CN112363063A - 一种快速检测软包锂离子电池析锂的装置及方法 - Google Patents

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韩笑
李凡群
张厚泼
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Abstract

本发明公开了一种快速检测软包锂离子电池析锂的装置及方法，装置包括上夹板和下夹板，所述上夹板和下夹板之间设有软包锂电池，软包锂电池与上夹板之间安装有压力传感片，压力传感片与终端相连，所述上下夹板通过紧固螺栓相连，方法包括：调整紧固螺栓至设定数值；测量不同荷电态对应的开路压力；在特定温度下采用不同充电倍率进行充电；通过与测量压力数据来判定析锂情况。上述技术方案在不对目标软包锂电池进行任何改造或破坏的情况下高效灵敏的检测析锂反应的发生，从而得到不同温度下任意荷电态SOC的析锂窗口，为BMS界定电芯的安全使用工况提供了坚实的数据支撑，并且采用的装置简单、易操作，便于推广。

Description

一种快速检测软包锂离子电池析锂的装置及方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种快速检测软包锂离子电池析锂的装置及方法。
背景技术
锂电池是指由正负极活性物质、电解液、隔膜、外包装等部件构成的，能够将电能和化学能相互转换的电源。软包锂电池只是液态锂离子电池套上一层聚合物外壳，通常为铝塑膜。
随着锂离子电池在电动工具尤其是电动汽车上的大规模应用，它必须具备在各种环境条件下正常使用的能力。然而，目前在低温和大倍率条件下的充电极易造成锂电池发生析锂反应，析锂是指在特定的操作条件下，尤其是低温充电或大电流充电过程中，锂离子沉积在负极表面而不是嵌入到石墨晶格中。析锂反应只有在负极的对锂电位低于0V时才会发生。这对其电性能、安全性能以及耐久性都会产生极大的负面影响。因此，我们需要采用一切手段避免析锂反应的发生，而高效灵敏的析锂检测方法是实现这一切的基础。例如，电池管理***BMS在界定不同工况条件下的极限电流时便需要高效灵敏的析锂检测手段作为判定依据。
有资料显示，目前常用的析锂检测手段主要可归纳为以下三种：
1.探测负极的对锂电位，例如增加参比电极的三电极体系。
2.对电池电化学性能衰减的测量，例如容量衰减，内阻上升等。
3.物理或化学的后期分析方法，例如拆解电芯进行相关理化检测。
目前为止，方法1是最为常见且相对有效的用于检测析锂的手段。然而，在三电极体系构建的过程中不可避免地需要对目标电芯进行改造，且参比电极的引入会在不同程度上干扰锂离子的正常脱嵌反应，造成测量结果的误差。除此之外，由于三电极体系的制备工序复杂繁冗，很难推广至锂电池大规模量产的析锂探测中。
方法2需要锂电池进行长期的充放电循环才能检测到容量衰减和内阻上升的异常变化，一方面增加资源和时间成本，另一方面极易受其他影响容量和内阻等参数的副反应干扰。
方法3是一种有效在后期验证锂电池析锂的手段，但由于在分析过程中需要对电池进行拆解从而产生不可逆损坏，因而难以用于大规模的析锂探测应用中，常作为电芯后期失效分析的方法。
中国专利文献CN108398649B公开了一种“析锂检测方法及装置”。通过在待测电池的放电过程中，采集电压信号，然后，根据所述电压信号，获取所述待测电池的放电曲线，所述放电曲线表征电压与放电时长之间的关系，从而，根据所述放电曲线，获取所述待测电池的电压波动曲线，所述电压波动曲线表征电量对电压的二阶导数与电压之间的关系，进而，根据所述电压波动曲线，检测所述待测电池是否发生析锂。上述技术方案需要锂电池进行长期的充放电循环才能检测到容量衰减和内阻上升的异常变化，一方面增加资源和时间成本，另一方面极易受其他影响容量和内阻等参数的副反应干扰。
发明内容
本发明主要解决原有的检测析锂的方案技术问题，提供一种快速检测软包锂离子电池析锂的装置及方法，在不对目标软包锂电池进行任何改造或破坏的情况下高效灵敏的检测析锂反应的发生，从而得到不同温度下任意荷电态SOC的析锂窗口，为BMS界定电芯的安全使用工况提供了坚实的数据支撑，并且采用的装置简单、易操作，便于推广到大规模量产以及不同型号的石墨基软包锂电池体系。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种快速检测软包锂离子电池析锂的装置,包括上夹板和下夹板，所述上夹板和下夹板之间设有软包锂电池，软包锂电池与上夹板之间安装有压力传感片，压力传感片与终端相连，所述上下夹板通过紧固螺栓相连。压力传感片与电脑连接从而监测测量过程中压力数据的变化。紧固螺栓起连接上下夹板的作用，保持上下夹板紧贴软包锂电池。
作为优选，所述的软包锂电池与下夹板之间通过导热胶连接。保证良好的热传导用以防止受热膨胀引起的测量结果误差。
作为优选，所述的检测装置和软包锂电池设于恒温箱中。
作为优选，所述的终端包括计算机和手持设备。通过使用计算机和手持设备获取压力状态，以达到监测测量过程中压力数据的变化，实现析锂情况的判断。
一种快速检测软包锂离子电池析锂的装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
①调整紧固螺栓至设定数值；这样后续电芯的体积膨胀将直接转化为压力信号。
②测量不同荷电态对应的开路压力；
③在特定温度下采用不同充电倍率进行充电；
④通过与测量压力数据来判定析锂情况。
