CN113161638A - 一种应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法 - Google Patents

一种应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法，将充电过程划分为两个阶段：第一阶段高电流恒流充电，第二阶段充电电流随时间不断变化，且充电过程中充电电流逐渐减小。本发明从而提供一种应力调控的避免快速退化的锂离子电池快速充电策略，本发明有效提高锂电池充电速率且不牺牲电池容量利用率及循环稳定性。本发明提供的协议在不牺牲循环稳定和容量利用率的情况下大大缩短了充电时间。

Description

一种应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法，有效提高锂电池充电速率且不牺牲电池容量利用率及循环稳定性的快速充电方法。
背景技术
锂离子电池(LIBs)由于具有能量密度高、功率大、无记忆效应等优点而被广泛应用于各种类型的设备中。然而，锂离子电池的快速充电一直是锂离子电池在设备特别是电动汽车中的实际应用面临的最重要挑战之一。考虑到快速充电新材料***的开发周期较长，开发合适的快速充电协议已成为当务之急。
一般来说，锂离子电池的标准充电协议是恒流恒压充电，显然可以通过直接增大充电电流的方法来提高充电速率，但是直接增大充电电流容易导致电池的快速退化，且恒流充电步骤中充电速率越快，容量衰减越快。
在快充充电过程中，电池退化的主要机制包括镀锂、电解液退化、正极材料的应力诱导失效等。在这些机制中，阴极粒子的机械失效是快速充电的主要退化机制之一。因此，从防止阴极粒子机械失效的角度对快速充电协议进行设计是尤为重要的，对提高动力电池充电速率且不造成容量利用率及循环稳定性的损失是极其有效的，但目前尚未有有效的解决方案。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法，能使快速充电和稳定循环性能同时实现，本发明提出了一种应力调控的长寿命锂离子电池快充充电方案，能延长锂离子电池的使用寿命，并提高动力电池充电速率。
为达到上述发明创造目的，本发明构思如下：
本发明建立了锂离子电池电极活性粒子内部应力的理论模型，通过调节应力的方法来设计快速充电方案，具体设计方案为：使活性粒子内部的应力在充电开始时迅速到达一个临界值，并保持在该值，通过理论模型分析球形活性粒子内部的浓度和应力分布，用半解析方法求解控制方程，从而得到充电电流曲线，设计出应力调控的快速充电方法。控制方程为：
Figure BDA0002961827660000011
其中m是正整数，
Figure BDA0002961827660000012
及
Figure BDA0002961827660000013
是无量纲的时间，D是锂离子的扩散系数，R是活性粒子的半径，
Figure BDA0002961827660000021
是无量纲的活性粒子的表面锂浓度，
Figure BDA0002961827660000022
是无量纲的活性粒子表面拉伸应力的临界值或者强度值，表示电池循环性能快速衰减的失效阈值，它能通过简单的锂离子电池恒流充电实验确定失效阈值电流，或者设定所需求的阈值电流，然后通过下列方程求得：
Figure BDA0002961827660000023
此处λn是方程λncot(λn)＝1的正数解，n是正整数，
Figure BDA0002961827660000024
是无量纲的电流密度，i是有量纲的电流密度，i<0表示充电，F＝96485.3C/mol是法拉第常数，cmax是活性粒子内部锂饱和的浓度，
Figure BDA0002961827660000025
是无量纲的活性粒子表面拉伸应力。
通过对方程(1)进行数值求解得到粒子表面浓度随时间的变化曲线
Figure BDA0002961827660000026
Figure BDA0002961827660000027
为充电截止条件，然后无量纲的电流密度用下列方程得到：
Figure BDA0002961827660000028
然而，这样设计的充电方案开始充电时的初始电流密度非常高，理论上是无限的，既不现实也不安全。因此，需要对此方案的早期阶段进行修改。考虑到商用锂离子动力电池或充电设备通常具有相当高的限制电流，早期阶段引入具有限制电流恒流充电，然后接入应力调控的充电阶段。整个充电过程为恒流应力调控快速充电协议，简称CCSR。
修改后的充电协议应力调控阶段的控制方程更改为下列方程：
Figure BDA0002961827660000029
此处
Figure BDA00029618276600000210
是充电第一阶段恒流充电的充电电流密度，
