CN104347896A - 一种改善锂离子电池在低温环境下使用寿命的方法 - Google Patents

一种改善锂离子电池在低温环境下使用寿命的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于电池技术领域的一种改善锂离子电池在低温环境下使用寿命的方法。该方法通过在低温环境使用前，先对电池施加脉冲以提升电池自身温度。即在低温环境使用前，先对电池施加一定量的脉冲电，使电池自身均匀的达到适宜的温度。在不增加电池设计成本的同时，改善电池低温环境下的使用寿命。此种方法会在较短时间内提升电池温度，且电池自身温升均匀性好，从而降低了电池使用环境的温度，改善了电池在低温环境下的使用寿命。

Description

一种改善锂离子电池在低温环境下使用寿命的方法
技术领域
本发明属于电池技术领域，特别涉及一种改善锂离子电池在低温环境下使用寿命的方法。
背景技术
随着传统能源的日益枯竭和其造成的污染日益严重，各国政府对新能源汽车的期待越来越强烈，期待它的出现能够缓解目前我们所面临的日益严峻的能源、环境压力。作为新能源汽车发展的关键技术—电池技术因而被提到了一个重要的位置。由于锂离子动力电池在能量密度、功率性能等方面的优势而被广泛应用。
锂离子电池运用范围的不断扩大，对于其运用条件的要求也愈加苛刻。随之而来的是锂电池行业必须解决的，如何提升锂电池在低温下的使用寿命和改善低温下电池的稳定性，这是本行业面临的机遇和挑战。
为了解决上述问题，锂电工作者在改变电池活性材料，集流体厚度，及优化电解液成分等方面做了大量的工作，使电池的高低温性能得到很大的改善。但同时也造成电池成本的提高，并使相关工艺更加复杂。另外，在不改变锂电池原有配方和结构的基础上，通过外加热的方式，对电池***进行整体加热保温的方法，改变电池的使用环境温度，也能达到一定的优化效果。但外加热的方式，很难保证电池***中每支电池及单支电池内部温度的均匀性，致使电池稳定性变差。
发明内容
本发明的目的是在现有技术基础上提出一种降低锂离子电池使用环境温度、改善锂离子电池在低温环境下使用寿命的方法，采取预充电的方式，该方法通过在低温环境使用前，先对电池施加脉冲以提升电池自身温度。即在低温环境使用前，先对电池施加一定量的脉冲电，使电池自身均匀的达到适宜的温度。在不增加电池设计成本的同时，改善电池低温环境下的使用寿命。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
在低温环境使用前，首先检测电池开路电压（OCV）及温度（T），然后根据开路电压及温度确定对电池施加的初始脉冲参数（不同体系电池参数略有不同，电池参数是指V临界、R、K），当电池温度升高1～2℃，重新根据开路电压及温度调整脉冲参数，直至电池温度达到适宜的使用温度。虽然不同体系的电池低温环境界定范围不同，但一般以0℃为分界点，以下为低温环境，以上为适宜温度。
施加的脉冲可为恒流式脉冲或恒压式脉冲。
施加的脉冲为步进式脉冲。
采用恒压式脉冲时，所选定的电压为V临界。
恒流式脉冲方法，所选定的电流In＝[(V临界n-OCVn)/Rn]*K，V临界是指在相应温度对电池进行充电出现析锂的临界电位，OCV为电池的起始电压，R指相应温度下在起始状态时电池引起极化的阻抗能力，K为电流校正系数0.5～2.0，n为自然数，其中I1＜I2＜I3＜…＜In。
所实施的单个脉冲的时间为1mS～100S，优选为1mS～1S。
所实施的脉冲可为充电式、放电式和充放电式脉冲，优选当SOC（由OCV确定）＞70%时，采用放电式；当30%≤SOC≤70%时，采用充放电式；当SOC＜30%时，采用充电式。
上述方法适合于单体电池和电池***。
本发明的有益效果为：
本发明通过步进式脉冲充放电方法将电池自身温度提高到适宜的使用温度后，再进行正常的充放电，此种方法是根据电池温度进行脉冲电流的选择，随着电池温度的递增，脉冲电流也相应递增；由于此种方法脉冲幅宽较窄，在进行脉冲的过程中，不会对电池自身性能造成恶化；此种方法会在较短时间内提升电池温度，且电池自身温升均匀性好，从而降低了电池使用环境的温度，改善了电池在低温环境下的使用寿命。
附图说明
图1：恒流充放电式脉冲时，脉冲电流、电池电压与时间变化模拟曲线（I1脉冲电流、t1单脉冲时间）；
图2：恒流充放电式脉冲时，步进式电流与时间变化模拟曲线；
图3：恒流充电式脉冲电流与时间变化模拟曲线；
图4：恒流放电式脉冲电流与时间变化模拟曲线；
图5：电池表面温升随时间变化模拟曲线；
图6：恒压充电式脉冲时，脉冲电流、电池电压与时间变化模拟曲线；
图7：实施例1中脉冲前后电池阻抗图谱。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本发明提及的锂电池工艺及工具与传统工艺使用的基本相同，只是在电池低温使用前采取脉冲式预充电自加热的方法，使电池达到适宜的使用温度，进而改善电池在低温环境下的使用寿命。
首先进行锂离子电池的制作工艺：
①正极的涂布：将正极材料、炭黑、KS-15、聚偏二氟乙烯（PVDF）按照一定比例混合、搅拌，然后进行正极涂布；
