专利名称：一种判断锂离子电池循环性能的方法
技术领域：
本发明涉及锂离子电池的制作选材，具体涉及一种简单快速判断锂离子电池循环性能的方法。
背景技术：
随着各种便携式电子设备及电动汽车的广泛应用及快速发展，对化学电源的需求和性能要求也相应提高，锂离子电池以其高功率特性、无记忆效应等优势广泛应用于移动电子终端设备领域。现有的锂离子电池循环性能测试一般是将所选负极材料与正极材料制作成成品电池再进行实际的充放电循环性能测试，中国专利申请200620151415. X揭示了一种用于测试成品电池循环性能的设备，该设备包括电池支架，电池支架两侧对应设有定位孔，分别定位电池正极探针与电池负极探针，电池正极探针与电池负极探针前端同轴向相对设置； 设有固定螺母将电池正极探针固定于电池支架的一侧，电池正极探针末端与测试正极连接线相连接；设有伸缩调节螺母将电池负极探针定位于电池支架的另一侧，并用固定螺母固定，电池负极探针末端与测试负极连接线相连接。该设备用于将电池置于工装直接进行测试。但是，现有的锂离子电池循环性能测试需制作成品电池，在专用的设备上反复冲放电进行循环性能测试，成本高并且耗时长。现有关于锂离子电池寿命衰减机理的研究很多，导致锂离子电池寿命衰减的因素包括正极材料与电解液之间的反应、电解液与负极材料之间的反应，以及电解液箔材之间的反应，电池内部反复的充放电活动导致活性物质结构发生变化或脱落，因此采用不同的负极材料对应的二次电池使用寿命也不同。因此，如何快速准确地预测锂离子电池循环冲放电的性能，判断电池成品的使用寿命成为目前业界亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单快速判断锂离子电池循环性能的方法。实现所述目的的技术方案是一种判断锂离子电池循环性能的方法，包括以下步骤检测并获取锂离子电池负极材料的物理性能指标；由物理性能指标确定负极材料的层间距；建立层间距与锂离子电池冲放循环次数之间的测算关系。该测算关系为=Y = 1206. 6*Χ2-808· 63氺Χ+136. 35，其中，X代表层间距，Y代表锂离子电池冲放循环次数预测值。优选的，该物理性能指标为射线衍射(XRD)测试获得的晶胞参数。采用射线衍射(XRD)测试的层间距计算公式为Dl = 0.89 λ/(B cos Θ)，其中，λ为X射线的波长，B为衍射峰的半高宽，θ为衍射角)或者，该物理性能指标为射线衍射(XRD)、比表面积(BET)、扫描电子显微镜(SEM) 的一种或几种测试获得的晶胞参数。
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不同的晶系，层间距计算公式不同，具体如下对于立方晶系的负极材料，层间距的计算公式为d2 = a/(h2+k2+l2)。对于正方晶系的负极材料，层间距的计算公式为1/d2 = (h2+k2)/a2+l2/c2。对于六方晶系的负极材料，层间距的计算公式为1/d2 = 4(h2+k2+hk)/3a2+l2/c2。对于正交晶系的负极材料，层间距的计算公式为1/d2 = h2/a2+k7b2+l2/C2。对于三方晶系的负极材料，层间距的计算公式为1/d2 = 4 (h2+k2+hk) /3a2+l2/c2。对于单斜晶系的负极材料，层间距的计算公式为11 d2(hkl) = h1 j a1 sin2 β + k21b1 +I2 Ic2 sin2 β _ 2hlcos β/acsin2 β。其中，β为衍射角，a、b、c为晶胞参数，h、k、l分别是晶胞xyz轴的高度。本发明与现有技术相比的有益效果是本发明的判断锂离子电池循环性能的方法，通过检测锂离子电池负极材料的物理性能指标；由物理性能指标确定负极材料的层间距；建立层间距与锂离子电池冲放循环次数之间的测算关系，可快速判断出锂离子电池的可循环冲放次数，不需要将负极材料制作成电池通过实际的充放电操作来得出电池的循环性能，大大节约了电池循环性能的测试时间和测试成本而且也更便于负极材料选材从而制作寿命更长的锂离子电池，以解决电动车、航天器件等领域对长寿命的锂离子电池的迫切需求。进一步地，通过各个具体实施方式
