异能够尽可能对应至补锂导致的差异。
在本申请一些实施方式中,上述第一电池的预设电压U为U1的中值电压值,第二电池的预设电压U为U2的中值电压值。
在一些实施方式中,上述获取曲线过程包括:对第一电池和第二电池分别在标称电压区间以同一倍率进行充电处理或放电处理,获取第一曲线和第二曲线。
在一些实施方式中,充电过程或放电过程的倍率选自0.02C-0.1C中的任一倍率。充电过程或放电过程以上述低倍率进行,提高了曲线的精确性。
在一些实施方式中,上述评估方法还包括记录第二电池的放电容量C4的步骤,评估方法还包括计算活性离子补充效率的过程,活性离子补充效率A=(C3-C4)/C5,其中,C5为活性离子理论补充容量。上述活性离子理论补充容量可以通过C5=m×k计算,其中,m为额外提供的活性离子材料的质量,k为克容量,当额外提供的活性离子材料为锂金属,则k=3.86Ah/g;当额外提供的活性离子材料为钠金属,则k=1.165Ah/g。
本申请的评估方法需要获得准确的阳极电位,为了简化阳极电位的测试方法,在一些实施方式中,第一电池和第二电池中设置有参比电极,利用参比电极监控第一电池和第二电池充放电过程中的阳极电位。电池内置参比电极,比如参比电极设置在阴阳极之间且采用隔膜与阴极和阳极隔开。
在一些实施方式中,上述参比电极为表面具有活性材料层的导电丝,导电丝的直径为50μm -100μm,活性材料层的厚度为10μm -50μm。其中导电丝优选为金属丝,比如铜丝;活性材料层可以为活性金属层、活性进行化合物层。
在一些实施方式中,参比电极为铜丝、表面具有镀锂层的铜丝、表面具有镀钠层的铜丝、表面涂覆有磷酸铁锂层的铜丝、表面涂覆有钛酸锂层的铜丝或表面涂覆有磷酸钒钠层的铜丝。
在一些实施方式中,当参比电极为铜丝时,在进行评估前,在其表面镀覆活性金属层,比如:以第一电池的正极为正极、铜丝为负极、恒流10μA充电1h以对第一电池的铜丝进行电镀处理,以第二电池的正极为正极,铜丝为负极,恒流10μA充电1h以对第二电池的铜丝进行电镀处理。
在一些实施方式中,当参比电极为表面涂覆有磷酸铁锂层的铜丝、表面涂覆有钛酸锂层的铜丝或表面涂覆有磷酸钒钠层的铜丝时,评估方法还包括首先对参比电极进行活化的过程,对参比电极进行活化的过程包括:将第一电池和第二电池分别充电至50±5%SOC对应的电池电压。
为了进一步提高评估的准确性,在一些实施方式中,第一电池和第二电池均为全电池,二次离子电池为锂离子二次电池或钠离子二次电池。采用全电池直接测量,从而充放电过程可以完全模拟电池的真实工作过程,评估结果更为准确。
在本申请一些实施方式中,上述评估方法包括:
第一电池和第二电池中设置有参比电极,利用参比电极监控第一电池和第二电池充放电过程中的阳极电位,第一电池和第二电池均为全电池,参比电极为铜丝、表面具有镀锂层的铜丝、表面具有镀钠层的铜丝、表面涂覆有磷酸铁锂层的铜丝、表面涂覆有钛酸锂层的铜丝或表面涂覆有磷酸钒钠层的铜丝,铜丝的直径为50μm -100μm,铜丝上的活性材料层的厚度为10μm -50μm;当参比电极为铜丝时,在其表面镀覆活性金属层,比如:以第一电池的正极为正极、铜丝为负极、恒流10μA充电1h以对第一电池的铜丝进行电镀处理,以第二电池的正极为正极,铜丝为负极,恒流10μA充电1h以对第二电池的铜丝进行电镀处理;当参比电极为表面涂覆磷酸铁锂的铜丝、表面涂覆钛酸锂的铜丝或表面涂覆磷酸钒钠的铜丝时,将第一电池和第二电池分别充电至50±5%SOC对应的电池电压,以对参比电极进行活化;
以0.02C-0.1C之间的任一倍率对第一电池和第二电池在标称电压区间进行充电,获取第一电池的阳极电位-电池电压曲线和SOC-电池电压曲线、以及第二电池的阳极电位-电池电压曲线和SOC-电池电压曲线,定义第一电池的阳极电位-电池电压曲线为第一曲线,定义第二电池的阳极电位-电池电压曲线为第二曲线,定义第一电池的SOC-电池电压曲线为第三曲线,定义第二电池的SOC-电池电压曲线为第四曲线;
确定第一曲线和第二曲线中在相同的阳极电位区间曲线形状相同的部分对应的第一电池的电池电压区间U1-1和第二电池的电池电压区间U2-1,其中,确定U1-1和U2-1的过程包括:沿电池电压所在坐标线平移第一曲线电压值t1和/或平移第二曲线电压值t2,使第一曲线和第二曲线以电池电压区间U'重叠,当平移为电池电压更低的方向平移时t1和t2为负值,当平移为电池电压更高的方向平移时t1和t2为正值,可选地t1和t2满足以下条件中的任意一个或多个:0 V≤∣t1∣≤2.0 V,0 V≤∣t2∣≤2.0 V,0 V≤∣t1∣+∣t2∣≤2.0 V;按照以下公式计算U1-1和U2-1,U1-1= U'-t1,U2-1= U'-t2;
确定第三曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第一电池电压区间U1-2,确定第四曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第二电池电压区间U2-2;
确定U1-1和U1-2重叠的电压区间U1,确定U2-1和U2-2重叠的电压区间U2;
将第一电池和第二电池进行放电,放电的倍率选自0.02C-0.1C中的任一倍率,其中,第一电池放电至标称下限电压,第二电池放电至1V-2.5V或者放电至阳极电位到达SEI膜分解电位,并记录第一电池的放电容量C2、第二电池的放电容量C4;获取以0.02C-0.1C之间的任一倍率将第一电池和第二电池分别充电至预设电压U时的所述第一电池和所述第二电池的充电容量,其中,第一电池的预设电压U为U1的中值电压值,第二电池的预设电压U为U2的中值电压值,计算此时第一电池和第二电池的充电容量差C1;