作为优选，所述的步骤2测量开路压力步骤包括：将软包锂电池在不同温度下调节至相应的荷电态并静置足够长的时间使其达到平衡状态，监测此时软包锂电池的压力得到不同荷电态对应的压力曲线，在此称之为开路压力。
作为优选，所述的步骤3将软包锂电池放置于与环境温度相近的恒温箱中进行充电。
作为优选，所述的步骤4若所测压力大于相同荷电态下的开路压力，则认定为析锂反应的发生。锂电池活性材料的体积变化与嵌锂量息息相关。以石墨为例，其满嵌锂时，即转化为LiC6时的体积比未嵌锂时增大10％左右。由于常规的正极材料具有非常小的体积膨胀系数，因此石墨基锂电池的体积膨胀几乎全部来源于负极的贡献。由于锂离子在正常充电过程中能够嵌入到石墨晶格的自由间隙中，这导致嵌锂化合物的体积会小于两个单独物质叠加后的体积，因而负极表面的析锂反应会表现出更大的体积膨胀，从而转化为更大的压力变化。
本发明的有益效果是：
1.通过对目标软包锂电池进行压力检测，识别出其在特定温度下不同荷电态的析锂窗口，从而为BMS界定软包锂电池的安全使用工况提供了坚实的数据支撑。
2.用于检测软包锂电池析锂情况的装置简单、易操作。
3.不对目标软包锂电池进行任何改造或破坏。
4.便于推广到大规模量产以及不同型号的石墨基软包锂电池体系。
附图说明
图1是本发明的一种电路原理连接结构图。
图中1上夹板，2下夹板，3导热胶，4软包锂电池，5压力传感片，6紧固螺栓，7终端。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种快速检测软包锂离子电池析锂的装置，如图1所示，包括上夹板1和下夹板，其中上夹板1和下夹板2之间设有软包锂电池4，软包锂电池4与上夹板1之间安装有压力传感片5，软包锂电池4与下夹板2之间通过导热胶3连接，保证良好的热传导用以防止受热膨胀引起的测量结果误差。压力传感片5与终端7相连，压力传感片与电脑连接从而监测测量过程中压力数据的变化。终端7包括计算机和手持设备，通过使用计算机和手持设备获取压力状态，以达到监测测量过程中压力数据的变化，实现析锂情况的判断。上夹板1和下夹板2通过紧固螺栓6相连，紧固螺栓起连接上下夹板的作用，保持上下夹板紧贴软包锂电池。检测装置和软包锂电池4设于恒温箱中。
一种快速检测软包锂离子电池析锂的装置的使用方法，包括以下步骤：
①调整紧固螺栓至设定数值，这样后续电芯的体积膨胀将直接转化为压力信号。
②测量不同荷电态对应的开路压力，测量步骤包括：将软包锂电池4在不同温度下调节至相应的荷电态并静置足够长的时间使其达到平衡状态，监测此时软包锂电池4的压力得到不同荷电态对应的压力曲线，在此称之为开路压力。
③将软包锂电池4放置于与环境温度相近的恒温箱中，在特定温度下采用不同充电倍率进行充电。
④通过与测量压力数据来判定析锂情况。若所测压力大于相同荷电态下的开路压力，则认定为析锂反应的发生。锂电池活性材料的体积变化与嵌锂量息息相关。以石墨为例，其满嵌锂时，即转化为LiC6时的体积比未嵌锂时增大10％左右。由于常规的正极材料具有非常小的体积膨胀系数，因此石墨基锂电池的体积膨胀几乎全部来源于负极的贡献。由于锂离子在正常充电过程中能够嵌入到石墨晶格的自由间隙中，这导致嵌锂化合物的体积会小于两个单独物质叠加后的体积，因而负极表面的析锂反应会表现出更大的体积膨胀，从而转化为更大的压力变化。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了夹板、压力传感片、荷电态等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种快速检测软包锂离子电池析锂的装置，其特征在于，包括上夹板(1)和下夹板，所述上夹板(1)和下夹板(2)之间设有软包锂电池(4)，软包锂电池(4)与上夹板(1)之间安装有压力传感片(5)，压力传感片(5)与终端(7)相连，所述上夹板(1)和下夹板(2)通过紧固螺栓(6)相连。
2.根据权利要求1所述的一种快速检测软包锂离子电池析锂的装置，其特征在于，所述软包锂电池(4)与下夹板(2)之间通过导热胶(3)连接。
3.根据权利要求1所述的一种快速检测软包锂离子电池析锂的装置，其特征在于，所述检测装置和软包锂电池(4)设于恒温箱中。
4.根据权利要求1所述的一种快速检测软包锂离子电池析锂的装置，其特征在于，所述终端(7)包括计算机和手持设备。
5.根据权利要求1所述的一种快速检测软包锂离子电池析锂的装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
①调整紧固螺栓至设定数值；
②测量不同荷电态对应的开路压力；
③在特定温度下采用不同充电倍率进行充电；
④通过与测量压力数据来判定析锂情况。
6.根据权利要求5所述的一种快速检测软包锂离子电池析锂的方法，其特征在于，所述步骤2测量开路压力步骤包括：将软包锂电池(4)在不同温度下调节至相应的荷电态并静置足够长的时间使其达到平衡状态，监测此时软包锂电池(4)的压力得到不同荷电态对应的压力曲线，在此称之为开路压力。
7.根据权利要求5所述的一种快速检测软包锂离子电池析锂的方法，其特征在于，所述步骤3将软包锂电池(4)放置于与环境温度相近的恒温箱中进行充电。
8.根据权利要求5所述的一种快速检测软包锂离子电池析锂的方法，其特征在于，所述步骤4若所测压力大于相同荷电态下的开路压力，则认定为析锂反应的发生。
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