的技术方案，带来如下的有益效果本发明的判断锂离子电池循环性能的方法，在层间距和电池冲放循环次数之间建立曲线的测算关系，测算简单。本发明的判断锂离子电池循环性能的方法，针对不同层间距的负极材料，制作半电池进行100次循环性能测试，建立容量保持率和循环次数的平滑曲线，再由若干曲线归纳出判断循环性能的测算关系，电池循环性能判断准确。本发明的判断锂离子电池循环性能的方法，可仅由射线衍射(XRD)测试获得的层间距，简化循环性能判断过程。本发明的判断锂离子电池循环性能的方法，基于物理性能指标的晶胞参数提供了若干晶系的层间距计算方法，为电池循环性能判断提供更多途径。
下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步的详细说明图1是实施例一中层间距为0. 3358纳米负极材料的射线衍射(XRD)测试图谱；图2是实施例二中层间距为0. 3361纳米负极材料的射线衍射(XRD)测试图谱；图3是实施例三中层间距为0. 3364纳米负极材料的射线衍射(XRD)测试图谱；图4是实施例四中层间距为0. 344纳米负极材料的射线衍射(XRD)测试图谱；图5是实施例一中层间距为0. 3358纳米负极材料的循环性能曲线图6是实施例二中层间距为0. 3361纳米负极材料的循环性能曲线图；图7是实施例三中层间距为0. 3364纳米负极材料的循环性能曲线图；图8是实施例四中层间距为0. 344纳米负极材料的循环性能曲线图。
具体实施例方式本实施方式涉及一种判断锂离子电池循环性能的方法，本方法中，在得到一种锂离子电池的负极材料后，通过测试其物理性能指标，如XRD、BET、SEM等获取晶胞参数，建立物理性能指标与冲放循环次数之间的对应关系，即可判断出负极材料循环性能的优劣。该方法可快速判断出锂离子电池的循环冲放次数，不需要将负极材料制作成电池通过实际的充放电操作来得出电池的循环性能，大大节约了电池循环性能的测试时间和测试成本而且也更便于负极材料选材从而制作寿命更长的锂离子电池，以解决电动车、航天器件等领域对长寿命的锂离子电池的迫切需求。该方法主要包括以下步骤检测并获取锂离子电池负极材料的物理性能指标；由物理性能指标确定负极材料的层间距d ；建立层间距d与锂离子电池冲放循环次数之间的测算关系(参见公式8)。该测算关系(参见公式8)是通过对若干负极材料制作成半电池进行若干次循环性能测试，建立容量保持率和循环次数的平滑曲线，再由若干曲线归纳而出的，电池循环性能判断准确。每次循环性能测试的过程大致如下1、首先测试所选负极材料的物理性能指标，如采用射线衍射(XRD)，并计算该负极材料的层间距d ；2、再将该负极材料与一定量的金属作为对电极B，做成半电池，测试使用该负极材料半电池的循环性能，得到容量保持率和循环次数的平滑的循环性能曲线；3、最后得到层间距与材料循环性能的测算关系式。4、得到该测算关系式后，对于其它负极材料，在测试对应的物理性能指标之后，可以套用该测算关系式来判定该负极材料的循环性能。其中，该负极材料主要是指石墨类负极材料或者其它负极材料；该对电极B的金属材质为锂片或者其它种类的金属锂或是锂合金；该物理性能指标是指射线衍射(XRD)、 比表面积(BET)、扫描电子显微镜(SEM)的一种或几种测试获得的晶胞参数。