Figure BDA00029618276600000211
和
Figure BDA00029618276600000212
分别是充电第一阶段结束时的无量纲锂浓度和时间，第一阶段截止控制条件为方程(2)中的
Figure BDA00029618276600000213
Figure BDA00029618276600000214
为第二阶段应力调控充电过程的无量纲充电时间。
因此，修改后的充电协议的电流密度由下列方程表示：
Figure BDA00029618276600000215
无量纲的电流密度与充电速率之间的关系可以表示为
Figure BDA0002961827660000031
无量纲参数χ可由实验获得。结合具体的商用锂离子电池进行实验验证，得到恒流应力调控充电协议下有量纲的充电电流曲线。
不难发现应力调控阶段的充电电流曲线形似指数曲线。因此用指数曲线对应力调控阶段的充电电流曲线进行拟合，得到更容易设定的充电电流曲线，如下列方程表示：
Figure BDA0002961827660000032
此处I1是第一阶段恒流充电的电流，I2是第二阶段应力调控充电的电流，Iend是需要优化的充电电流，a是根据需求可调的参数。整个充电过程为恒流指数电流快速充电协议，简称CCEC。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：
一种应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法，将充电过程划分为两个阶段，第一阶段高电流恒流充电，第二阶段充电电流随时间不断变化，且充电过程中充电电流逐渐减小。
优选地，第一阶段的高电流是电池及充电设备使用电流的安全上限。
优选地，第二阶段的随时间变化的充电电流是根据电极活性颗粒的扩散诱导应力理论模型设计所得。
优选地，在理论模型中，电极活性颗粒的表面最大拉伸应力在充电第一阶段迅速达到一个临界值
Figure BDA0002961827660000034
并在充电第二阶段保持在该值。
优选地，临界值
Figure BDA0002961827660000033
是根据不同电池充放电数据以及优化需求进行设定的。
优选地，充电第二阶段的变电流曲线可近似地拟合为一条指数曲线。
优选地，充电电流指数曲线表达式为I2＝(I1-Iend)×exp[-a(t-t1)]+Iend，式中I1是第一阶段的充电电流，I2是第二阶段的充电电流，Iend是需要优化的充电电流，a是根据需求可调的参数。
优选地，整个充电过程是用电压截止的，截止电压为电池出厂的最大充电电压Vmax。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明的充电方法不涉及电极材料的改变，可以应用于各种动力电池；
2.本发明直接从防止电池循环性能退化的角度对电池充电速率进行优化设计，在临界范围内对充电速率进行最大效率的提升；
3.本发明有效地在提高充电速率的同时兼顾容量利用率和循环性能的稳定；
4.本发明方法简单易行，成本低，适合推广使用。
附图说明
图1为本发明方法的快充充电方法充电电流及充电电压曲线的示意图。
图2为本发明优选实施例方法的恒流应力调控充电协议以及恒流指数电流快速充电协议的充电电流曲线图。
图3为本发明优选实施例方法的充放电循环的平均充电电流及充电容量图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，一种应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法，将充电过程划分为两个阶段，第一阶段高电流恒流充电，第二阶段充电电流随时间不断变化，且充电过程中充电电流逐渐减小。
本实施例方法直接从防止电池循环性能退化的角度对电池充电速率进行优化设计，在临界范围内对充电速率进行最大效率的提升。本实施例的充电方法不涉及电极材料的改变，可以应用于各种动力电池。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，第一阶段的高电流是电池及充电设备使用电流的安全上限。
在本实施例中，第二阶段的随时间变化的充电电流是根据电极活性颗粒的扩散诱导应力理论模型设计所得。在理论模型中，电极活性颗粒的表面最大拉伸应力在充电第一阶段迅速达到一个临界值
Figure BDA0002961827660000041
并在充电第二阶段保持在该值。临界值
Figure BDA0002961827660000042
是根据不同电池充放电数据以及优化需求进行设定的。充电第二阶段的变电流曲线可近似地拟合为一条指数曲线。充电电流指数曲线表达式为I2＝(I1-Iend)×exp[-a(t-t1)]+Iend，式中I1是第一阶段的充电电流，I2是第二阶段的充电电流，Iend是需要优化的充电电流，a是根据需求可调的参数。
