一种利用电池极化电位表征析锂窗口的方法与流程

1.本发明涉及锂离子电池技术领域，更具体地说，涉及一种利用电池极化电位表征析锂窗口的方法。


背景技术：

2.随着能源的紧缺与环境的恶化，新能源技术正在被越来越多的使用和推广。其中锂离子电池由于它的能量密度高，自放电少，循环性能好，是环境友好型的产品，这些特点导致了锂离子电池的飞速发展。
3.电池在充放电过程中，当电池有电流通过，会出现电位偏离了平衡电位的现象，该现象称为电池极化。极化电位就是实际电位与平衡电位的差值，被用来衡量极化的程度。极化分为三类，电化学极化，浓差极化和欧姆极化。其中欧姆极化是由于电解液、电极材料、隔膜电阻以及各种组成零件之间存在的接触电阻所引起的极化，瞬时发生且是恒定的，只受电流大小的影响。浓差极化和电化学极化是可以通过各种手段来缓解和致力于减小的，减小极化可以进一步提升电池性能。
4.锂离子电池在充电时，li+从正极脱嵌并嵌入负极。但是当一些异常情况出现时，例如负极嵌锂空间不足、li+嵌入负极阻力太大、li+过快的从正极脱嵌但无法等量的嵌入负极等异常发生时，无法嵌入负极的li+只能在负极表面得电子，从而形成银白色的金属锂单质，这也就是常说的析锂。析锂不仅使电池性能下降，循环寿命大幅缩短，还限制了电池的快充容量，并有可能引起燃烧、爆炸等灾难性后果。因此如何制定一个良好的充电策略避免析锂的发生，提高电池的使用性能显得非常必要。