优选的，该物理性能指标为射线衍射(XRD)测试获得的晶胞参数。采用XRD，可不需要在测试负极材料的BET或者SEM即可算出层间距d。采用射线衍射(XRD)测试的层间距计算公式为Dl = 0.89 λ/(B cos θ )(公式 1)其中，λ为X射线的波长，B为衍射峰的半高宽，θ为衍射角。或者，该物理性能指标为射线衍射(XRD)、比表面积(BET)、扫描电子显微镜(SEM) 的一种或几种测试获得的晶胞参数。不同的晶系，层间距计算公式不同，具体如下对于立方晶系的负极材料，层间距的计算公式为d2 = a/ (h2+k2+l2)(公式 2)
对于正方晶系的负极材料，层间距的计算公式为1/d2 = (h2+k2)/a2+l2/c2(公式 3)对于六方晶系的负极材料，层间距的计算公式为1/d2 = 4 (h2+k2+hk) /3a2+l2/c2(公式 4)对于正交晶系的负极材料，层间距的计算公式为1/d2 = h2/a2+k2/b2+l2/c2(公式 5)对于三方晶系的负极材料，层间距的计算公式为1/d2 = 4 (h2+k2+hk) /3a2+l2/c2(公式 6)对于单斜晶系的负极材料，层间距的计算公式为χ / d2(hkl) = h21 a2 sin2 β+ k21 b2+ I2 Ic2 sin2 β _ 2hl cos β / ac sin2 β (公式 7)其中，β为衍射角，a、b、c为晶胞参数，h、k、l分别是晶胞xyz轴的高度。以下推演测算关系的实施方式中，建立循环性能曲线的循环次数为100次，所选负极材料的层间距范围为0. 335 ^ X ^ 0. 344，X代表层间距，单位为纳米。实施例一1、测量所选负极材料的XRD，请参考图1所示的负极材料的射线衍射(XRD)测试图谱，并通过层间距计算公式(参见公式1-7)得出层间距，实施例一中的层间距为0. 3358纳米，可由公式得出或者由XRD软件直接算出；2、称量100克石墨、2. 5克导电剂、1. 5克分散剂和4克增稠剂溶解于一定量的水中，然后按照要求进行涂布，经过烘烤之后，得到实验所需的负极片A ；3、按比例称量一定量金属锂片，除去表面的氧化层作为对电极B，并与极片A组装成半电池进行循环性能测试，其循环性能曲线如图5所示。实施例二 1、测量所选负极材料的XRD，请参考图2所示的负极材料的射线衍射(XRD)测试图谱，并通过层间距计算公式(参见公式1-7)得出层间距，实施例二中的层间距为0. 3361纳米，可由公式得出或者由XRD软件直接算出；2、称量100克石墨、2. 5克导电剂、1. 5克分散剂和4克增稠剂溶解于一定量的水中，然后按照要求进行涂布，经过烘烤之后，得到实验所需的负极片A ；3、按比例称量一定量金属锂片，除去表面的氧化层作为对电极B，并与极片A组装成半电池进行循环性能测试，其循环性能曲线如图6所示。实施例三1、测量所选负极材料的XRD，请参考图3所示的负极材料的射线衍射(XRD)测试图谱，并通过层间距计算公式(参见公式1-7)得出层间距，实施例三中的层间距为0. 3364纳米，可由公式得出或者由XRD软件直接算出；2、称量100克石墨、2. 5克导电剂、1. 5克分散剂和4克增稠剂溶解于一定量的水中，然后按照要求进行涂布，经过烘烤之后，得到实验所需的负极片A ；3、按比例称量一定量金属锂片，除去表面的氧化层作为对电极B，并与极片A组装成半电池进行循环性能测试，其循环性能曲线如图7所示。实施例四1、测量所选负极材料的XRD，请参考图4所示的负极材料的射线衍射(XRD)测试图谱，并通过层间距计算公式(参见公式1-7)得出层间距，实施例二中的层间距为0. 344纳米，可由公式得出或者由XRD软件直接算出；2、称量100克石墨、2. 5克导电剂、1. 