CN107390135A - 一种快速评估铝壳高镍三元电池的膨胀的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种快速评估铝壳高镍三元电池膨胀的方法，其取已封口的铝壳高镍三元电池，以恒流恒压对电池充电至4.2V，测量并记录电池的初始厚度d0；以恒定电压对其进行浮充n天，n＝1‑100，测试并记录此时电池的厚度d1，则电池膨胀系数η＝(d1‑d0)/d0。本发明利用浮充方法模拟不同使用年限的电池的膨胀厚度，其测试精度高、周期短、检测过程安全可靠，对正常使用过程中电池厚度勘测具有重大的指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种快速评估铝壳高镍三元电池的膨胀的方法。
背景技术
动力电池作为新能源汽车的核心部件，其性能好坏是决定新能源汽车能否发展的关键。锂离子电池是当今国际公认的最合适的化学能源，已成为新能源汽车动力电池的首选。随着全球新能源汽车产业的快速发展，对动力锂离子电池的需求将呈现爆发式增长的趋势。从锂电池的工作机理来看，放电时，锂离子脱嵌，正极体积膨胀；充电时，锂离子从正极嵌入，负极膨胀；此外电池在长期存储和使用时伴随着气体产生，都会导致电池厚度的膨胀，厚度膨胀对模组使用造成的影响主要是电芯容纳位不足，工作后期电芯之间相互挤压，各电芯承受挤压应力亦有差别，进而出现较大安全隐患，而这种安全性能可以用材质厚度与鼓胀系数来表示。
现有的电池浮充技术主要应用于锂电池的寿命加速测试方法及正极材料劣化机理分析，而电池膨胀厚度则局限于实时快速监控方法探索，对快速模拟不同周期时电池的膨胀厚度研究几乎为空白。本发明引入浮充技术研究不同使用周期时电池的膨胀厚度，对电池的使用寿命及设计模组结构具有重大应用意义。
发明内容
本发明的目的在于解决电池模组成组时，需要对电芯运行后期的厚度等状态合理安排容纳位，以保证电芯容纳位的空腔厚度与电芯厚度匹配，提供一种快速评估铝壳高镍三元电池的膨胀的方法。
为解决上述问题，需快速合理评估电池的膨胀厚度系数，本发明采用以下技术方法：
一种快速评估铝壳高镍三元电池膨胀的方法，步骤如下：
(1)取已封口的铝壳高镍三元电池，以恒流恒压对电池充电至4.2V，测量并记录电池的初始厚度d0；
(2)以恒定电压对其进行浮充n天，n＝1-100，测试并记录此时电池的厚度d1，则电池膨胀系数η＝(d1-d0)/d0。
进一步方案，步骤(2)中浮充的电流为0.005C～0.3C、电压为4.25～4.4V。
进一步方案，步骤(1)～(2)中充电的温度为20～60℃。
进一步方案，所述浮充n天是通过以下方法计算得来：先以在25±2℃条件下、电流为0.1C对电池进行持续浮充15天来模拟电池使用年限为1年；然后按照N＝k*T*n/(C*T0)来计算模拟电池使用年限时所需要的浮充天数n，其中N表示模拟使用年限，k表示电池材料体系系数，T表示浮充电温度，C表示浮充电倍率，n表示浮充天数，T0等于25℃。
进一步方案，所述高镍三元电池的正极材料指LiNixCoyMn(1-x-y)O2，其中0.5≤x≤1，0≤y≤0.3；负极材料为人造石墨。
进一步方案，所述高镍三元电池的工作电压范围为2.7～4.2V，其注液前的电芯水分控制在150ppm以下。
电池材料体系系数k是由生产电池的正负极材料性能来决定的，一般认为相同型号、相同电池材料的体系系数k相同。如正极材料为镍钴锰、负极为人造石墨的三元电池的体系系数k值相同。
对相同型号、相同电池材料的电池，如果要模拟年限4年的电池，则在25±2℃条件下，以浮充电流0.15C，需对充电至4.2V的电池进行持续浮充90天；如果要模拟使用年限10年的电池，则在45±2℃环境下，以浮充电流0.1C，需对充电至4.2V的电池进行持续浮充83.5天；如果要模拟使用年限4年的电池，则在60±2℃环境下，以浮充电流0.05C，需对充电至4.2V的电池进行持续浮充12.5天。
本发明利用对满电的电池进行浮充来模拟电池使用年限，测得此时电池厚度，从而能够快速模拟出电池在循环使用过程中的厚度；根据公式η＝(d1-d0)/d0就可得出电池的膨胀系数。据此判断电池在使用过程中的安全性，并可在电池模组成组时，对电芯运行后期的厚度等状态合理安排容纳位，以保证电芯容纳位的空腔厚度与电芯厚度匹配。
本发明的方法简单易于操作，同时电池不过充，安全且对实际应用具有指导性作用。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明进一步说明，但本发明的使用范围不仅局限于以下的实例。
下面各实施例是针对型号为2714891、正极材料指LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、负极材料为人造石墨的铝壳高镍三元电池进行研究说明，其工作电压范围为2.7～4.2V，并控制电池在注液前的电芯水分在150ppm以下。然后按照以下步骤如下对电池进行模拟浮充，最后测其膨胀系数：
(1)取已封口的铝壳高镍三元电池，以恒流恒压对电池充电至4.2V，测量并记录电池的初始厚度d0；
