CN117347891A - 基于三电极的锂离子电池析锂临界点测试方法及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三电极的锂离子电池析锂临界点测试方法及应用方法，所述测试方法包括下述步骤：对电池进行充电测试；充电过程中采集负极对参比电压和容量数据；将负极对参比电压和容量数据做微分处理得到容量‑电压微分数据；根据所述容量‑电压微分数据判断开始发生析锂的负极对参比电压；根据开始发生析锂的负极对参比电压确定析锂容量。本发明根据测试过程中得到的数据得到电池负极本身的电压变化，并基于电池负极本身的电压变化来判断析锂现象，能够有效避免极化带来的影响。本发明还公开了一种应用前述基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法得到的测试结果的方法。
Description
技术领域
本发明属于电池技术领域，尤其是涉及一种基于三电极的锂离子电池析锂临界点测试方法及应用方法。
背景技术
锂离子电池由于其能量密度高、循环寿命长等优点，在电动汽车及储能上得到了广泛的应用，而目前锂离子电池在使用过程中，限制锂电池发展还存在一个重要问题：当锂离子电池进行低温充电或者快充时，会在电池内部产生较大的极化现象，持续的极化会导致负极表面或颗粒间发生析锂现象。
而析锂会产生不可逆的死锂，造成锂电池不可逆容量损失。同时，随着析锂的严重程度不断加重，析出的锂金属还可能形成枝晶，产生的枝晶会持续生长到隔膜的另一侧，最终诱发电池内短路，导致危险事故。针对锂离子电池析锂的析锂临界点确定具有很重要的研究意义，通过析锂临界点的确定可以为充电策略的制定提供技术支持，在实现电池保护的前提下提高充电性能。
当前析锂现象的普遍判断方法有：(1)利用参比电极监视负极的电位变化，认为锂参比电极对负极电位为0时负极表面开始发生析锂(因为参比电极一般是0，所以该方案认为负极电位对参比电极为0的时候发生了析锂)，但是在锂离子电池体系内，电池活性材料浸泡在电解液中，参比电极与负极表面具有一定的距离，在充电的过程中，正负极之间具有一定的液相电位差，且充电倍率越大电位差越大，温度越低电位差越大，即参比电极与负极表面的电位差越大。也就是说，实际上电池在充电的时候内部是很有可能有极化的，内部存在一个电势差，而该方法没有考虑极化的影响，存在较大的判断误差；(2)通过将电芯满充后拆解肉眼观察负极表面是否发生析锂，该方法存在主观性、误差较大、效率低下、成本高且操作复杂，并且无法找到准确的析锂临界点，只能单纯判断电芯是否发生析锂。
发明内容
本发明的目的是针对电芯的析锂问题，提供一种能够准确识别电芯的临界析锂点的基于三电极的锂离子电池析锂临界点测试方法及应用方法，以便为被测试电池的充电策略制定提供技术支持。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法，该方法包括：
对电池进行充电测试；
充电过程中采集负极对参比电压和容量数据，负极对参比电压为负极相对参比电极的电压，容量数据为所测试电池的容量数据，负极对参比电压和容量数据是成组存在的，每个负极对参比电压都有一个容量与之对应；
将负极对参比电压和容量数据做微分处理得到容量-电压微分数据；
根据所述容量-电压微分数据判断开始发生析锂的负极对参比电压；
根据开始发生析锂的负极对参比电压确定析锂容量。
通过上述方案，根据测试过程中得到的数据得到电池负极本身的电压变化，并基于电池负极本身的电压变化来判断析锂现象，能够有效避免极化带来的影响。
在上述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法中，根据所述容量-电压微分数据判断是否发生析锂的方式如下：
从负极对参比电压小于或等于设定电压值的容量-电压微分数据中找到容量-电压微分数据中的绝对值最小点，该点对应的负极对参比电压即开始发生析锂的负极对参比电压。
在上述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法中，判断开始发生析锂的负极对参比电压的方法包括：
根据容量-电压微分数据绘制容量-电压微分曲线；
在容量-电压微分曲线中找到负极对参比电压小于或等于设定电压值的部分曲线；
在该部分曲线中查找最高点；
将最高点确定为开始发生析锂的负极对参比电压。
在上述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法中，所述的设定电压为0V-0.1V之间的任一电压值。
在上述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法中，通过如下方式确定析锂容量：