利用公式(I)计算第一电池的活性离子总有效补充容量C3,公式(I)C3=C1+C2;
利用公式(II)计算活性离子补充效率,公式(II):A=(C3-C4)/C5,其中,C5为活性离子理论补充容量,C5=m×k,m为额外提供的活性离子材料的质量,k为克容量,当额外提供的活性离子材料为锂金属,则k=3.86Ah/g;当额外提供的活性离子材料为钠金属,则k=1.165Ah/g。
上述获取容量差C1的过程中,第一电池和第二电池的充电容量可以为前述获取第一曲线至第四曲线的过程中对应充电至电压为U时的充电容量,因此获取容量差C1的过程可以不进行再次充电。当然也可以进行单独按照上述条件充电获取第一电池和第二电池的充电容量。
在本申请的一些实施方式中,上述评估方法包括:
第一电池和第二电池中设置有参比电极,利用参比电极监控第一电池和第二电池充放电过程中的阳极电位,第一电池和第二电池均为全电池,参比电极为铜丝、表面具有镀锂层的铜丝、表面具有镀钠层的铜丝、表面涂覆有磷酸铁锂层的铜丝、表面涂覆有钛酸锂层的铜丝或表面涂覆有磷酸钒钠层的铜丝,铜丝的直径为50μm -100μm,铜丝上的活性材料层的厚度为10μm -50μm;当参比电极为铜丝时,在进行评估前,以第一电池的正极为正极、铜丝为负极、恒流10μA充电1h以对第一电池的铜丝进行电镀处理,以第二电池的正极为正极、铜丝为负极、恒流10μA充电1h以对第二电池的铜丝进行电镀处理;当参比电极为表面涂覆有磷酸铁锂层的铜丝、表面涂覆有钛酸锂层的铜丝或表面涂覆有磷酸钒钠层的铜丝时,将第一电池和第二电池分别充电至50±5%SOC对应的电池电压,以对参比电极进行活化;
以0.02C-0.1C之间的任一倍率对第一电池和第二电池在标称电压区间进行充放电,获取放电过程中第一电池的阳极电位-电池电压曲线和SOC-电池电压曲线、以及第二电池的阳极电位-电池电压曲线和SOC-电池电压曲线,并记录第二电池的放电容量C4,定义第一电池的阳极电位-电池电压曲线为第一曲线,定义第二电池的阳极电位-电池电压曲线为第二曲线,定义第一电池的SOC-电池电压曲线为第三曲线,定义第二电池的SOC-电池电压曲线为第四曲线;
确定第一曲线和第二曲线中在相同的阳极电位区间曲线形状相同的部分对应的第一电池的电池电压区间U1-1和第二电池的电池电压区间U2-1,其中,确定U1-1和U2-1的过程包括:沿电池电压所在坐标线平移第一曲线电压值t1和/或平移第二曲线电压值t2,使第一曲线和第二曲线以电池电压区间U'重叠,当平移为电池电压更低的方向平移时t1和t2为负值,当平移为电池电压更高的方向平移时t1和t2为正值,可选地t1和t2满足以下条件中的任意一个或多个:0 V≤∣t1∣≤2.0 V,0 V≤∣t2∣≤2.0 V,0 V≤∣t1∣+∣t2∣≤2.0 V;按照以下公式计算U1-1和U2-1,U1-1= U'-t1,U2-1= U'-t2;
确定第三曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第一电池电压区间U1-2,确定第四曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第二电池电压区间U2-2;
确定U1-1和U1-2重叠的电压区间U1,确定U2-1和U2-2重叠的电压区间U2;
获取0.02C-0.1C之间的任一倍率下第一电池放电至标称下限电压时的放电容量C2,第二电池放电至1V-2.5V或者放电至阳极电位到达SEI膜分解电位时的放电容量C4;获取以0.02C-0.1C之间的任一倍率将第一电池和第二电池分别充电至预设电压U时的第一电池和第二电池的充电容量,其中,第一电池的预设电压U为U1的中值电压值,第二电池的预设电压U为U2的中值电压值,计算此时第一电池和第二电池的充电容量差C1;
利用公式(I)计算第一电池的活性离子总有效补充容量C3,公式(I)C3=C1+C2;
利用公式(II)计算活性离子补充效率A,公式(II):A=(C3-C4)/C5,其中,C5为活性离子理论补充容量,C5=m×k,m为额外提供的活性离子材料的质量,k为克容量,当额外提供的活性离子材料为锂金属,则k=3.86Ah/g;当额外提供的活性离子材料为钠金属,则k=1.165Ah/g。
上述放电容量C2可以为在获取第一曲线至第四曲线的过程中第一电池放电至标称下限电压时的放电容量,当然也可以为按照上述条件进行单独放电时对应的容量,上述放电容量C4可以为在获取第一曲线至第四曲线的过程中第二电池放电至上述电压时的放电容量,当然也可以为按照上述条件进行单独放电时对应的容量。上述获取容量差C1的过程中,第一电池和第二电池的充电容量可以为前述获取第一曲线至第四曲线的过程中对应充电至电压为U时的充电容量,因此获取容量差C1的过程可以不进行再次充电。当然也可以进行单独按照上述条件充电获取第一电池和第二电池的充电容量。
本申请的上述评估方法适用于任意组成的二次离子电池的评估,且无论该二次离子电池是阴极补锂、阳极补锂、电解质补锂还是隔膜补锂都可使用本申请的评估方法评估。
以下示例性说明二次离子电池的各部分组成。
[阴极极片]
阴极极片通常包括阴极集流体以及设置在阴极集流体至少一个表面的阴极膜层,阴极膜层包括阴极活性材料。
作为示例,阴极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面,阴极膜层设置在阴极集流体相对的两个表面的其中任意一者或两者上。