(2)在温度为20～60℃，以电流为0.005C～0.3C、电压为4.25～4.4V对其进行浮充n天，n＝1-100，测试并记录此时电池的厚度d1，则电池膨胀系数η＝(d1-d0)/d0。
所述浮充n天是通过以下方法计算得来：先以在25±2℃条件下、电流为0.1C对电池进行持续浮充15天来模拟电池使用年限为1年，然后按照N＝k*T*n/(C*T0)来计算模拟电池使用年限时所需要的浮充天数n，其中N表示模拟使用年限，k表示电池材料体系系数，T表示浮充电温度，C表示浮充电倍率，n表示浮充天数，T0等于25℃。
实施例1
一种快速评估铝壳高镍三元电池膨胀的方法，步骤如下：
(1)取已封口的铝壳高镍三元电池，在温度为25±2℃以1C对电池充电至4.2V，测量并记录电池的初始厚度d0为27.05mm；
(2)在温度为25±2℃，以电流为0.1C、电压为4.25V对其进行浮充15天，模拟电池使用年限为1年，试并记录此时电池的厚度d1为27.46mm，则电池膨胀系数η＝(d1-d0)/d0为1.52％。
实施例2
一种快速评估铝壳高镍三元电池膨胀的方法，步骤如下：
(1)取已封口的铝壳高镍三元电池，在温度为25±2℃以1.0C对电池充电至4.2V，测量并记录电池的初始厚度d0为27.05mm；
(2)在温度为25±2℃，以电流为0.15C、电压为4.25V对其进行浮充90天，模拟电池使用年限为4年，试并记录此时电池的厚度d1为28.42mm，则电池膨胀系数η＝(d1-d0)/d0为5.16％。
实施例3
一种快速评估铝壳高镍三元电池膨胀的方法，步骤如下：
(1)取已封口的铝壳高镍三元电池，在温度为45±2℃以1.0C对电池充电至4.2V，测量并记录电池的初始厚度d0为27.05mm；
(2)在温度为45±2℃，以电流为0.1C、电压为4.25V对其进行浮充83.5天，模拟电池使用年限为10年，试并记录此时电池的厚度d1为28.87mm，则电池膨胀系数η＝(d1-d0)/d0为6.73％。
实施例4
一种快速评估铝壳高镍三元电池膨胀的方法，步骤如下：
(1)取已封口的铝壳高镍三元电池，在温度为60±2℃以1.0C对电池充电至4.2V，测量并记录电池的初始厚度d0为27.05mm；
(2)在温度为60±2℃，以电流为0.05C、电压为4.25V对其进行浮充12.5天，模拟电池使用年限为4年，试并记录此时电池的厚度d1为28.45mm，则电池膨胀系数η＝(d1-d0)/d0为5.22％。
为了对比，本申请人同时将电池在常温状态(25±2℃)下实际使用1年、4年，在45±2℃下使用10年、在60±2℃下使用4年，分别测量其膨胀厚度，从而计算出其实际膨胀系数，作为对比例1-4，具体如下表1所示：
表1电池膨胀系数
从上表1可看出：本发明用浮充方法模拟不同使用年限的电池的膨胀厚度，其与实际使用过程中检测到的膨胀比偏差在0.05％以内，故本发明的测试精度高，且周期短，对正常使用过程中电池厚度勘测具有重大的指导意义。
本发明的方法操作简单，成本低廉，并且保证电池不会出现过充现象，安全且具有较大的成组应用意义。
在不脱离本发明上述思想的情况下，根据本领域技术知识和惯用手段做出各种替换或变更，均应包含在本发明的使用范围内。
Claims (6)
1.一种快速评估铝壳高镍三元电池膨胀的方法，其特征在于：
(1)取已封口的铝壳高镍三元电池，以恒流恒压对电池充电至4.2V，测量并记录电池的初始厚度d0；
(2)以恒定电压对其进行浮充n天，n＝1-100，测试并记录此时电池的厚度d1，则电池膨胀系数η＝(d1-d0)/d0。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中浮充的电流为0.005C～0.3C、电压为4.25～4.4V。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)～(2)中充电的温度为20～60℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述浮充n天是通过以下方法计算得来：先以在25±2℃条件下、电流为0.1C对电池进行持续浮充15天来模拟电池使用年限为1年；然后按照N＝k*T*n/(C*T0)来计算模拟电池使用年限时所需要的浮充天数n，其中N表示模拟使用年限，k表示电池材料体系系数，T表示浮充电温度，C表示浮充电倍率，n表示浮充天数，T0等于25℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述高镍三元电池的正极材料指LiNixCoyMn(1-x-y)O2，其中0.5≤x≤1，0≤y≤0.3；负极材料为人造石墨。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述高镍三元电池的工作电压范围为2.7～4.2V，其注液前的电芯水分控制在150ppm以下。
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