从负极对参比电压和容量数据中查找开始发生析锂的负极对参比电压对应的容量，该容量即析锂容量；
或者，对采集得到负极相对参比电极的电压和容量数据后绘制负极电压-容量曲线图；
在确定开始发生析锂的负极对参比电压值后，从负极电压-容量曲线图中确定该负极对参比电压值对应的容量，并将该容量确定为析锂容量。
在上述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法中，每次测试均对电池进行恒电流充电测试；
对同款电池进行不同倍率的充电测试以得到每款被测试电池多种不同倍率下的析锂容量。
在上述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法中，对电池进行包括大于或等于1C的大倍率充电测试和小于1C的小倍率充电测试；
小倍率测试包括0.05C、0.1C、0.2C、0.25C、0.5C；
大倍率测试包括1C、1.5C、2C、3C。
在上述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法中，所述的电池的负极材料为石墨；
正极为三元、磷酸铁锂、钴酸锂中的任意一种；
被测试电池内植入有参比电极构成三电极电池，使用所述的参比电极监视负极电位。
在上述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法中，对电池进行充电测试直至负极对参比电压为(-0.1V)～(-0.3V)。
在上述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法中，对电池进行充电测试直至负极对参比电压为-0.2V。该-0.2V为发明人经过大量实验得到的经验值，实验表明电池会在负极对参比电压的电压值在0V～(-0.2V)之间出现析锂，所以取-0.2V可以确保测试电池已达到真实的析锂条件并开始析锂从而可得到测试电池的析锂临界点，同时也可避免电压过小导致负极析锂严重而出现安全风险。在投入使用本方案时，该值可以上下适当波动，例如-0.19，-2.1等。经过充电测试，将得到电池开始充电至负极对参比电压为-0.2V这个充电过程的负极相对参比电极的电压和容量数据，可绘制负极电压-容量曲线图以及将电压和容量数据做微分处理并绘制得到容量-电压微分曲线，使用两种曲线来进行析锂临界点的判断，具有清晰方便且直观的优势。
一种应用述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法得到的测试结果的方法，该方法包括：
获取当前充电倍率；
根据当前充电倍率确定析锂容量；
监测充电容量；
当充电容量达到析锂容量时激活相应充电策略，当前充电倍率没有对应的析锂容量时，近取最接近充电倍率的析锂容量为当前充电倍率的析锂容量，或者往上取最接近充电倍率的析锂容量为当前充电倍率的析锂容量。
本发明的优点在于：
1、本方案能够准确识别电芯的临界析锂点，能够为相应电芯的充电策略提供技术支持，同时也可用于筛选不同负极动力学能力；
2、针对不同电芯在不同倍率下进行临界析锂点的测试，在应用相应电芯时，针对相应电芯能够根据具体的倍率确定析锂临界点，从而得到更加精确的析锂临界点，进而可为制定更准确的充电控制策略提供支持；
3、本方案利用负极电压与容量曲线，以及容量电压微分曲线进行析锂临界点的测试，无需拆解电芯即可得到结果，具有方法简单且识别精确的优点；
4、本方案提出容量-电压微分曲线，不是通过0-0来判断析锂现象，而是通过负极表面的电位测试曲线，然后对他处理得到，是通过负极的电压曲线，即负极本身的电压变化来判断析锂现象，跟参比电极电压没有关系，也没有液相差的影响，能够有效避免极化带来的影响，相较于常规的方法具有更加精确的优点。
附图说明
图1为本发明基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法中小倍率充电的负极电压-容量曲线图；
图2为本发明基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法的方法流程图；
图3为本发明基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法中小倍率充电的容量-电压微分曲线图；
图4为本发明基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法中大倍率充电的容量-电压微分曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法，并提出基于该测试方法测试得到的测试结果的应用。
