一种确定锂离子电池安全充电条件的方法及装置 |
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| 申请号 | CN201710657853.6 | 申请日 | 2017-08-03 | 公开(公告)号 | CN107516750A | 公开(公告)日 | 2017-12-26 |
| 申请人 | 国联汽车动力电池研究院有限责任公司; | 发明人 | 李翔; 庞静; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种确定 锂离子 电池 安全充电条件的方法及装置，包括：在预设 温度 下采用预设充电倍率对三 电极 锂离子电池 进行充电的步骤或单元；若所述负极与所述参比电极之间的 电压 差大于零则确定所述三电极锂离子电池未发生析锂，即在所述预设温度下采用所述预设充电倍率对锂离子电池充电为安全充电条件的步骤或单元。本发明实现确定锂离子电池安全充电的条件，从而避免锂离子电池因不合理的充电条件导致析锂影响锂离子电池的安全性，达到提高锂离子电池的使用寿命和安全性能的目的，并且具有简单、容易操作的优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种确定锂离子电池安全充电条件的方法，其特征在于，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 一种确定锂离子电池安全充电条件的方法及装置技术领域背景技术[0002] 锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、工作电压高、充电速度快、自放电小等显著优势成为最有优势的二次电池，当前锂离子电池已被广泛数码产品、储能电站、电动汽车等领域。随着锂离子电池应用领域的不断拓展，其应用条件也愈加严苛。尤其是电动汽车领域，由于使用条件的要求，存在快速充电的需求，尤其是低温下大倍率充电时，会引起电池较大的极化，并导致电池的析锂发生，从而对电池的安全性能造成极大的危害，所以要提前确定出锂离子电池安全充电条件，即确定锂离子电池析锂的边界条件。 [0003] 为了判断电池是否析锂，一般的做法是将电池在一定条件下进行充电后对电池进行拆解，判断锂离子电池是否析锂，并经过一系列的试验，确定锂离子电池析锂的边界条件。例如公开号为CN106168652A的专利申请提到为了判断电池是否析锂，通过拆解电池，目视观察判断负极表面是否析锂。一方面对于锂离子电池，尤其是车用锂离子电池，电池体积和容量较大，有些电池还是钢壳电池，拆解电池需要耗费人力和物力，且对于少量的析锂也无法做到目视观察判断，为此提出利用能谱、XRD分析手段观察负极表面是否出现析锂，但是由于拆解电池后再利用仪器进行测试待观察的负极表面会暴露在空气中一段时间，由于析出的金属锂非常活泼，往往在进行测试前已反应生成碳酸锂等产物，并会带来错误的判断。公开号为CN106093777A的专利申请提到通过比较电池循环时的库伦效率来判断电池是否出现析锂，一方面，电池的析锂会导致库伦效率的变化，但是库伦效率的变化却不一定是出现了析锂；另一方面，此方法过程繁琐，为了得到电池库伦效率的规律，需要进行多周的循环。因此准确地判定锂离子电池的析锂并确定锂离子电池安全充电条件是当前亟需解决的技术问题。 发明内容[0005] 为实现上述目的，本发明提供以下技术方案： [0006] 一方面，本发明提供了一种确定锂离子电池安全充电条件的方法，包括： [0008] 若所述负极与所述参比电极之间的电压差大于零，则确定所述三电极锂离子电池未发生析锂，即在所述预设温度下采用所述预设充电倍率对锂离子电池充电为安全充电条件。 [0009] 可选地，所述在预设温度下采用预设充电倍率对三电极锂离子电池进行充电的步骤，之前还包括： [0010] 将参比电极置于锂离子电池的裸电芯的外侧制成三电极锂离子电池。 [0011] 可选地，所述参比电极平行或垂直于锂离子电池的正负极片。 [0013] 可选地，所述参比电极的形状为：一维棒状或二维片状。 [0014] 可选地，所述预设温度的范围为：-40℃～55℃。 [0015] 可选地，所述预设充电倍率的范围为：0.1C～10C。 [0016] 可选地，对三电极锂离子电池进行充电的设备为：电池充放电测试仪或电化学工作站；测量三电极锂离子电池的负极与参比电极间的电压的设备为：电化学工作站、万用表或电压表。 [0017] 另一方面，本发明提供了一种确定锂离子电池安全充电条件的装置，包括： [0018] 充电单元，用于在预设温度下采用预设充电倍率对三电极锂离子电池进行充电；其中，所述三电极锂离子电池的电极分别为：正极、负极和参比电极； [0019] 判断单元，用于若所述负极与所述参比电极之间的电压差大于零，则确定所述三电极锂离子电池未发生析锂，即在所述预设温度下采用所述预设充电倍率对锂离子电池充电为安全充电条件。 [0020] 可选地，所述装置还包括： [0021] 制备单元，用于将参比电极置于锂离子电池的裸电芯的外侧制成三电极锂离子电池。 [0022] 由上述技术方案可知，本发明所述的一种确定锂离子电池安全充电条件的方法及装置，实现确定锂离子电池安全充电的条件，从而避免锂离子电池因不合理的充电条件导致析锂影响锂离子电池的安全性，达到提高锂离子电池的使用寿命和安全性能的目的，并且具有简单、容易操作的优点。附图说明 [0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0024] 图1是本发明的一种确定锂离子电池安全充电条件的方法的流程示意图； [0025] 图2是本发明的另一种确定锂离子电池安全充电条件的方法的流程示意图； [0026] 图3是在-10℃下以0.5C对锂离子电池充电时负极与参比电极之间的电位的变化曲线图； [0027] 图4是本发明的一种确定锂离子电池安全充电条件的装置的结构示意图。 具体实施方式[0028] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。 [0029] 本发明实施例提供一种确定锂离子电池安全充电条件的方法，参见图1，该方法具体包括如下步骤： [0030] S101：在预设温度下采用预设充电倍率对三电极锂离子电池进行充电；其中，所述三电极锂离子电池的电极分别为：正极、负极和参比电极； [0031] 在本步骤中，预设温度的温度值和预设充电倍率的倍率值分别在两个集合的范围之内，该预设温度和该预设充电倍率分别属于该两个集合内的一组数据；在不同的温度下采用不同的充电倍率对三电极锂离子电池进行充电处理后，对该三电极锂离子电池进行检测。 [0032] 进一步的，所述预设温度的范围为：-40℃～55℃。所述预设充电倍率的范围为：0.1C～10C。 [0033] S102：若所述负极与所述参比电极之间的电压差大于零，则确定所述三电极锂离子电池未发生析锂，即在所述预设温度下采用所述预设充电倍率对锂离子电池充电为安全充电条件。 [0034] 在本步骤中，通过上述步骤S101之后，检测负极与参比电极之间的电压差值，通过电压差值判断三电极锂离子电池是否发送析锂；其中，若负极与参比电极之间的电压差大于零，则判断三电极锂离子电池未发生析锂，反之，则判断三电极锂离子电池发生析锂。 [0035] 三电极锂离子电池未发生析锂则表明在当前的温度下，以当前的充电倍率对三电极锂离子电池充电属于安全充电条件；反之，发生析锂，则在当前的温度下以当前的充电倍率进行充电属于非安全充电条件。 [0036] 由于上述步骤S101中，在不同温度下采用不同充电倍率对三电极锂离子电池进行充电，在根据步骤S102中的方式判断是否发生析锂，则可以三电极锂离子电池发生析锂的边界条件，即发生析锂的边界温度和边界充电倍率。根据发生析锂的边界条件因此可以确定锂离子电池进行充电的安全充电条件。 [0037] 从上述描述可知，本实施例通过对锂离子电池进行析锂检测，即可通过锂离子电池是否析锂，表征锂离子电池的安全充电条件，实现确定锂离子电池安全充电的条件，从而避免锂离子电池因不合理的充电条件导致析锂影响锂离子电池的安全性，达到提高锂离子电池的使用寿命和安全性能的目的并且提高了锂离子电池充电安全性的识别和预防能力，完善了现有常规的检测手段存在的漏洞和安全隐患，能够避免重大充电安全风险出现，解决大多数充电安全事故的根本原因。 [0038] 本发明实施例提供一种确定锂离子电池安全充电条件的方法，参见图2，在上述方法实施例的基础上，还包括如下步骤： [0039] S100：将参比电极置于锂离子电池的裸电芯的外侧制成三电极锂离子电池。 [0040] 在本步骤中，制备与待确认安全充电条件的锂离子电池具有相同正负极片的三电极锂离子电池，具体将参比电极置于极片平行方向或垂直方向的电池最外层。 [0041] 进一步的，所述参比电极的材料为：金属锂或锂合金；所述锂合金包括：锂锡合金、锂铜合金或锂铝合金。所述参比电极的形状为：一维棒状或二维片状。 [0042] 从上述描述可知，本实施例在锂离子电池的基础上添加参比电极，通过测量参比电极与负极之间的电压差来判断锂离子电池是否发生析锂，与通过单独测量负极的电压判断锂离子电池是否发生析锂更为准确，而且不受锂离子电池的结构的影响而提高判断是否发生析锂的准确性。 [0043] 进一步的，在上述方法实施例的基础上，对三电极锂离子电池进行充电的设备为：电池充放电测试仪或电化学工作站；测量三电极锂离子电池的负极与参比电极间的电压的设备为：电化学工作站、万用表或电压表。 [0044] 通过上述描述可知，本发明实施例提供了确定锂离子电池安全充电条件的方法，该方法简单、容易操作，可以对各种类型的锂离子电池进行安全充电条件测试，判断锂离子电池安全充电的边界条件，从而避免电池由于不合理的温度充电行为导致析锂安全行为的发生。 [0045] 为更近一步的对本发明的方法进行详细说明，本法明提供一种确定锂离子电池安全充电条件的方法的具体应用实例，具体内容如下： [0046] 本方案的原理是：锂离子电池充电中的安全风险为在充电时负极发生析锂行为，通过引入参比电极，定量检测负极与参比电极之间的相对电极电位，负极发生析锂时的电位和负极发生锂离子嵌入的电位有明显的差异，发生析锂时，P负极-P参比≤0V，据此来，通过不同条件的试验，来确定锂离子电池安全充电的边界条件，从而避免锂离子电池由于不合理的充电行为导致析锂安全事件的发生。 [0047] 参见图3，示出了-10℃温度下，以0.5C对电池充电时负极电极电位的变化曲线，从图3中可以判断，-10℃温度下，以0.5C充电至45％SOC(State of Charge，荷电状态，也叫剩余电量)时负极电位降至0V以下，发生了析锂，从而可以判断，-10℃温度下，0.5C充电的边界为45％SOC以下。 [0048] 实施例1： [0049] 确定锂离子安全充电条件的方法是按下述步骤实现的： [0050] 1)制备三电极电池。三电极电池与待确认的软包装锂离子电池结构一致，具有相同的正负极，参比电极选择二维金属锂片，参比电极置于极片平行方向的电池最外层； [0051] 2)对三电极电池进行测试，在不同温度下，以不同的充电条件对电池进行充电，判断电池是否析锂。用电化学工作站对电池进行充电，并同时记录负极与参比电极间的电压。 [0052] 在-40℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0053] 在-30℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0054] 在-20℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0055] 在-10℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0056] 在0℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0057] 在10℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0058] 在20℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0059] 在55℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0060] 3)根据负极与参比电极间的电压作为电池是否发生析锂的判断，从而确定锂离子电池安全充电的条件。根据步骤2)的结果，绘制软包装锂离子电池的安全充电条件，如下表所示。 [0061] [0062] [0063] 实施例2： [0064] 确定锂离子安全充电条件的方法是按下述步骤实现的： [0065] 1)制备三电极电池。三电极电池与待确认的方形锂离子电池结构一致，具有相同的正负极，参比电极选择一维锂锡合金线，参比电极置于极片平行方向的电池最外层。 [0066] 2)对三电极电池进行测试，在不同温度下，以不同的充电条件对电池进行充电，判断电池是否析锂。用充放电测试仪对电池进行充电，并同时用电压表记录负极与参比电极间的电压。 [0067] 在-30℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0068] 在-20℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0069] 在-10℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0070] 在0℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0071] 在10℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0072] 在20℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0073] 在55℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0074] 3)根据负极与参比电极间的电压作为电池是否发生析锂的判断，从而确定锂离子电池安全充电的条件。根据步骤2)的结果，绘制方形锂离子电池的安全充电条件，如下表所示。 [0075] [0076] 实施例3： [0077] 确定锂离子安全充电条件的方法是按下述步骤实现的： [0078] 1)制备三电极电池。三电极电池与待确认的软包装锂离子电池结构一致，具有相同的正负极，参比电极选择一维锂铜合金棒，参比电极置于极片垂直方向的电池最外层。 [0079] 2)对三电极电池进行测试，在不同温度下，以不同的充电条件对电池进行充电，判断电池是否析锂。用充放电测试仪对电池进行充电，并同时用万用表记录负极与参比电极间的电压。 [0080] 在-40℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0081] 在-30℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0082] 在-20℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0083] 在-10℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0084] 在0℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0085] 在10℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0086] 在20℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0087] 在55℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0088] 3)根据负极与参比电极间的电压作为电池是否发生析锂的判断，从而确定锂离子电池安全充电的条件。根据步骤2)的结果，绘制软包装锂离子电池的安全充电条件，如下表所示。 [0089] [0090] 实施例4： [0091] 确定锂离子安全充电条件的方法是按下述步骤实现的： [0092] 1)制备三电极电池。三电极电池与待确认的圆柱锂离子电池结构一致，具有相同的正负极，参比电极选择一维锂铜合金片，参比电极置于极片平行方向的电池最外层。 [0093] 2)对三电极电池进行测试，在不同温度下，以不同的充电条件对电池进行充电，判断电池是否析锂。用电化学工作站对电池进行充电，并同时记录负极与参比电极间的电压。 [0094] 在-30℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、3C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0095] 在-20℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、3C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0096] 在-10℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、3C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0097] 在0℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、3C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0098] 在10℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、3C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0099] 在20℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、3C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0100] 在55℃条件下，分别以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、3C对电池进行充电并记录负极与参比电极间的电压； [0101] 3)根据负极与参比电极间的电压作为电池是否发生析锂的判断，从而确定锂离子电池安全充电的条件。根据步骤2)的结果，绘制圆柱锂离子电池的安全充电条件，如下表所示。 [0102] [0103] 从上述描述可知，通过对一定温度下充电的锂离子电池的负极析锂进行准确的检测，避免充电时由于负极析锂影响锂离子电池的安全性，确定锂离子电池安全充电的条件，达到提高锂离子电池的使用寿命和安全性能的目的。 [0104] 本发明实施例提供一种确定锂离子电池安全充电条件的装置，参见图4，该装置具体包括： [0105] 充电单元20，用于在预设温度下采用预设充电倍率对三电极锂离子电池进行充电；其中，所述三电极锂离子电池的电极分别为：正极、负极和参比电极； [0106] 判断单元30，用于若所述负极与所述参比电极之间的电压差大于零，则确定所述三电极锂离子电池未发生析锂，即在所述预设温度下采用所述预设充电倍率对锂离子电池充电为安全充电条件。 [0107] 进一步的，所述装置还包括： [0108] 制备单元10，用于将参比电极置于锂离子电池的裸电芯的外侧制成三电极锂离子电池。 [0109] 通过上述描述可知， [0110] 本发明所述的一种确定锂离子电池安全充电条件的装置，实现确定锂离子电池安全充电的条件，从而避免锂离子电池因不合理的充电条件导致析锂影响锂离子电池的安全性，达到提高锂离子电池的使用寿命和安全性能的目的，并且具有简单、容易操作的优点。 [0111] 以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，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精神和范围。 |
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