②负极的涂布：将石墨、炭黑、LA-132、羧甲基纤维素（CMC）按照一定比例混合、搅拌，然后进行负极涂布；
③将①、②所得正负极片经过烘烤、辊压、裁片、配组、叠片、封装工艺，制备好电池芯；
④注液工艺，注入1.0mol/LLiPF6(EC:DEC:DMC=1:1:1)型的电解液；1.0mol/LLiPF6(EC:DEC:DMC=1:1:1)指LiPF6溶解于体积比为1:1:1的碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）和碳酸二甲酯（DMC）的混合溶液中形成浓度为1mol/L的电解液；
⑤进行预充化成工艺制得成品电池。
主要实施方式如以下方案：
实施例
实施例1：恒流式充放电
按照上述方法制作容量为20Ah的电池，采用步进式恒流充放电脉冲的方式，从-15℃起对电池进行自身预加热试验，共8步脉冲流程，单步脉冲时间0.6S，温度间隔为2℃，V临界被认定为4.2V，OCV为3.7V，K为1.0，Rn已知，由In＝[(V临 界n-OCVn)/Rn]*K计算得In，在进行I1脉冲时，检测电池温度，当温度达到-13℃时，转为I2脉冲，按照下表电流进行步进式脉冲直至电池温度大于0℃。
参数见下表：
由上表中，t1和脉冲次数计算：在36min内将电池温度由-15℃均匀升温至0℃以上。为验证脉冲是否对电池带来伤害，重复上述试验30次后，在25℃下OCV为3.7V时测试电池阻抗图谱。由图7可见，短期内施加脉冲电流给电池加热，电池阻抗略微有增长，但变化不明显，可认为不对电池造成伤害。
实施例2：恒流式充电
按照上述方法制作容量为25Ah的电池，采用步进式恒流充电脉冲的方式，从-10℃起对电池进行自身预加热试验，共5步脉冲流程，单步脉冲时间0.05S，温度间隔为2℃，V临界被认定为4.2V，OCVn为3.5V，K为1.0，Rn已知，由In＝[(V临界n-OCVn)/Rn]*K计算得In，在进行I1脉冲时，检测电池温度，当温度达到-8℃时，转为I2脉冲，按照下表电流进行步进式脉冲直至电池温度大于0℃。
参数见下表：
由上表中，t1和脉冲次数计算：在13min内将电池温度由-10℃均匀升温至0℃以上，电池SOC增加19.5%。
实施例3：恒压式充电
按照上述方法制作容量为30Ah的电池，采用步进式恒压充电脉冲的方式，从-10℃起对电池进行自身预加热试验，共5步脉冲流程，单步脉冲时间0.1S，温度间隔为2℃，V临界1被认定为4.25V，OCV1为3.5V，进行V临界1脉冲时，检测电池温度，当温度达到-8℃时，转为V临界2脉冲，按照下表电流进行步进式脉冲直至电池温度大于0℃。
参数见下表：
由上表中，t1和脉冲次数计算：在11min内将电池温度由-10℃均匀升温至0℃以上，电池SOC增加15%。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种改善锂离子电池在低温环境下使用寿命的方法，其特征在于：该方法通过在低温环境使用前，先对电池施加脉冲以提升电池自身温度。
2.根据权利要求1所述的改善锂离子电池在低温环境下使用寿命的方法，其特征在于：在低温环境使用前，先对电池施加一定量的脉冲电，使电池自身均匀的达到适宜的温度。
3.根据权利要求1所述的改善锂离子电池在低温环境下使用寿命的方法，其特征在于：在低温环境使用前，首先检测电池开路电压（OCV）及温度（T），然后根据开路电压及温度确定对电池施加的初始脉冲参数，当电池温度升高1～2℃，重新根据开路电压及温度调整脉冲参数，直至电池温度达到适宜的使用温度。
4.根据权利要求1所述的改善锂离子电池在低温环境下使用寿命的方法，其特征在于：施加的脉冲为恒流式脉冲或恒压式脉冲。
5.根据权利要求1所述的改善锂离子电池在低温环境下使用寿命的方法，其特征在于：施加的脉冲为步进式脉冲。
6.根据权利要求1所述的改善锂离子电池在低温环境下使用寿命的方法，其特征在于：采用恒压式脉冲时，所选定的电压为V临界。
7.根据权利要求4所述的改善锂离子电池在低温环境下使用寿命的方法，其特征在于：恒流式脉冲方法，所选定的电流In＝[(V临界n-OCVn)/Rn]*K，V临界是指在相应温度对电池进行充电出现析锂的临界电位，OCV为电池的起始电压，R指相应温度下在起始状态时电池引起极化的阻抗能力，K为电流校正系数0.5～2.0，n为自然数，其中I1＜I2＜I3＜…＜In。
8.根据权利要求6或7所述的改善锂离子电池在低温环境下使用寿命的方法，其特征在于：所实施的单个脉冲的时间为1mS～100S，优选为1mS～1S。
9.根据权利要求1所述的改善锂离子电池在低温环境下使用寿命的方法，其特征在于：所实施的脉冲可为充电式、放电式和充放电式脉冲，优选如下：当SOC（由OCV确定）＞70%时，采用放电式；当30%≤SOC≤70%时，采用充放电式；当SOC＜30%时，采用充电式。
10.根据权利要求1所述的改善锂离子电池在低温环境下使用寿命的方法，其特征在于：该方法适合于单体电池和电池***。
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