在一些实施方式中,阴极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如,作为金属箔片,可采用铝箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基层至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料(铝、铝合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等)形成在高分子材料基材(如聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)等的基材)上而形成。
在一些实施方式中,阴极活性材料可采用本领域公知的用于电池的阴极活性材料。作为示例,当二次电池为锂离子二次电池时,阴极活性材料可包括以下材料中的至少一种:橄榄石结构的含锂磷酸盐、锂过渡金属氧化物及其各自的改性化合物。但本申请并不限定于这些材料,还可以使用其他可被用作电池阴极活性材料的传统材料。这些阴极活性材料可以仅单独使用一种,也可以将两种以上组合使用。其中,锂过渡金属氧化物的示例可包括但不限于锂钴氧化物(如LiCoO2)、锂镍氧化物(如LiNiO2)、锂锰氧化物(如LiMnO2、LiMn2O4)、锂镍钴氧化物、锂锰钴氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴锰氧化物(如LiNi1/3Co1/ 3Mn1/3O2(也可以简称为NCM333)、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(也可以简称为NCM523)、LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2(也可以简称为NCM211)、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(也可以简称为NCM622)、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(也可以简称为NCM811)、锂镍钴铝氧化物(如LiNi0.85Co0.15Al0.05O2)及其改性化合物等中的至少一种。橄榄石结构的含锂磷酸盐的示例可包括但不限于磷酸铁锂(如LiFePO4(也可以简称为LFP))、磷酸铁锂与碳的复合材料、磷酸锰锂(如LiMnPO4)、磷酸锰锂与碳的复合材料、磷酸锰铁锂、磷酸锰铁锂与碳的复合材料中的至少一种。
当二次电池为钠离子二次电池时,作为示例,钠离子二次电池的阴极活性材料可包括以下材料中的至少一种:钠过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物和普鲁士蓝类化合物中的至少一种。但本申请并不限定于这些材料,还可以使用其他可被用作钠离子电池阴极活性材料的传统公知的材料。
作为本申请可选的技术方案,钠过渡金属氧化物中,过渡金属可以是Mn、Fe、Ni、Co、Cr、Cu、Ti、Zn、V、Zr及Ce中的至少一种。钠过渡金属氧化物例如为NaxMO2,其中M为Ti、V、Mn、Co、Ni、Fe、Cr及Cu中的一种或几种,0<x≤1。
作为本申请可选的技术方案,聚阴离子型化合物可以是具有钠离子、过渡金属离子及四面体型(YO4)n-阴离子单元的一类化合物。过渡金属可以是Mn、Fe、Ni、Co、Cr、Cu、Ti、Zn、V、Zr及Ce中的至少一种;Y可以是P、S及Si中的至少一种;n表示(YO4)n-的价态。
聚阴离子型化合物还可以是具有钠离子、过渡金属离子、四面体型(YO4)n-阴离子单元及卤素阴离子的一类化合物。过渡金属可以是Mn、Fe、Ni、Co、Cr、Cu、Ti、Zn、V、Zr及Ce中的至少一种;Y可以是P、S及Si中的至少一种,n表示(YO4)n-的价态;卤素可以是F、Cl及Br中的至少一种。
聚阴离子型化合物还可以是具有钠离子、四面体型(YO4)n-阴离子单元、多面体单元(ZOy)m+及可选的卤素阴离子的一类化合物。Y可以是P、S及Si中的至少一种,n表示(YO4)n-的价态;Z表示过渡金属,可以是Mn、Fe、Ni、Co、Cr、Cu、Ti、Zn、V、Zr及Ce中的至少一种,m表示(ZOy)m+的价态;卤素可以是F、Cl及Br中的至少一种。
聚阴离子型化合物例如是NaFePO4、Na3V2(PO4)(3 磷酸钒钠,简称NVP)、Na4Fe3(PO4)2(P2O7)、NaM’PO4F(M’为V、Fe、Mn及Ni中的一种或几种)及Na3(VOy)2(PO4)2F3-2y(0≤y≤1)中的至少一种。
普鲁士蓝类化合物可以是具有钠离子、过渡金属离子及氰根离子(CN-)的一类化合物。过渡金属可以是Mn、Fe、Ni、Co、Cr、Cu、Ti、Zn、V、Zr及Ce中的至少一种。普鲁士蓝类化合物例如为NaaMebMe’c(CN)6,其中Me及Me’各自独立地为Ni、Cu、Fe、Mn、Co及Zn中的至少一种,0<a≤2,0<b<1,0<c<1。
在一些实施方式中,阴极膜层还可选地包括粘结剂。作为示例,粘结剂可以包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、偏氟乙烯-四氟乙烯-丙烯三元共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三元共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物及含氟丙烯酸酯树脂中的至少一种。
在一些实施方式中,阴极膜层还可选地包括导电剂。作为示例,导电剂可以包括超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的至少一种。