技术实现要素：

5.1.发明要解决的技术问题
6.本发明提供一种利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，用于解决进一步降低锂离子电池析锂风险的问题，利用电池析锂和极化之间的相关性，利用极化电位表征析锂窗口，提前预判电芯内部的情况，从而制定更优的充电策略，改善电池性能。
7.2.技术方案
8.为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
9.一种利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，包括以下步骤，
10.s1、制作包括正极极片和锂片的扣电电池、包括负极极片和锂片的扣电电池和包括正极极片和负极极片的扣电电池；
11.s2、以设定倍率对所述扣电电池进行充放电，获得扣电电池正负极的标准充放电电位曲线；
12.s3、制作卷芯电池，在卷芯电池上设置参比电极获得三电极电池；
13.s4、设定不同倍率，对三电极电池进行不同倍率的充放电测试，获得每个倍率下三电极电池正负极充放电电位曲线；
14.s5、将每个倍率下三电极电池正负极充放电电位曲线与标准充放电电位曲线进行对比，通过两曲线偏离最大处的电位差值计算获得每个倍率下三电极电池的极化电位；
15.s6、拆解三电极电池，获得析锂开始时的极化电位和充放电倍率。
16.进一步地，步骤s1中，制作扣电电池的极片取之于步骤s3中制作卷芯电池的极片。
17.进一步地，步骤s2中，所述设定倍率在0.1c以下。
18.进一步地，步骤s3中，采用铜丝与卷芯电池连接，其中铜丝引出的一端作为参比电极形成三电极电池。
19.进一步地，步骤s4中，设定不同倍率的方法为，不同倍率数值在1c左右进行取值。
20.进一步地，所述不同倍率数值从小到大阶梯递增。
21.进一步地，步骤s4中，对三电极电池进行不同倍率的充放电测试以及获得每个倍率下三电极电池正负极充放电电位曲线方法为，采用多通道仪连接三电极电池的正极-参比电极、负极-参比电极、正极-负极三个电压通道，同时电性能测试柜连接三电极电池的正负极，启动不同倍率的充放电测试。
22.进一步地，步骤s6中，所述析锂开始时的充放电倍率为步骤s4中不同倍率中发生析锂的电池对应的最小倍率。
23.进一步地，所述析锂开始时的极化电位为所述最小倍率对应的极化电位。
24.进一步地，制作扣电电池的正极极片和负极极片在制作前先采用试剂进行单面擦拭。
25.3.有益效果
26.采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
27.(1)本发明的一种利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，通常析锂发生在充电末期，此时电池内部锂离子在负极内部富集，极化较大，析锂的风险加大。本方法利用电池极化电位表征析锂窗口有利于提前预判电芯内部的情况，有利于后续优化制定充电策略，改善电池性能，在不改动电池原有设计，不增加材料和人力成本基础上，实现电池循环寿命的提升，从而节约成本。
28.(2)本发明的一种利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，通过获得正负极的标准充放电电位曲线，将三电极电池不同倍率下充放电测试的电位曲线与标准电位曲线对比，判断不同倍率下的极化电位，再通过拆解电池，确定造成析锂的最小充电倍率，得出析锂开始时的极化电位，根据此电位，判定后续的充放电策略是否会造成析锂。能够更为准确的反应且能够预判某一倍率下出电池出现析锂的情况。
29.(3)本发明的一种利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，每个倍率下的充放电曲线与标准曲线对比，能够得到不同倍率下充放电曲线与标准曲线的差异，此差异代表在该倍率下充电电池极化情况。通过对比充电情况下的负极电位曲线，在充电末端可以得到标准电位与工作电位的差值，即为析锂的极化电位。
30.(4)本发明的一种利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，制作扣电电池时，采用正负极单面极片与锂片分别制作，利用锂片作为对电极排除对电极的影响，采用小倍率进一步消除极化，从而得到与标准曲线更为接近的正负极的标准电位曲线。
附图说明
31.图1为扣电电池标准充放电曲线图；
32.图2为三电极电池负极电位曲线与扣电电池负极电位曲线对比图。
具体实施方式
33.为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
34.由于电池析锂和电池极化具有相关性，在电池充电末期锂离子在负极内部富集，极化增大，析锂风险增加，因此本实施例提供一种利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，利用极化电位表征电池析锂窗口，有利于提前预判电芯内部的情况，有利于后续优化制定充电策略，改善电池性能。
35.本实施例中利用电池极化电位表征析锂窗口的方法包括以下步骤：
36.s1、制作包括正极极片和锂片的扣电电池、包括负极极片和锂片的扣电电池和包括正极极片和负极极片的扣电电池；
37.s2、以设定倍率对所述扣电电池进行充放电，获得扣电电池正负极的标准充放电电位曲线；
38.s3、制作卷芯电池，在卷芯电池上设置参比电极获得三电极电池；
39.s4、设定不同倍率，对三电极电池进行不同倍率的充放电测试，获得每个倍率下三电极电池正负极充放电电位曲线；