本方案针对负极为石墨的电池进行测试，正极可以为三元、磷酸铁锂、钴酸锂等，要求参比电极电压稳定，内置于正负极之间的隔膜之间，并且不会对电池的充放电造成影响(参比电极可以为处理过的铜丝内置于正负极之间的隔膜中:对处理过的铜丝进行镀锂，镀锂后的铜丝作为参比电极)。
测试对象可以为普通的二电极电池，也可以为三电极电池，当为普通的二电极电池时，对测试电池植入参比电极使其成为三电极电池，以便在测试过程中使用参比电极监视负极电位。
如图1所示，石墨负极嵌锂时存在三个平台区，这三个平台区为石墨负极容量贡献最大的区域，此外出现的第四个平台是因为析锂所以负极表面电位趋于不再变化，但是在第四个平台和前一个平台区存在一个拐角，该拐角为析锂和嵌锂的共存区，析锂在共存区中开始发生，本方案利用所发现石墨负极电池的充电特点，试图在共存区中找到析锂临界点，但是该拐角并不明显，因此同时提出用于准确找到开始发生析锂的拐点的针对性方法。
具体地，如图2所示，测试过程为，对电池进行充电测试，参比电极对负极的电势曲线出现三个大于0的正常嵌锂电势平台，若还在0V附近出现第四个电势平台，则该第四个电势平台为析锂电势平台，第三个平台与第四个平台之间的拐点为析锂临界点，本方案通对容量-电压曲线进行微分，得到容量-电压微分曲线，使用容量-电压微分曲线确定该拐点。如图3是图1对应的容量电压微分曲线，可以看到，图3中出现三个向下的峰，三个向下的峰分别对应三个电势平台，在接近0V的位置将出现第四个向下的峰，此区间的最高点即拐点(电压变化大，绝对值最小)。在该容量-电压微分曲线下，该拐点对应一个电压值，图3与图1是对应的，使用图1的曲线，找到拐点电压值(拐点纵坐标)便是开始发生析锂的拐点，拐点横坐标就是最大可充容量。
此外，由于所有电池只要满足条件(充电电流和充电时间，最终体现在容量上)都会存在析锂的问题，而本方案经过实验表明，几乎所有电池都会在负极对参比电压在0V～(-0.2V)之间时出现析锂，所以本方案在测试过程中默认会发生析锂，故不再对是否发生析锂进行判断，直接对电池测试判断发生析锂的析锂临界点。若要考虑是否发生析锂，则可以从电势平台入手，如在小于设定电压值的位置(此处取0V)，又出现一个新的电势平台，也就是第四个电势平台，则判断发生了析锂。针对每一款电芯，进行不同倍率的多种充电测试，从而得到各种不同倍率的拐点，确定该款电芯在各种不同充电倍率下的析锂点，也就是不同充电倍率下的最大容量。
经过试验发现，各种充电倍率下的容量-电压微分曲线可分为两种情况，图3对应小倍率充电情况，图4对应大倍率充电情况，下面对两种情况分别给出一个示例。
示例一：
1)将锂离子电池恒流充电至负极对参比电压为-0.2V左右，充电过程中，采集锂离子电池负极对参比的电压和容量数据。
2)锂离子电池的充电测试对设备的精度有一定的要求，比如电压精度需大于等于5‰。
3)当恒流充电电流小于1C时，将得到的容量、电压进行微分得到的容量-电压微分曲线，如图3所示，箭头所指的最高点(电压变化大，绝对值最小)为精确的析锂临界点。
示例二：
1)将锂离子电池恒流充电至负极对参比电压为-0.2V左右，充电过程中，采集锂离子电池负极对参比的电压和容量数据。
2)锂离子电池的充电测试对设备的精度有一定的要求，比如电压精度需大于等于5‰。
3)当恒流充电电流大于或等于1C时，将得到的容量、电压进行微分得到的容量-电压微分曲线，如图4所示，箭头所指的最高点(电压变化大，绝对值最小)为精确的析锂临界点。
可以看到小倍率和大倍率充电的容量电压微分曲线有一定的区别，这是因为大倍率充电时，电压平台相对于小倍率充电会更不明显，有两个平台会连到一起，所以只看到两个明显的正常嵌锂电势平台，所以图4只有两个明显的向下的峰。而且，可以看到，大倍率充电较于小倍率充电的析锂临界点对应的负极对参比电压的绝对值更大，这是因为大倍率充电情况下极化会更严重，所以表现出来的就是开始析锂的时候负极与参比电压之间的电压差会更大，若采用背景技术的方案(1)，则无法准确找到析锂临界点，而本方案可以克服极化的影响精确找到析锂临界点。
析锂临界点可以人为利用容量-电压微分曲线和电压-容量曲线进行判断，也可以在***中嵌入判断算法，由***进行自动判断给出精确的析锂临界点，当由***进行自动判断时，可以绘制容量-电压微分曲线和电压-容量曲线，也可以不绘制，直接根据对参比电极的电压和容量数据和容量-电压微分数据给出判断结果，具体不在此进行限制。
对于每一款电芯，当经过上述方案测试得到它在各种不同倍率下的析锂临界点时，可以利用该测试结果实现更优的充电策略，从而在实现保护电池的前提下尽可能地提高充电性能。当经过测试的电池被用于电动汽车时，可以通过如下方式应用测试结果：
充电过程中获取充电倍率；