在本实施例中，整个充电过程是用电压截止的，截止电压为电池出厂的最大充电电压Vmax。
本实施例方法有效地在提高充电速率的同时兼顾容量利用率和循环性能的稳定，在快充充电过程中，电池退化的主要机制包括镀锂、电解液退化、正极材料的应力诱导失效等。在这些机制中，阴极粒子的机械失效是快速充电的主要退化机制之一。因此，本实施例方法从防止阴极粒子机械失效的角度对快速充电协议进行设计，能提高动力电池充电速率，且不造成容量利用率及循环稳定性的损失。
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种应力调控的兼顾容量利用率和循环稳定性的快速充电方法，充电电流可由方程(5)设定。并另外提出了一种微调的更易于设定充电电流的恒流指数电流充电方案，充电电流可由方程(6)设定。方程中的参数均根据具体应用的锂电池进行设定。
在本实例中，优选索尼18650型圆柱电池作为测试对象，型号为US18650VTC5A，循环电压窗口为2.0～4.2V，分别采用方程(5)和方程(6)设定的两种充电电流进行循环测试，详细充电电流曲线如图2所示，具体测试步骤如下：
a.将样品圆柱电池放置充放电设备上，以1C的倍率进行放电至下限电压2.0V；
b.搁置5分钟；
c.分别采用图1中的两种充电电流曲线进行充电至上限电压4.2V；
d.搁置5分钟；
e.循环步骤a～d至500个循环。
本实施例结果如图3所示，本实施例方法提出的应力调控的CCSR及CCEC快速充电协议平均充电电流明显高于11A，且充电容量及循环稳定性与10A恒流充电基本相同，即有效提高充电速率的同时能够保持良好的循环容量及稳定性，对提高锂电池最大充电电流上限也有重要意义。
本实施例应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法，将充电过程划分为两个阶段：第一阶段高电流恒流充电，第二阶段充电电流随时间不断变化，且充电过程中充电电流逐渐减小。本发明从而提供一种应力调控的避免快速退化的锂离子电池快速充电策略，本发明有效提高锂电池充电速率且不牺牲电池容量利用率及循环稳定性。本实施例方法在不牺牲循环稳定和容量利用率的情况下大大缩短了充电时间。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法，其特征在于：将充电过程划分为两个阶段，第一阶段高电流恒流充电，第二阶段充电电流随时间不断变化，且充电过程中充电电流逐渐减小。
2.如权利要求1所述的应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法，其特征在于：第一阶段的高电流是电池及充电设备使用电流的安全上限。
3.如权利要求1所述的应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法，其特征在于，第二阶段的随时间变化的充电电流是根据电极活性颗粒的扩散诱导应力理论模型设计所得。
4.如权利要求3所述的应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法，其特征在于，在理论模型中，电极活性颗粒的表面最大拉伸应力在充电第一阶段迅速达到一个临界值
Figure FDA0002961827650000011
并在充电第二阶段保持在该值。
5.如权利要求4所述的应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法，其特征在于，临界值
Figure FDA0002961827650000012
是根据不同电池充放电数据以及优化需求进行设定的。
6.如权利要求3所述的应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法，其特征在于，充电第二阶段的变电流曲线可近似地拟合为一条指数曲线。
7.如权利要求6所述的应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法，其特征在于，充电电流指数曲线表达式为I2＝(I1-Iend)×exp[-a(t-t1)]+Iend，式中I1是第一阶段的充电电流，I2是第二阶段的充电电流，Iend是需要优化的充电电流，a是根据需求可调的参数。
8.如权利要求1或6所述的应力调控的长寿命锂离子电池快速充电方法，其特征在于，整个充电过程是用电压截止的，截止电压为电池出厂的最大充电电压Vmax。
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