40.s5、将每个倍率下三电极电池正负极充放电电位曲线与标准充放电电位曲线进行对比，通过两曲线偏离最大处的电位差值计算获得每个倍率下三电极电池的极化电位；
41.s6、拆解三电极电池，获得析锂开始时的极化电位和充放电倍率。
42.为了更为详细理解本实施例中的方案，具体对每个步骤进行说明。
43.s1、制作包括正极极片和锂片的扣电电池、包括负极极片和锂片的扣电电池和包括正极极片和负极极片的扣电电池。
44.在辊压后的正极极片和负极极片上取一部分极片作为制作扣电电池的正极极片和负极极片，而且制作扣电电池的正极极片和负极极片在制作前先采用试剂进行单面擦拭。
45.具体地，对制作扣电电池的正极极片和负极极片进行测试，要求正极极片和负极极片厚度在123
±
2μm，24小时反弹厚度在130μm，测试电阻率和剥离强度均无异常，对正极极片和负极极片进行单面擦拭，其中正极极片采用试剂nmp进行擦拭，负极极片采用试剂酒精进行擦拭，nmp为n-甲基吡咯烷酮。操作过程中需要用胶带封好极片的四周，防止试剂会渗入极片另一面，取擦拭后正负极片分别与锂片组装成扣电电池。
46.s2、以设定倍率对所述扣电电池进行充放电，获得扣电电池正负极的标准充放电电位曲线。其中设定倍率在0.1c以下。
47.根据扣电电池的参数确定扣电电池充放电的电流大小，即确定步骤s2中的所述的设定倍率的竖直。本实施例中扣电电池的参数具体为：制作扣电电池的正极极片和负极极片的重量，箔材的面密度为53g/m2，正负极活性物质占比为96.8％和96.5％，正极克容量发挥为145mah/g，负极克容量发挥为350mah/g。根据获得的参数确定充放电的电流大小，对电池进行0.1c(0.08ma)的充放电测试，得到正负极的标准充电电位曲线，如图1所示，以0.1c
倍率对扣电电池进行充电，其中曲线
①
为电池的全电池电位走向，该全电池为包括正极极片和负极极片的扣电电池；曲线
②
为电池正极的电位走势，该电池为包括正极极片和锂片的扣电电池；曲线
③
为电池负极的电位走势，该电池为负极极片和锂片的扣电电池。本实施例中，采用soc计算电位走向，soc采用电池的剩余容量占比进行计算。本实施例中，对扣电电池小倍率(0.1c)测试，采用扣电电池能够排除对电极的影响，采用小倍率进一步消除极化，从而得到正负极的标准电位曲线，与三电极电池测试结果对比可以明确得到三电极电池正负极的极化电位。
48.s3、制作卷芯电池，在卷芯电池上设置参比电极获得三电极电池。
49.使用步骤s1中在辊压后的正极极片和负极极片卷绕形成卷芯电池，采用铜丝与卷芯电池连接，其中铜丝引出的一端作为参比电极形成三电极电池。
50.采用的铜丝需先去除其表面氧化层，铜丝包括连接端和自由端，铜丝的连接端与电池连接，铜丝的自由端从电池的防爆阀引出作为参比电极。铜丝的连接端与电池卷芯的大面连接，且在铜丝处设置隔膜，铜丝的自由端从电池的防爆阀引出后固定在盖板上。
51.具体制作三电极电池的过程为，拆开卷芯电池卷芯的最后几折，取去掉氧化层的铜丝布置在电芯极片的大面处，在铜丝处固定一定面积的隔膜，避免铜丝与正负极直接接触。
52.布置好铜丝后，将卷芯极片还原，将铜丝另外一端用胶带固定在卷芯上，卷芯后续进行热压，组装等工序。待盖板焊完成后取下铜丝的自由端，并从防爆阀引出固定在盖板上，放入组装线进行激光焊，激光焊完后取下电芯，将防爆阀处的洞口用胶密封，待胶完全固化后，将电池进行后续烘烤、注液、化成、分容工序。将铜丝引出后固定在盖板上，能够避免后续电芯进行激光焊时，导致铜丝熔化。
53.待三电极电池完成分容后，挑选容量、内阻合格的电池对铜丝进行镀锂，设置镀锂电流0.02ma电流进行正反镀，选择较小的镀锂电流，保证镀锂的均匀。
54.s4、设定不同倍率，对三电极电池进行不同倍率的充放电测试，获得每个倍率下三电极电池正负极充放电电位曲线。
55.其中设定不同倍率的方法为，不同倍率数值在1c左右进行取值，而且不同倍率数值从小到大阶梯递增。
56.其中对三电极电池进行不同倍率的充放电测试以及获得每个倍率下三电极电池正负极充放电电位曲线方法为，采用多通道仪连接三电极电池的正极-参比电极、负极-参比电极、正极-负极三个电压通道，观察三个电位是否正常，同时电性能测试柜连接三电极电池的正负极，待接线全部完成后，设置多通道仪与电性能测试柜的采集的时间间隔一致后，启动不同倍率的充放电测试。
57.本实施例中制作五个三电极电池，对五个三电极电池分别以倍率0.7c、0.8c、0.9c、1c、1.1c进行充放电测试，记录电池在不同倍率下的充放电电位曲线。如图2所示，获得0.9c倍率下三电极电池负极充放电电位走势曲线
④
。
58.s5、将每个倍率下三电极电池正负极充放电电位曲线与标准充放电电位曲线进行对比，通过两曲线偏离最大处的电位差值计算获得每个倍率下三电极电池的极化电位。
59.将不同倍率下三电极电池正负极间电位曲线与标准充放电电位曲线进行对比，判断不同倍率下的极化电位。具体在本实施例中判断不同倍率下的极化电位的方法为，如图2
所示，获得0.9c倍率下三电极电池负极电位走势曲线
④
，将曲线
④
与图1曲线
③
进行对比，在接近充电末期时，负极电位在不断下降后开始上升，在下降转上升的拐点处，曲线
④
与曲线
③
之间的差值最大，该倍率下充电，在曲线的最低点处，三电极电池负极电位偏离标准曲线最大，将两曲线偏离最大处的电位差值作为三电极电池的极化电位，最低点处三电极电池负极实际电位与标准电池的实际电位之间的差值为极化电位。例如本实施例中，图2中拐点处，测得0.9c倍率下三电极电池负极实际电位与标准电池的实际电位之间的差值为0.12v。
60.同样地，采用同样的方法，将0.7c、0.8c、1c、1.1c倍率下充电测试时负极电位走势曲线与曲线
