CN110048180B - 一种镍钴锰三元锂离子电池的充电方法 - Google Patents

一种镍钴锰三元锂离子电池的充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种镍钴锰三元锂离子电池的充电方法，包括在N个不同的电压区间内，采用具有不同斜率的电流曲线对电池进行充电，N为大于或等于2的整数。本发明提出的针对镍钴锰三元锂离子电池的多阶段线性充电法，从理论上更加符合马斯最佳充电曲线，充进容量的同时能够减小极化，也减小对电极材料的损伤；与常规恒流‑恒压充电法相比，在充电容量降低不到5%的前提下，充电时间能够缩短至少20%，大幅度提升了充电效率。

Description

一种镍钴锰三元锂离子电池的充电方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种车用锂离子动力电池充电方法。
背景技术
日本Sony公司率先在1992年发布了世界上第一款正式商用的锂离子电池。随后通过改进，利用层状的钴酸锂（LiCoO2）作为正极材料，碳（C）作为负极材料，推出了钴酸锂体系的锂离子电池。这种锂离子电池两极都由可嵌入的层状化合物充当，在充放电循环过程中锂离子在两边电极中来回的嵌入与脱嵌，就像摇椅一样左右摇摆，因此又被称为“摇椅式”电池。
由于钴酸锂电池成本过高，目前主流的高能量密度锂离子电池正极材料多为镍钴锰三元电池材料。三元材料具有容量高、循环稳定性好、成本适中等重要优点，由于这类材料可以同时有效克服钴酸锂材料成本过高、锰酸锂材料稳定性不高、磷酸铁锂容量低等问题，在电池中已实现了成功的应用，并且应用规模得到了迅速的发展。
在三元电池的充电方面，目前充电方法主要采用恒流-恒压充电法，但是充电后期仍然使用固定电流，影响电池使用寿命，并且恒压段在补充容量的同时又会消耗充电时间。
发明内容
本发明提出一种镍钴锰三元锂离子电池的充电方法，该方法可以提高三元电池的充电效率，降低充电温升，提高充电过程的稳定性和安全性。
为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：
一种镍钴锰三元锂离子电池的充电方法，包括：
在N个不同的电压区间内，采用具有不同斜率的电流曲线对电池进行充电，N为大于或等于2的整数；
所述电压区间为4.0V-4.2V；
所述充电方法如下：
测试样品的额定容量的数值记为X，样品的即时电压数值记为Y；
当电压区间小于等于4.0V时，以X(A)恒电流充电；
当电压区间在4.0V-4.15V时，以电流= -3.3Y+15.2（A）的线性变化趋势充电；
当电压区间在4.15V-充电截止电压时，以电流=-10.0Y+43.0（A）的线性变化趋势充电；
当电压区间在到达充电截止电压后，恒定电压充电至电流降低至0.05X（A）后，停止充电。
需要说明的是，本发明所述充电方法提出4.0V-4.2V电压区间内电流以两条特定斜率曲线线性下降充电，两条充电特定电流降曲线是根据图1中点1、点2、点3坐标位置确定；其中，点1坐标（4.0,2.0），点2坐标（4.15,1.5），点3坐标（4.2,1.0），电流坐标的设定参考但不仅局限于2.0Ah18650电池。
坐标点1 横坐标选取4.0V，这是由于在4.0V以前，电池充电以增加容量为主，对充电综合指标产生明显影响是在4.0V-4.2V阶段内。纵坐标即选定常规1C，即2.0A。
坐标点3横坐标为充电截止电压4.2V，纵坐标的选取参照已普遍使用的多阶段降流充电方法，该方法在不同阶段内电流逐级减半，点3纵坐标即选取初始电流的一半，即1.0A。
坐标点2横坐标的确定参照图2容量对电压微分曲线，由图中可见在4.15V位置出现一拐点，此处以后容量变化率开始增大，在此处调整斜率曲线，可在容量增长的同时缩短充电时间；纵坐标即选取4.15V与点1和点3所形成的弧线上对应点，即在1.5A左右。
坐标点4即为常规恒压充电电流降低至0.05X。
本发明具有以下优点和有益效果：
本发明提出一种针对镍钴锰三元锂离子电池的多阶段线性充电法，从理论上更加符合马斯最佳充电曲线，充进容量的同时能够减小极化，也减小对电极材料的损伤；与常规恒流-恒压充电法相比，在充电容量降低不到5%的前提下，充电时间能够缩短至少20%，大幅度提升了充电效率。
附图说明
图1为本发明充电方法中电压-电流曲线示意图；
图2为本发明充电方法中电池容量对电压微分曲线；
图3为实施例2中三区间充电电压-电流曲线示意图；
图4为实施例2中五区间充电电压-电流曲线示意图。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
实施例1
以额定容量为2.0Ah，充放电截止电压为2.5V～4.2V的18650型号锂离子电池为测试对象，采用本发明所述充电方法与1C恒流-恒压充电方法进行对比。
（1）本发明电池的充电方法：
以该电池为样本，具体充电方法为：
序号 电压区间 充电方法
1 2.5V-4.0V 以2A恒电流充电
2 4.0V-4.15V 以电流= -3.3Y+15.2（A）的线性变化趋势充电