在一些实施方式中,可以通过以下方式制备阴极极片:将上述用于制备阴极极片的组分,例如阴极活性材料、导电剂、粘结剂和任意其他的组分分散于溶剂(例如N-甲基吡咯烷酮)中,形成阴极浆料;将阴极浆料涂覆在阴极集流体上,经烘干、冷压等工序后,即可得到阴极极片。
[阳极极片]
阳极极片包括阳极集流体以及设置在阳极集流体至少一个表面上的阳极膜层,所述阳极膜层包括阳极活性材料。
作为示例,阳极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面,阳极膜层设置在阳极集流体相对的两个表面中的任意一者或两者上。
在一些实施方式中,阳极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如,作为金属箔片,可以采用铜箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基材至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料(铜、铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等)形成在高分子材料基材(如聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)等的基材)上而形成。
在一些实施方式中,阳极活性材料可采用本领域公知的用于电池的阳极活性材料。作为示例,阳极活性材料可包括以下材料中的至少一种:人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料和钛酸锂等。硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅氮复合物以及硅合金中的至少一种。锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物以及锡合金中的至少一种。但本申请并不限定于这些材料,还可以使用其他可被用作电池阳极活性材料的传统材料。这些阳极活性材料可以仅单独使用一种,也可以将两种以上组合使用。
在一些实施方式中,阳极膜层还可选地包括粘结剂。作为示例,粘结剂可选自丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酸钠(PAAS)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠(SA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)及羧甲基壳聚糖(CMCS)中的至少一种。
在一些实施方式中,阳极膜层还可选地包括导电剂。作为示例,导电剂可选自超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的至少一种。
在一些实施方式中,阳极膜层还可选地包括其他助剂,例如增稠剂(如羧甲基纤维素钠(CMC-Na))等。
在一些实施方式中,可以通过以下方式制备阳极极片:将上述用于制备阳极极片的组分,例如阳极活性材料、导电剂、粘结剂和任意其他组分分散于溶剂(例如去离子水)中,形成阳极浆料;将阳极浆料涂覆在阳极集流体上,经烘干、冷压等工序后,即可得到阳极极片。
[电解质]
电解质在阴极极片和阳极极片之间起到传导离子的作用。本申请对电解质的种类没有具体的限制,可根据需求进行选择。例如,电解质可以是液态的、凝胶态的或全固态的。
在一些实施方式中,电解质为液态的,且包括电解质盐和溶剂。
在一些实施方式中,电解质盐可选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、三氟甲磺酸锂、二氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟二草酸磷酸锂及四氟草酸磷酸锂中的至少一种。
在一些实施方式中,溶剂可选自碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸亚丁酯、氟代碳酸亚乙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、1,4-丁内酯、环丁砜、二甲砜、甲乙砜及二乙砜中的至少一种。
在一些实施方式中,电解液还可选地包括添加剂。作为示例,添加剂可以包括阳极成膜添加剂、阴极成膜添加剂,还可以包括能够改善电池某些性能的添加剂,例如改善电池过充性能的添加剂、改善电池高温或低温性能的添加剂等。
[隔离膜]
在一些实施方式中,二次电池中还包括隔离膜。本申请对隔离膜的种类没有特别的限制,可以选用任意公知的具有良好的化学稳定性和机械稳定性的多孔结构隔离膜。
在一些实施方式中,隔离膜的材质可选自玻璃纤维、无纺布、聚乙烯、聚丙烯及聚偏二氟乙烯中的至少一种。隔离膜可以是单层薄膜,也可以是多层复合薄膜,没有特别限制。在隔离膜为多层复合薄膜时,各层的材料可以相同或不同,没有特别限制。
在一些实施方式中,阴极极片、阳极极片和隔离膜可通过卷绕工艺或叠片工艺制成电极组件。
在一些实施方式中,二次电池包括二次电池单体,或者包括电池模组和电池包。
[实施例]
以下,说明本申请的实施例。下面描述的实施例是示例性的,仅用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。实施例中未注明具体技术或条件的,按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1: LFP二次电池的评估
