CN106654359A - 一种能无损探测电极界面的锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能无损探测电极界面的锂离子电池，该电池包含：具有第一空腔的外壳，设置在外壳内的单体电芯，嵌设在外壳内并处于单体电芯上方的塑料结构件，用于密封该塑料结构件的可拆卸的密封件，以及可拆卸的界面探测部件。其中，单体电芯与塑料结构件之间电隔绝。塑料结构件具有第二空腔，该第二空腔与所述的界面探测部件相适配。塑料结构件和界面探测部件均设有微孔，与第一空腔通过微孔相通。在使用状态时，拆卸掉塑料结构件上方的密封件，将界面探测部件固定在塑料结构件的空腔内。本发明的电池能够无损地对锂离子电池界面优化，以及出现异常时快速判断失效电极，还能在电池循环后期通过补液进行维护，使容量得以部分恢复，以实现电池的梯次利用。

Description

一种能无损探测电极界面的锂离子电池

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种能无损探测电极界面的锂离子电池。

背景技术

随着现代工业社会的发展，对化石燃料的消耗急剧增大，交通运输对燃油的消耗尤为突出。锂离子电池作为一种新型的电能储存载体，以其电压高、比能量高、安全性好和无污染等优点备受人们关注。大容量方形锂离子电池的循环寿命是评价动力电池性能的一项重要指标，而其界面性能与循环寿命密切相关。由于电池内部化学体系中存在副反应等因素，锂离子电池在循环一定周期后，电解液、电解质、功能添加剂等会有一定的损失，从而造成电池的界面性能变差，循环性能下降；副反应产生的废气，会使隔膜起皱，使界面恶化，容易产生锂枝晶，产生安全隐患。

传统的电池预充工艺是先以少量电池为研究对象，先得到电压与产气量的关系，然后在电池批量预充中，统一将电池充到某一电压下，再将其置于低气压环境下进行抽气。这种抽气方式的优点在于简单易行，但从试样到大批量生产的转变中，该方式易受电池不同批次、电解液种类以及环境等因素的干扰，难以保证预充形成的固体电解质界面膜（SEI膜）的平行性。并且，电池预充时气体是逐渐累积的，这会导致隔膜皱卷，进而影响其界面性能，导致锂枝晶的产生，造成循环衰减以及安全隐患。而且，SEI膜的形成受负极电位的影响更大，若只根据全电池电压来判断，可能会受到正极电位等因素的干扰，导致未能在适合负极电位下成膜，影响SEI膜的致密性。此外，传统电池在使用周期内无法准确监控正负极电位和界面状况，以及无法在电池出现异常时判断失效电极，在电池循环后期，也无法通过补液的方式进行适当的维护。

鉴于些，有必要提供一种电池结构，在预充过程中对SEI膜的形成进行更为合理的控制，以及在不同的测试过程（容量、循环、高温存储、过充电、过放电）中对锂离子电池的界面进行监测，以及异常问题快速判断。

发明内容

本发明的目的是提供一种能无损探测电极界面的锂离子电池，该电池解决了传统电池在使用周期内无法准确监控正负极电位和界面状况，以及在电池循环后期也无法通过补液的方式进行适当维护的问题，能够无损地对锂离子电池界面优化，以及出现异常时快速判断失效电极，还可以在电池循环后期通过补液的方式进行适当的维护，使容量得以部分恢复，可用于储能领域，以实现电池的梯次利用。

为了达到上述目的，本发明提供了一种能无损探测电极界面的锂离子电池，该电池包含：具有第一空腔的外壳，设置在外壳内的单体电芯，嵌设在外壳内并处于单体电芯上方的塑料结构件，用于密封该塑料结构件的可拆卸的密封件，以及可拆卸的界面探测部件。