3 4.15V-4.2V 以电流=-10.0Y+43.0（A）的线性变化趋势充电
4 达到4.2V后 恒定电压充电至电流降低至0.1A，停止充电
进行三次试验，结果为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（2）常规恒流-恒压充电方法：
以该电池为样本，具体充电方法为：
序号 电压区间 充电方法
1 2.5V-4.2V 以2A恒电流充电
2 达到4.2V后 恒定电压充电至电流降低至0.1A，停止充电
进行三次试验，结果为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
对两种充电方法的结果进行对比，本发明提出的充电方法充电容量下降了4.7%，充电时间缩短了22.2%，平均充电温度降低了2.7%。在保持容量的前提下，大幅度缩短了充电时间。
实施例2
以额定容量为2.0Ah，充放电截止电压为2.5V～4.2V的18650型号锂离子电池为测试对象，设计三区间与五区间线性充电，与本发明的四区间充电方法进行比对。
（1）三区间充电方法为：
序号 电压区间 充电方法
1 2.5V-4.0V 以2A恒电流充电
2 4.0V-4.2V 以电流=-5.0Y+22.0（A）的线性变化趋势充电
3 达到4.2V后 恒定电压充电至电流降低至0.1A，停止充电
进行三次试验，结果为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
对比三区间线性充电和本发明提出的充电方法，三区间充电容量下降了6.0%，充电时间却仅缩短3.2%，而温度未见有明显差异。考虑到三区间充电容量下降较多，因此两者相比，本发明方法综合性能较优。
（2）五区间充电方法为：
序号 电压区间 充电方法
1 2.5V-4.0V 以2A恒电流充电
2 4.0V-4.1V 以电流=-2.0Y+10.0（A）的线性变化趋势充电
3 4.1V-4.15V 以电流=-6.0Y+26.4（A）的线性变化趋势充电
4 4.15V-4.2V 以电流=-10.0Y+43.0（A）的线性变化趋势充电
5 达到4.2V后 恒定电压充电至电流降低至0.1A，停止充电
进行三次试验，结果为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
对比五区间线性充电和本发明提出的充电方法，五区间充电容量仅有2.5%提升，但充电时间却增加了6.9%，且温度较35.4℃高。考虑到五区间充电时间较长，因此两者相比，本发明方法综合性能较优。
实施例3
选取10Ah软包电池和47Ah方型电池开展本发明所述充电方法验证试验，对比对于不同形式电池，本发明所述充电方法相比于常规1C恒流-恒压充电方法的有效性。
（1）10Ah软包电池
对额定容量10Ah、充放电截至电压为2.5-4.2V的软包电池分别进行本发明方法和常规方法充电各3次，获得关键参数的平均值为：
充电方法 平均充电容量(Ah) 平均充电时间(s) 平均充电温度(摄氏度)
本发明所述充电方法 9.8 3858 35.2
常规恒流-恒压充电方法 10.2 4822 36.0
在软包电池上，对两种充电方法的结果进行对比，本发明提出的充电方法充电容量下降了3.9%，充电时间缩短了20.0%，平均充电温度降低了2.2%。在保持容量的前提下，同样大幅度缩短了充电时间。
（2）47Ah方形电池
对额定容量47Ah、充放电截至电压为2.5-4.2V的方形电池分别进行本发明方法和常规方法充电各3次，获得关键参数的平均值为：
充电方法 平均充电容量(Ah) 平均充电时间(s) 平均充电温度(摄氏度)
本发明所述充电方法 46.8 3898 36.1
常规恒流-恒压充电方法 49.3 4890 37.2
在方形电池上，对两种充电方法的结果进行对比，本发明提出的充电方法充电容量下降了5.1%，充电时间缩短了20.3%，平均充电温度降低了3.0%。在保持容量的前提下，同样大幅度缩短了充电时间。
以上对本发明创造的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明创造的专利涵盖范围之内。

Claims (1)

1.一种镍钴锰三元锂离子电池的充电方法，其特征在于，包括：
在N个不同的电压区间内，采用具有不同斜率的电流曲线对电池进行充电，N为大于或等于2的整数；
所述电压区间为4.0V-4.2V；
所述充电方法如下：
测试样品的额定容量的数值记为X，样品的即时电压数值记为Y；
当电压区间小于等于4.0V时，以X(A)恒电流充电；
当电压区间在4.0V-4.15V时，以电流= -3.3Y+15.2（A）的线性变化趋势充电；
当电压区间在4.15V-充电截止电压时，以电流=-10.0Y+43.0（A）的线性变化趋势充电；
当电压区间在到达充电截止电压后，恒定电压充电至电流降低至0.05X（A）后，停止充电。
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