补锂电池和不补锂电池均为全电池,且内置参比电极铜丝,铜丝的直径为50μm。正极材料为磷酸铁锂(LFP),正极集流体为铝箔,正极膜层中LFP、导电剂乙炔黑、粘结剂PVDF的重量比为94:4:2;负极材料为石墨,负极集流体为铜箔,负极膜层中石墨、导电剂乙炔黑、粘结剂丁苯橡胶(SBR)+羧甲基纤维素(CMC)的重量比95:1.5:3.1:0.4;电解液组成为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)的重量比为EC:PC:DMC=3:3:3形成溶剂,电解液中锂盐LiPF6的浓度为1mol/L;以厚度12μm聚乙烯多孔膜作为隔离膜。第一电池进行了正极补锂,补锂材料为富锂铁酸锂(Li5FeO4),补锂质量为0.328g,理论克容量为0.867Ah/g,因此可以计算得到活性离子理论补充容量C5为0.284Ah。第二电池未进行补锂,除此之外与第一电池完全相同。测试前,对于补锂电池,以铜丝作为负极,补锂电池的正极作为正极,进行恒流10μA充电1h,对于不补锂电池,以铜丝作为负极,补锂电池的正极作为正极,进行恒流10μA充电1h,这个过程将使得铜丝表面电池一层金属锂厚度约为30μm。
以0.04C的倍率在标称电压区间2.5-3.65V对补锂电池和不补锂电池进行充电,获得各自的充电过程的阳极电位-电池电压曲线和SOC-电池电压曲线。其中,图3为LFP的补锂电池和不补锂电池的阳极电位-全电池电压曲线图,图4为LFP的补锂电池和不补锂电池的SOC-全电池电压曲线图。
在图3中,确定两条曲线重叠区间U1为3.25-3.35V;在图4中选取斜率较低的电压区间U2如2.7-3.3V。取上述确定的U1和U2的重叠电压区间,即3.25-3.3V,此区间中的任何一个电压均可以作为充电截止电压,本实施例选取中值 3.275V进行评估。
以0.04C的倍率对补锂电池和不补锂电池进行放电,其中,补锂电池放电至标称下限电压,不补锂电池放电至阳极电位为1V,记录补锂电池的放电容量C2为2.11Ah、不补锂电池的放电容量C4为1.93Ah。
以0.04C的倍率对补锂电池和不补锂电池进行充电,充电截止电压为3.275V,根据测试数据,补锂电池充电至3.275V时的充电容量为0.44Ah。充电至3.275V时容量为0.49Ah,因此容量差C1等于0.05Ah,因此,第一电池的活性锂离子总有效容量为C3=C1+C2=2.16Ah。计算出补锂效率A=(C3-C4)/C5=81%。
实施例2:NCM二次电池的评估
补锂电池和不补锂电池均为全电池,且内置参比电极铜丝,铜丝的直径为50μm。正极材料为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811),正极集流体为铝箔,正极膜层中NCM811、导电剂乙炔黑、粘结剂PVDF的重量比为94:4:2;负极材料为石墨和一氧化硅,(SiO),负极集流体为铜箔,负极膜层中石墨、SiO、导电剂乙炔黑、粘结剂SBR+CMC的重量比67.5:22.5:1.5:7:1.5,碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)的重量比为EC:PC:DMC=3:3:3形成溶剂,电解液中锂盐LiPF6的浓度为1mol/L;以厚度12μm聚乙烯多孔膜作为隔离膜。第一电池的负极进行了补锂,补锂材料为金属锂,补锂质量为0.367g,理论克容量3.86Ah/g,因此可以计算得到活性离子理论补充容量C5为1.42Ah。补锂过程和后续的电池生产均在25℃下进行,湿度<2%。第二电池未进行补锂,除此之外与第一电池完全相同。测试前,对于补锂电池,以铜丝作为负极,补锂电池的正极作为正极,进行恒流10μA充电1h,对于不补锂电池,以铜丝作为负极,补锂电池的正极作为正极,进行恒流10μA充电1h,这个过程将使得铜丝表面电池一层金属锂厚度约为30μm。
以0.04C的倍率在标称电压区间2.5-4.2V对补锂电池和不补锂电池进行充电和放电,获得各自的充电过程的阳极电位-电池电压曲线和SOC-电池电压曲线。其中,图5为NCM的补锂电池和不补锂电池的阳极电位-全电池电压图,图6为NCM的补锂电池和不补锂电池的SOC-全电池电压图。
在图5中,将不补锂电池的阳极电位-全电池电压曲线平移,使平移后的曲线与补锂电池的阳极电位-全电池电压曲线在3.1V附近重叠。从图5中可知,平移量为0.16V,确定补锂电池的阳极电位-全电池电压曲线和平移后不补锂电池的阳极电位-全电池电压曲线的重叠部分对应的全电池电压区间U1-1为2.9-3.5V。此2.9-3.5V对应补锂电池的全电池电压区间,对于不补锂电池的全电池电压区间U1-2需要加上平移量,计算后为3.06-3.66V。
在图6中,确定斜率较低的区间,对于补锂电池的全电池电压区间U2-1为2.9-3.3V,不补锂电池的全电池电压区间U2-2为2.9-3.4V。
确定补锂电池的U1-1 和U2-1的重叠区间为2.9-3.3V,不补锂电池U2-1 和U2-2的重叠区间为3.06-3.4V。确定补锂电池的充电截止电压取2.9-3.3V的中值3.1V。不补锂电池的充电截止电压取3.1+0.16V的中值3.26V,以使补锂电池和不补锂电池充电至相同的阳极电位。
以0.04C的倍率对补锂电池和不补锂电池进行放电,其中,补锂电池放电至标称下限电压,不补锂电池放电至阳极电位为1V,记录补锂电池的放电容量C2为4.38Ah、不补锂电池的放电容量C4为3.25Ah。
以0.04C的倍率对补锂电池和不补锂电池进行充电,补锂电池的充电截止电压为3.1V,不补锂电池的充电截止电压为3.26V,补锂电池和不补锂电池充电至相同的阳极电位。