其中，所述的单体电芯与塑料结构件之间电隔绝。

其中，所述的塑料结构件具有第二空腔，该第二空腔与所述的界面探测部件相适配。

其中，所述的塑料结构件和界面探测部件均设有微孔，与第一空腔通过微孔相通。

在使用状态时，拆卸掉塑料结构件上方的密封件，将界面探测部件固定在塑料结构件的空腔内。

所述的外壳包含：下壳体，盖合在下壳体上的盖板，以及分别设置在盖板两端的正极连接件和负极连接件。

所述的塑料结构件设置在正极连接件和负极连接件之间。

所述的塑料结构件包含：塑料螺丝，与塑料螺丝相适配的螺母，以及设置在塑料螺丝与盖板之间的密封垫圈。

所述的螺母和塑料螺丝均具有空腔。其中，螺母的空腔为两端开口，塑料螺丝的空腔与螺母连接的一端为开口端，另一端为封闭端。

所述的塑料螺丝具有圆柱状的空腔，该空腔下端的侧壁设有内螺纹；所述的界面探测部件下端的侧壁设有外螺纹。

所述的塑料螺丝下端的侧壁设有若干第一微孔。

所述的界面探测部件下端的侧壁设有若干第二微孔，所述的第二微孔与第一微孔的位置相匹配。

所述的密封件为盖帽。

所述的密封件的上表面不超过电池的盖板所在的平面。

所述的界面探测部件包含：参比电极，设置在参比电极内的注液/抽气通道，以及设置在参比电极上的参比电极通道。

本发明提供的能无损探测电极界面的锂离子电池，解决了传统电池在使用周期内无法准确监控正负极电位和界面状况，以及在电池循环后期也无法通过补液的方式进行适当维护的问题，具有以下优点：

（1）本发明的电池能与抽气装置连接，并在电池产气量较大的负极电位下进行抽气，减少气泡对电极界面的影响，改善电池的界面性能，减少锂枝晶的产生，提高电池的循环性能和安全性能。

（2）本发明的电池可无损地对锂离子电池界面优化，必要时对电池进行补液，使容量得以部分恢复，以提高电池的循环性能，实现电池的梯次利用。

（3）本发明的电池可对正负极界面进行即时监测，出现异常时快速判断失效电极。

（4）一般认为SEI膜的形成电位在0.8~0.2V（vs. Li⁺/Li，对锂电位）之间，本发明的电池在监测到负极电位位于此区间时，可适当调整电流密度，以得到更致密的SEI膜，提高电池的循环性能。

附图说明

图1为本发明的能无损探测电极界面的锂离子电池的结构示意图。

图2为本发明的塑料结构件的结构示意图。

图3为本发明的界面探测部件的结构示意图。

图4为本发明的能无损探测电极界面的锂离子电池在预充及维护状态时的结构示意图。

图5为本发明的电池循环500次后的正负极电位曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，为本发明的能无损探测电极界面的锂离子电池的结构示意图，该电池包含：具有第一空腔的外壳10，设置在外壳10内的单体电芯20，嵌设在外壳10内并处于单体电芯20上方的塑料结构件30，设置在塑料结构件30上方且可拆卸的密封件40，以及可拆卸的界面探测部件50。

其中，外壳10上设有：正极连接件11和负极连接件12。单体电芯20与塑料结构件30之间电隔绝，优选地，塑料结构件30与单体电芯20之间不接触。塑料结构件30具有第二空腔，且该第二空腔与界面探测部件50相适配。该塑料结构件30和界面探测部件50与第一空腔相通。

在使用状态时，拆卸掉塑料结构件30上方的密封件40，将界面探测部件50固定在塑料结构件30的空腔内。

上述外壳10包含：下壳体11，以及盖合在下壳体13上的盖板14。正极连接件11和负极连接件12分别设置在该盖板14的两端。

塑料结构件30设置在正极连接件11和负极连接件12之间，优选地，设置在盖板14的中部。如图2所示，为本发明的塑料结构件的结构示意图，该塑料结构件30包含：塑料螺丝31，与塑料螺丝31相适配的螺母32，以及设置在塑料螺丝31与盖板14之间的密封垫圈33。其中，螺母32具有两端开口的空腔，塑料螺丝31具有一开口端和一封闭端的空腔，其与螺母32连接的端部为开口端。螺母32和塑料螺丝31的空腔组成了第二空腔。当螺母32按照设定的力矩旋紧时，密封垫圈33受挤压发生弹性形变，使得塑料螺丝31与电池的盖板14紧密接触，达到密封效果。