③
进行对比，获得不同倍率下电池的极化电位，具体如下表所示：
61.表1不同倍率下电池的极化电位表
[0062][0063]
s6、拆解三电极电池，获得析锂开始时的极化电位和充放电倍率。
[0064]
该步骤中，所述析锂开始时的充放电倍率为步骤s4中不同倍率中发生析锂的电池对应的最小倍率；析锂开始时的极化电位为所述最小倍率对应的极化电位。
[0065]
例如本实施例中，将不同的倍率下充电测试的电池进行拆解，发现0.7c和0.8c倍率测试的电池未出现析锂，0.9c、1c、1.1c倍率测试的电池出现析锂。因此0.9c以上倍率充电的界面发生析锂，在0.9c倍率下的负极析锂极化电位为0.12v，确定析锂窗口的极化电位为0.12v。在后续对该电池进行充电时，制定充电策略时，需要注意充电倍率不超过0.9c。
[0066]
本实施例中通过获得正负极的标准充放电电位曲线，将三电极电池不同倍率下充放电测试的电位曲线与标准电位曲线对比，判断不同倍率下的极化电位，再通过拆解电池，确定造成析锂的最小充电倍率，得出析锂最小的负参极化电位，根据此电位，判定后续的充放电策略是否会造成析锂。相比与通常情况下，利用三电极电池测试方法判断析锂电位通常只关注负参电位的变化，此方法的误差较大。而本实施例中的析锂判断方法能够更为准确的反应且能够预判某一倍率下出电池出现析锂的情况。
[0067]
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，其特征在于：包括以下步骤，s1、制作包括正极极片和锂片的扣电电池、包括负极极片和锂片的扣电电池和包括正极极片和负极极片的扣电电池；s2、以设定倍率对所述扣电电池进行充放电，获得扣电电池正负极的标准充放电电位曲线；s3、制作卷芯电池，在卷芯电池上设置参比电极获得三电极电池；s4、设定不同倍率，对三电极电池进行不同倍率的充放电测试，获得每个倍率下三电极电池正负极充放电电位曲线；s5、将每个倍率下三电极电池正负极充放电电位曲线与标准充放电电位曲线进行对比，通过两曲线偏离最大处的电位差值计算获得每个倍率下三电极电池的极化电位；s6、拆解三电极电池，获得析锂开始时的极化电位和充放电倍率。2.根据权利要求1所述的利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，其特征在于：步骤s1中，制作扣电电池的极片取之于步骤s3中制作卷芯电池的极片。3.根据权利要求1所述的利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，其特征在于：步骤s2中，所述设定倍率在0.1c以下。4.根据权利要求2或3所述的利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，其特征在于：步骤s3中，采用铜丝与卷芯电池连接，其中铜丝引出的一端作为参比电极形成三电极电池。5.根据权利要求4所述的利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，其特征在于：步骤s4中，设定不同倍率的方法为，不同倍率数值在1c左右进行取值。6.根据权利要求5所述的利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，其特征在于：所述不同倍率数值从小到大阶梯递增。7.根据权利要求5所述的利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，其特征在于：步骤s4中，对三电极电池进行不同倍率的充放电测试以及获得每个倍率下三电极电池正负极充放电电位曲线方法为，采用多通道仪连接三电极电池的正极-参比电极、负极-参比电极、正极-负极三个电压通道，同时电性能测试柜连接三电极电池的正负极，启动不同倍率的充放电测试。8.根据权利要求7所述的利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，其特征在于：步骤s6中，所述析锂开始时的充放电倍率为步骤s4中不同倍率中发生析锂的电池对应的最小倍率。9.根据权利要求8所述的利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，其特征在于：所述析锂开始时的极化电位为所述最小倍率对应的极化电位。10.根据权利要求2所述的利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，其特征在于：制作扣电电池的正极极片和负极极片在制作前先采用试剂进行单面擦拭。

技术总结
本发明公开了一种利用电池极化电位表征析锂窗口的方法，属于锂离子电池技术领域。本发明包括以下步骤，通过扣电电池获得标准充放电电位曲线；设定不同倍率，对三电极电池进行不同倍率的充放电测试，获得每个倍率下三电极电池正负极充放电电位曲线；将每个倍率下三电极电池正负极充放电电位曲线与标准充放电电位曲线进行对比，通过两曲线偏离最大处的电位差值计算获得每个倍率下三电极电池的极化电位；拆解三电极电池，获得析锂开始时的极化电位和充放电倍率。本发明的主要用途是进一步降低锂离子电池析锂风险，利用电池析锂和极化之间的相关性，利用极化电位表征析锂窗口，提前预判电芯内部的情况，从而制定更优的充电策略，改善电池性能。改善电池性能。改善电池性能。


技术研发人员：郑洁
受保护的技术使用者：合肥国轩高科动力能源有限公司
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/10/8