根据测试数据,补锂电池充电至3.1V时的充电容量为0.07Ah。不补锂电池放电后,充电至3.26V时容量为0.16Ah,因此容量差C1等于0.09Ah,因此,第一电池的总活性锂离子容量为C3=C1+C2=4.47Ah。计算出补锂效率A=(C3-C4)/C5=86%。
实施例3:NCM二次电池的评估(温度的影响)
采用金属锂进行补锂时,由于锂会与阳极极片发生反应,导致极片产热、温度升高,加剧锂与空气反应,引起补锂效率降低,进而导致电池内活性锂比设计值偏低且电池寿命偏低。
实施例3采用与实施例2相同的极片,制造过程除了补锂电池在补锂后搁置温度不同外,其它均相同,以测试温度对补锂效果的影响。
具体地,使用了与实施例2中相同的正极极片和负极极片。第一电池进行了补锂,补锂材料为金属锂,补锂质量为0.37g,理论克容量3.86Ah/g,因此可以计算得到活性离子理论补充容量C5为1.43Ah。补锂过程在25℃下进行,湿度<2%,补锂后立即进行卷绕得到极芯(Jelly roll),然后将极芯置于40℃温箱中搁置6h(大气环境,湿度<2%)以模拟极片产热的影响。搁置完成后,在室温下进行后续生产步骤,工艺条件与实施例2相同。
测试过程与数据分析方式与实施例2相同。得到第一电池的放电容量C2为4.38Ah,不补锂电池的放电容量C4为3.25Ah。不补锂电池和补锂电池充电容量差C1等于0.03Ah,因此第一电池的总活性锂离子容量为C3=C1+C2=4.41Ah,补锂效率A=(C3-C4)/C5=81%。
和实施例2的结果对比后发现,温度对补锂效率带来明显的负面影响,导致电池活性锂离子容量降低,补锂效率偏低,从而电池寿命的延长效果受到影响。所以,补锂过程中以及补锂完成后,控制极片或极芯的温度有利于减少锂与空气的副反应,使所补充金属锂的效果得到充分发挥,进而实现高补锂效率。
进一步分析实施例2和3中的数据还可以发现,不同的补锂效率下,补锂电池的放电容量C2没有明显差异,这是由于电池的补锂量较高,在86%和81%的补锂效率下,补充的活性锂都足以弥补负极的不可逆活性锂消耗(主要来源于SEI成膜),此时电池的容量由正极的可逆容量决定,由于两个实施例中采用了相同的极片,故正极容量相同,所以测得的C2没有差异。上述测试结果也说明了测试补锂电池总活性锂离子容量或补锂效率可以有效识别补锂效果,比如上述补锂温度是否存在异常。如果仅分析放电容量C2,则难以确保获得具有参考价值的补锂评估结果。
然已经参考优选实施例对本申请进行了描述,但在不脱离本申请的范围的情况下,可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是,只要不存在结构冲突,各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例,而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (18)
1.一种二次离子电池的活性离子有效补充水平的评估方法,其中,所述二次离子电池为第一电池,所述二次离子电池对应的未补充活性离子的二次离子电池为第二电池,所述评估方法包括:
获取所述第一电池在标称电压区间的放电时的放电容量C2;
将所述第一电池和所述第二电池分别充电至各自的预设电压U,且在所述预设电压U时,所述第一电池的阳极电位和所述第二电池的阳极电位相等,计算此时所述第一电池和所述第二电池的充电容量差C1;
计算所述充电容量差C1与所述放电容量C2之和C3,所述C3用于表征所述第一电池的活性离子总有效容量。
2.根据权利要求1所述的评估方法,其中,所述评估方法包括:
获取曲线,包括:获取所述第一电池和所述第二电池在标称电压区间充电过程或放电过程的第一曲线和第二曲线以及所述第一电池的放电容量C2,所述第一曲线和所述第二曲线均为充电全过程曲线或均为放电全过程曲线,所述第一曲线为所述第一电池的阳极电位-电池电压曲线,所述第二曲线为所述第二电池的阳极电位-电池电压曲线;
获取电压区间U1,包括:确定所述第一曲线和所述第二曲线中在相同的阳极电位区间曲线形状相同的部分对应的所述第一电池的电池电压区间U1-1和所述第二电池的电池电压区间U2-1;
获取容量差C1,包括:获取所述第一电池和所述第二电池分别充电至各自的所述预设电压U时的所述第一电池和所述第二电池的充电容量,其中,所述第一电池的所述预设电压U为U1-1中的任意数值,所述第二电池的所述预设电压U为U2-1中的任意数值,计算此时所述第一电池和所述第二电池的充电容量差C1;
获取活性离子总有效容量,包括:计算所述充电容量差C1与所述放电容量C2之和C3。
3.根据权利要求2所述的评估方法,其中,所述获取容量差C1的过程包括:
将所述第一电池和所述第二电池分别放电后充电至各自的所述预设电压U,计算此时所述第一电池和所述第二电池的充电容量差C1,其中,所述第一电池放电至标称下限电压,所述第二电池放电至阳极电位1V-2.5V或者放电至阳极电位到达SEI膜分解电位。
4.根据权利要求3所述的评估方法,其中,所述放电的倍率选自0.02C-0.1C中的任一倍率。
5.根据权利要求3所述的评估方法,其中,以0.02C-0.1C之间的任一倍率分别充电至所述预设电压U。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的评估方法,其中,所述第一电池的所述预设电压U为U1-1的中值电压值,所述第二电池的所述预设电压U为U2-1的中值电压值。
7.根据权利要求2至5中任一项所述的评估方法,其中,确定U1-1和U2-1的过程包括:
沿电池电压所在坐标线平移所述第一曲线电压值t1和/或平移所述第二曲线电压值t2,使所述第一曲线和所述第二曲线以电池电压区间U'重叠,当所述平移为电池电压更低的方向平移时t1和t2为负值,当所述平移为电池电压更高的方向平移时t1和t2为正值,且t1和t2满足以下条件中的任意一个或多个:0 V≤∣t1∣≤2.0 V,0 V≤∣t2∣≤2.0 V,0 V≤∣t1∣+∣t2∣≤2.0 V;
按照以下公式计算U1-1和U2-1,U1-1= U'-t1,U2-1= U'-t2。
8.根据权利要求2至5中任一项所述的评估方法,其中,所述获取曲线的过程还包括获取标称电压区间充电过程或放电过程的第三曲线和第四曲线的过程,所述第三曲线和所述第四曲线均为充电全过程曲线或均为放电全过程曲线,所述第三曲线为所述第一电池的SOC-电池电压曲线,所述第四曲线为所述第二电池的SOC-电池电压曲线;
所述评估方法还包括确定所述第三曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第一电池电压区间U1-2,确定所述第四曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第二电池电压区间U2-2;
确定所述U1-1和所述U1-2重叠的电压区间U1;
确定所述U2-1和所述U2-2重叠的电压区间U2;获取充电容量差C1的过程中,所述第一电池的所述预设电压U为U1中的任意数值,所述第二电池的所述预设电压U为U2中的任意数值。
9.根据权利要求8所述的评估方法,其中,所述第一电池的所述预设电压U为U1的中值电压值,所述第二电池的所述预设电压U为U2的中值电压值。
10.根据权利要求2至5中任一项所述的评估方法,其中,所述获取曲线过程包括:
对所述第一电池和所述第二电池分别在标称电压区间以同一倍率进行充电处理或放电处理,获取所述第一曲线和所述第二曲线。
11.根据权利要求10所述的评估方法,其中,所述充电过程或所述放电过程的倍率选自0.02C-0.1C中的任一倍率。
12.根据权利要求2至5中任一项所述的评估方法,其中,所述评估方法还包括记录所述第二电池的放电容量C4的步骤,
所述评估方法还包括计算活性离子补充效率的过程,所述活性离子补充效率A=(C3-C4)/C5,其中,C5为活性离子理论补充容量。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的评估方法,其中,所述第一电池和所述第二电池中设置有参比电极,利用所述参比电极监控所述第一电池和所述第二电池充放电过程中的阳极电位。
14. 根据权利要求13所述的评估方法,其中,所述参比电极为表面具有活性材料层的导电丝,所述导电丝的直径为50μm -100μm,所述活性材料层的厚度为10μm -50μm。
15.根据权利要求14所述的评估方法,其中,所述参比电极为铜丝、表面具有镀锂层的铜丝、表面具有镀钠层的铜丝、表面涂覆有磷酸铁锂层的铜丝、表面涂覆有钛酸锂层的铜丝或表面涂覆有磷酸钒钠层的铜丝,
当所述参比电极为铜丝时,在进行评估前,以第一电池的正极为正极、铜丝为负极、恒流10μA充电1h以对第一电池的铜丝进行电镀处理,以第二电池的正极为正极,铜丝为负极,恒流10μA充电1h以对第二电池的铜丝进行电镀处理;
当所述参比电极为表面涂覆有磷酸铁锂层的铜丝、表面涂覆有钛酸锂层的铜丝或表面涂覆有磷酸钒钠层的铜丝时,所述评估方法还包括首先对参比电极进行活化的过程,所述对参比电极进行活化的过程包括:
将所述第一电池和所述第二电池分别充电至50±5%SOC对应的电池电压。
16.根据权利要求1至5中任一项所述的评估方法,其中,所述第一电池和所述第二电池均为全电池,所述二次离子电池为锂离子二次电池或钠离子二次电池。
17.根据权利要求1所述的评估方法,其中,所述评估方法包括:
所述第一电池和所述第二电池中设置有参比电极,利用所述参比电极监控所述第一电池和所述第二电池充放电过程中的阳极电位,所述第一电池和所述第二电池均为全电池,所述参比电极为铜丝、表面镀锂的铜丝、表面镀钠的铜丝、表面涂覆磷酸铁锂的铜丝、表面涂覆钛酸锂的铜丝或表面涂覆磷酸钒钠的铜丝,铜丝的直径为50μm -100μm,铜丝上的活性材料层的厚度为10μm -50μm;当所述参比电极为铜丝时,在进行评估前,以第一电池的正极为正极、铜丝为负极、恒流10μA充电1h以对第一电池的铜丝进行电镀处理,以第二电池的正极为正极、铜丝为负极、恒流10μA充电1h以对第二电池的铜丝进行电镀处理;当所述参比电极为表面涂覆磷酸铁锂的铜丝、表面涂覆钛酸锂的铜丝或表面涂覆磷酸钒钠的铜丝时,将所述第一电池和所述第二电池分别充电至50±5%SOC对应的电池电压,以对所述参比电极进行活化;
以0.02C-0.1C之间的任一倍率对所述第一电池和所述第二电池在标称电压区间进行充电,获取所述第一电池的阳极电位-电池电压曲线和SOC-电池电压曲线、以及所述第二电池的阳极电位-电池电压曲线和SOC-电池电压曲线,定义所述第一电池的阳极电位-电池电压曲线为第一曲线,定义所述第二电池的阳极电位-电池电压曲线为第二曲线,定义所述第一电池的SOC-电池电压曲线为第三曲线,定义所述第二电池的SOC-电池电压曲线为第四曲线;
确定所述第一曲线和所述第二曲线中在相同的阳极电位区间曲线形状相同的部分对应的所述第一电池的电池电压区间U1-1和所述第二电池的电池电压区间U2-1,其中,确定U1-1和U2-1的过程包括:沿电池电压所在坐标线平移所述第一曲线电压值t1和/或平移所述第二曲线电压值t2,使所述第一曲线和所述第二曲线以电池电压区间U'重叠,当所述平移为电池电压更低的方向平移时t1和t2为负值,当所述平移为电池电压更高的方向平移时t1和t2为正值,且t1和t2满足以下条件中的任意一个或多个:0 V≤∣t1∣≤2.0 V,0 V≤∣t2∣≤2.0V,0 V≤∣t1∣+∣t2∣≤2.0 V;按照以下公式计算U1-1和U2-1,U1-1= U'-t1,U2-1= U'-t2;