其中，上述塑料螺丝31具有圆柱状的空腔，其内壁设有螺纹。该塑料螺丝31的底端设有若干第一微孔311，具体地，该第一微孔311垂直于空腔轴线，这些微孔可将螺丝内外连通，通过这些微孔，气体和液体能够顺利地流通。

上述塑料结构件30的材质包括（但不限于）：全氟烷氧基树脂（PFA）、聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）中的任意一种或两种以上，优选地，采用PFA。

密封件40为盖帽，其用于密封塑料结构件30，该密封件40的上表面不超过电池的盖板14所在的平面。

如图3所示，为本发明的界面探测部件的结构示意图，界面探测部件50包含：参比电极51，设置在参比电极51内的注液/抽气通道52，以及设置在参比电极51上的参比电极通道53。该界面探测部件50的底端的外壁设有螺纹，并且设有若干第二微孔54，具体地，该第二微孔54设置在参比电极51和注液/抽气通道52的底端。该第二微孔54与第一微孔311的微孔位置相匹配，通过第二微孔54和第一微孔311可以将界面探测部件50和塑料结构件30与电池内部的空间连通。

上述参比电极51为金属电极，其包括（但不限于）：锂电极、铂电极和银电极中的任意一种，优选地，参比电极51为锂电极。

上述注液/抽气通道52能与抽气装置连接，进行抽气，以减少气泡，防止气体累积影响电极界面，从而改善电池的界面性能。在对电池的维护过程中，可通过注液/抽气通道52加入电解液，使电池容量得以部分恢复，以提高电池的循环性能，实现电池的梯次利用。

如图4所示，为本发明的能无损探测电极界面的锂离子电池在使用状态时的结构示意图，在预充或者维护时，将密封件40拆卸掉，将界面探测部件50***塑料螺丝31的圆柱状的空腔内，参比电极通道53与检测装置（如万用表）连接，将正极连接件11与参比电极通道53电连接，能检测电池的正极电位，将负极连接件12和参比电极通道53电连接，能检测电池的负极电位，采集电池正极和负极电位。将界面探测部件50的注液/抽气通道52与抽气装置相连，并对电池进行充电，实时监测负极电位。当负极电位达到某一特定电压（此电压下电池产气量较大），暂停充电，启动抽气装置对电池进行抽气，以减少气泡，防止气体累积影响电极界面，从而改善电池的界面性能，减少锂枝晶的产生，以提高电池的安全性能。抽气完毕后，继续充电，观察整个过程中正、负极电位是否有异常，防止过充而使负极析锂，直到电池的电压被充到截止电压为止。将界面探测部件50从塑料螺丝31内取出，焊接密封件40，保证电池的密封性。上述监测过程是无损的，且电池在维护后可再次通过密封件40进行密封。

实施例1

以方形铝壳电池为研究对象，电池正极采用磷酸铁锂，电池负极采用石墨，塑料螺丝31采用M12型，密封垫圈33采用硅橡胶垫圈，在电池焊接前将方形铝壳电池，即单体电芯20，放置于外壳10内。拧紧塑料螺丝31以保证电池密封性，并安装好界面探测部件50。上述部件安装好后，用安捷伦的采压线连接电池的正极连接件11和参比电极通道53，可采集正极电位，连接负极连接件12和参比电极通道53，可采集负极电位。将界面探测装置的注液/抽气通道52与抽气装置相连，并对电池进行充电，实时监测负极电位，当负极电位分别达到0.2V、0.15V、0.10V时，此时电池产气量较大，暂停充电，启动抽气装置对电池进行抽气，防止气体累积影响电极界面，抽气完毕后继续充电，观察整个过程中正、负极电位是否有异常，防止过充而使负极析锂，直到全电池电压充到3.65V为止，将界面探测装置取出，并焊接密封件40以保证电池的密封性。