根据充电倍率确定析锂容量(电动车***中已被写入电池在各种倍率下的析锂临界点-析锂容量)；
监测充电容量；
当充电容量达到析锂容量时激活相应充电策略，如停止充电或改变充电倍率，本方案在于通过对一款电池的充电测试得到的各种倍率下的析锂临界点为充电策略的制定提供技术支持，具体的充电策略根据研究来制定相应的充电策略，不在此限制和赘述。
需要说明的是，由于测试时多数情况只会对常用充电倍率进行一个测试并获取它的析锂容量，所以当前充电倍率没有对应的析锂容量时，可以就近取最接近充电倍率的析锂容量为当前充电倍率的析锂容量，或者往上取最接近充电倍率的析锂容量为当前充电倍率的析锂容量。
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。
Claims (10)
1.一种基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法，其特征在于，该方法包括：
对电池进行充电测试；
充电过程中采集负极对参比电压和容量数据；
将负极对参比电压和容量数据做微分处理得到容量-电压微分数据；
根据所述容量-电压微分数据判断开始发生析锂的负极对参比电压；
根据开始发生析锂的负极对参比电压确定析锂容量。
2.根据权利要求1所述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法，其特征在于，根据所述容量-电压微分数据判断是否发生析锂的方式如下：
从负极对参比电压小于或等于设定电压值的容量-电压微分数据中找到容量-电压微分数据中的绝对值最小点，该点对应的负极对参比电压即开始发生析锂的负极对参比电压。
3.根据权利要求2所述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法，其特征在于，判断开始发生析锂的负极对参比电压的方法具体包括：
根据容量-电压微分数据绘制容量-电压微分曲线；
在容量-电压微分曲线中找到负极对参比电压小于或等于设定电压值的部分曲线；
在该部分曲线中查找最高点；
将最高点确定为开始发生析锂的负极对参比电压。
4.根据权利要求2或3所述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法，其特征在于，所述的设定电压为0V-0.1V之间的任一电压值。
5.根据权利要求2或3所述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法，其特征在于，通过如下方式确定析锂容量：
从负极对参比电压和容量数据中查找开始发生析锂的负极对参比电压对应的容量，该容量即析锂容量；
或者，对采集得到负极相对参比电极的电压和容量数据绘制负极电压-容量曲线图；
在确定开始发生析锂的负极对参比电压值后，从负极电压-容量曲线图中确定该负极对参比电压值对应的容量，并将该容量确定为析锂容量。
6.根据权利要求1所述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法，其特征在于，每次测试均对电池进行恒电流充电测试；
对同款电池进行不同倍率的充电测试以得到每款被测试电池多种不同倍率下的析锂容量。
7.根据权利要求5所述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法，其特征在于，对电池进行包括大于或等于1C的大倍率充电测试和小于1C的小倍率充电测试；
小倍率测试包括0.05C、0.1C、0.2C、0.25C、0.5C；
大倍率测试包括1C、1.5C、2C、3C。
8.根据权利要求1所述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法，其特征在于，所述的电池的负极材料为石墨；
正极为三元、磷酸铁锂、钴酸锂中的任意一种；
被测试电池内植入有参比电极构成三电极电池，使用所述的参比电极监视负极电位；
对电池进行充电测试直至负极对参比电压为(-0.1V)～(-0.3V)。
9.根据权利要求8所述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法，其特征在于，对电池进行充电测试直至负极对参比电压为-0.2V。
10.一种应用权利要求1-9任意一项所述的基于三电极体系的锂离子电池析锂临界点测试方法得到的测试结果的方法，其特征在于，该方法包括：
获取当前充电倍率；
根据当前充电倍率确定析锂容量；
监测充电容量；
当充电容量达到析锂容量时激活相应充电策略。
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