确定所述第三曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第一电池电压区间U1-2,确定所述第四曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第二电池电压区间U2-2;
确定所述U1-1和所述U1-2重叠的电压区间U1,确定所述U2-1和所述U2-2重叠的电压区间U2;
将所述第一电池和所述第二电池进行放电,所述放电的倍率选自0.02C-0.1C中的任一倍率,其中,所述第一电池放电至标称下限电压,所述第二电池放电至阳极电位1V-2.5V或者放电至阳极电位到达SEI膜分解电位,并记录所述第一电池的放电容量C2、所述第二电池的放电容量C4;获取以0.02C-0.1C之间的任一倍率将所述第一电池和所述第二电池分别充电至所述预设电压U时的所述第一电池和所述第二电池的充电容量,其中,所述第一电池的所述预设电压U为U1的中值电压值,所述第二电池的所述预设电压U为U2的中值电压值,计算此时所述第一电池和所述第二电池的充电容量差C1;
利用公式(I)计算所述第一电池的活性离子总有效容量C3,公式(I)C3=C1+C2;
利用公式(II)计算活性离子补充效率,公式(II):A=(C3-C4)/C5,其中,C5为活性离子理论补充容量,C5=m×k,m为额外提供的活性离子材料的质量,k为克容量,当额外提供的活性离子材料为锂金属,则k=3.86Ah/g;当额外提供的活性离子材料为钠金属,则k=1.165Ah/g。
18.根据权利要求1所述的评估方法,其中,所述评估方法包括:
所述第一电池和所述第二电池中设置有参比电极,利用所述参比电极监控所述第一电池和所述第二电池充放电过程中的阳极电位,所述第一电池和所述第二电池均为全电池,所述参比电极为铜丝、表面镀锂的铜丝、表面镀钠的铜丝、表面涂覆磷酸铁锂的铜丝、表面涂覆钛酸锂的铜丝或表面涂覆磷酸钒钠的铜丝,铜丝的直径为50μm -100μm,铜丝上的活性材料层的厚度为10μm -50μm;当所述参比电极为铜丝时,在进行评估前,以第一电池的正极为正极、铜丝为负极、恒流10μA充电1h以对第一电池的铜丝进行电镀处理,以第二电池的正极为正极、铜丝为负极、恒流10μA充电1h以对第二电池的铜丝进行电镀处理;当所述参比电极为表面涂覆磷酸铁锂的铜丝、表面涂覆钛酸锂的铜丝或表面涂覆磷酸钒钠的铜丝时,将所述第一电池和所述第二电池分别充电至50±5%SOC对应的电池电压,以对所述参比电极进行活化;
以0.02C-0.1C之间的任一倍率对所述第一电池和所述第二电池在标称电压区间进行充放电,获取放电过程中所述第一电池的阳极电位-电池电压曲线和SOC-电池电压曲线、以及所述第二电池的阳极电位-电池电压曲线和SOC-电池电压曲线,并记录所述第二电池的放电容量C4,定义所述第一电池的阳极电位-电池电压曲线为第一曲线,定义所述第二电池的阳极电位-电池电压曲线为第二曲线,定义所述第一电池的SOC-电池电压曲线为第三曲线,定义所述第二电池的SOC-电池电压曲线为第四曲线;
确定所述第一曲线和所述第二曲线中在相同的阳极电位区间曲线形状相同的部分对应的所述第一电池的电池电压区间U1-1和所述第二电池的电池电压区间U2-1,其中,确定U1-1和U2-1的过程包括:沿电池电压所在坐标线平移所述第一曲线电压值t1和/或平移所述第二曲线电压值t2,使所述第一曲线和所述第二曲线以电池电压区间U'重叠,当所述平移为电池电压更低的方向平移时t1和t2为负值,当所述平移为电池电压更高的方向平移时t1和t2为正值,且t1和t2满足以下条件中的任意一个或多个:0 V≤∣t1∣≤2.0 V,0 V≤∣t2∣≤2.0V,0 V≤∣t1∣+∣t2∣≤2.0 V;按照以下公式计算U1-1和U2-1,U1-1= U'-t1,U2-1= U'-t2;
确定所述第三曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第一电池电压区间U1-2,确定所述第四曲线中斜率不超过400%SOC/电池电压的曲线段对应的第二电池电压区间U2-2;
确定所述U1-1和所述U1-2重叠的电压区间U1,确定所述U2-1和所述U2-2重叠的电压区间U2;
获取0.02C-0.1C之间的任一倍率下所述第一电池放电至标称下限电压时的放电容量C2,获取0.02C-0.1C之间的任一倍率下所述第二电池放电至阳极电位1V-2.5V或者放电至阳极电位到达SEI膜分解电位时的放电容量C4;获取以0.02C-0.1C之间的任一倍率将所述第一电池和所述第二电池分别充电至所述预设电压U时的所述第一电池和所述第二电池的充电容量,其中,所述第一电池的所述预设电压U为U1的中值电压值,所述第二电池的所述预设电压U为U2的中值电压值,计算此时所述第一电池和所述第二电池的充电容量差C1;
利用公式(I)计算所述第一电池的活性离子总有效容量C3,公式(I)C3=C1+C2;利用公式(II)计算活性离子补充效率A,公式(II):A=(C3-C4)/C5,其中,C5为活性离子理论补充容量,C5=m×k,m为额外提供的活性离子材料的质量,k为克容量,当额外提供的活性离子材料为锂金属,则k=3.86Ah/g;当额外提供的活性离子材料为钠金属,则k=1.165Ah/g。
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