实施例2

将实施例1的电池循环使用500次后，将密封件40（即盖帽）打开，重新连接界面探测部件50，监测循环500次后的正负极电位曲线，并与循环前的正负极电位曲线进行对比，可以判断失效的电极。如图5所示，为本发明的电池循环500次后的正负极电位曲线图，电池在循环500次后，不仅容量变低，且正极和负极的电位平台均发生了变化。对于循环后的负极，其充放电的电位平台始终较低，说明负极表面富锂，很可能有锂枝晶的产生；对于循环后的正极，其充电电位升高，放电电位降低，表明电化学极化增加，正极电位降低是导致放电终止的主要原因，这可能是因为电解液副产物的迁移到正极使正极变坏。

综上所述，本发明提供的能无损探测电极界面的锂离子电池，该电池能对正负极界面进行即时监测，出现异常时快速判断失效电极，而且还能无损地对锂离子电池界面优化，必要时对电池进行补液，使容量得以部分恢复，以提高电池的循环性能，实现电池的梯次利用。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种能无损探测电极界面的锂离子电池，其特征在于，该电池包含：

具有第一空腔的外壳（10），

设置在外壳（10）内的单体电芯（20），

嵌设在外壳（10）内并处于单体电芯（20）上方的塑料结构件（30），

用于密封该塑料结构件（30）的可拆卸的密封件（40），以及

可拆卸的界面探测部件（50）；

所述的单体电芯（20）与塑料结构件（30）之间电隔绝；

所述的塑料结构件（30）具有第二空腔，该第二空腔用于容纳界面探测部件（50）；

所述的塑料结构件（30）和界面探测部件（50）均设有微孔，与第一空腔通过微孔相通；

在使用状态时，拆卸掉塑料结构件（30）上方的密封件（40），将界面探测部件（50）固定在塑料结构件（30）的空腔内。

2.根据权利要求1所述的能无损探测电极界面的锂离子电池，其特征在于，所述的外壳（10）包含：

下壳体（13），

盖合在下壳体（13）上的盖板（14），以及

分别设置在盖板（14）两端的正极连接件（11）和负极连接件（12）。

3.根据权利要求2所述的能无损探测电极界面的锂离子电池，其特征在于，所述的塑料结构件（30）设置在正极连接件（11）和负极连接件（12）之间。

4.根据权利要求2所述的能无损探测电极界面的锂离子电池，其特征在于，所述的塑料结构件（30）包含：

塑料螺丝（31），

与塑料螺丝（31）相适配的螺母（32），以及

设置在塑料螺丝（31）与盖板（14）之间的密封垫圈（33）；

所述的螺母（32）和塑料螺丝（31）均具有空腔；其中，螺母（32）的空腔为两端开口，塑料螺丝（31）的空腔与螺母（32）连接的一端为开口端，另一端为封闭端。

5.根据权利要求4所述的能无损探测电极界面的锂离子电池，其特征在于，所述的塑料螺丝（31）具有圆柱状的空腔，该空腔下端的侧壁设有内螺纹；所述的界面探测部件（50）下端的侧壁设有外螺纹。

6.根据权利要求4所述的能无损探测电极界面的锂离子电池，其特征在于，所述的塑料螺丝（31）下端的侧壁设有若干第一微孔（311）。

7.根据权利要求6所述的能无损探测电极界面的锂离子电池，其特征在于，所述的界面探测部件（50）下端的侧壁设有若干第二微孔（54），所述的第二微孔（54）与第一微孔（311）的位置相匹配。

8.根据权利要求1所述的能无损探测电极界面的锂离子电池，其特征在于，所述的密封件（40）为盖帽。

9.根据权利要求1所述的能无损探测电极界面的锂离子电池，其特征在于，所述的密封件（40）的上表面不超过电池的盖板（14）所在的平面。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的能无损探测电极界面的锂离子电池，其特征在于，所述的界面探测部件（50）包含：

参比电极（51），

设置在参比电极（51）内的注液/抽气通道（52），以及

设置在参比电极（51）上的参比电极通道（53）。