5克分散剂和4克增稠剂溶解于一定量的水中，然后按照423048AHJ的工艺要求进行涂布，经过烘烤之后，得到实验所需的负极片A ；3、按比例称量一定量金属锂片，除去表面的氧化层作为对电极B，并与极片A组装成半电池进行循环性能测试，其循环性能曲线如图8所示。图5至图8为不同层间距的负极材料的循环性能曲线，以实施例四的容量保持率最好，材料的层间距大小为0. 344纳米，循环100次的容量保持率为96. 53% ；其中，实施例一负极材料的层间距为0. 3358纳米，100次循环测试后的容量保持率为86. 70%;实施例二负极材料的层间距为0. 3361纳米，100次循环测试后的容量保持率为87. 09%;实施例三负极材料的层间距为0. 3364纳米，100次循环测试后的容量保持率为87. 50%。通过归纳图4至图8所示的循环性能曲线，得出层间距d与锂离子电池冲放循环次数之间测算关系式该测算关系为Y= 1206. 6*Χ2-808· 63*Χ+136· 35 (公式 8)其中，X代表层间距，Y代表锂离子电池冲放循环次数预测值。本实施方式中，通过检测负极材料的物理性能指标，如BET、XRD等，再由物理性能指标计算层间距，将这些物理性能指标的计算结果与电池的循环性能(亦即，电池的冲放循环次数)建立起一种对应的测算关系，(参见公式8)。建立该测算关系式以后，对之后生产出的负极材料的循环性能很快加以预测，相较于传统的实际充电循环的方法，其必须将负极材料制作成电池，通过充放电来得出电池的循环性能，大大节约了电池循环性能的测试时间和测试成本而且也更便于负极材料选材从而制作寿命更长的锂离子电池。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种判断锂离子电池循环性能的方法，包括以下步骤 检测并获取锂离子电池负极材料的物理性能指标；由物理性能指标确定负极材料的层间距；建立层间距与锂离子电池冲放循环次数之间的测算关系。
2.根据权利要求1所述的判断锂离子电池循环性能的方法，其特征在于所述测算关系为Y = 1206. 6*Χ2-808. 63*Χ+136. 35，其中，X代表层间距，Y代表锂离子电池冲放循环次数预测值。
3.根据权利要求2所述的判断锂离子电池循环性能的方法，其特征在于所述物理性能指标为射线衍射(XRD)测试获得的晶胞参数。
4.根据权利要求3所述的判断锂离子电池循环性能的方法，其特征在于采用射线衍射(XRD)测试的层间距计算公式为D1 = 0. 89 λ/(B cos θ)，其中，λ为X射线的波长，B为衍射峰的半高宽，θ为衍射角)。
5.根据权利要求2所述的判断锂离子电池循环性能的方法，其特征在于所述物理性能指标为射线衍射(XRD)、比表面积(BET)、扫描电子显微镜(SEM)的一种或几种测试获得的晶胞参数。
6.根据权利要求5所述的判断锂离子电池循环性能的方法，其特征在于对于立方晶系的负极材料，层间距的计算公式为d2 = a/ (h2+k2+l2)，其中a、b、c为晶胞参数a = b = c，h、k、1分别是晶胞xyz轴的高度。
7.根据权利要求5所述的判断锂离子电池循环性能的方法，其特征在于对于正方晶系的负极材料，层间距的计算公式为1/d2 = (h2+k2)/a2+l2/c2，其中a、b、c为晶胞参数，h、k、1分别是晶胞xyz轴的高度。
8.根据权利要求5所述的判断锂离子电池循环性能的方法，其特征在于对于六方晶系的负极材料，层间距的计算公式为1/d2 = 4(h2+k2+hk)/3a2+l2/c2，其中a、b、c为晶胞参数，h、k、1分别是晶胞xyz轴的高度。
9.根据权利要求5所述的判断锂离子电池循环性能的方法，其特征在于对于正交晶系的负极材料，层间距的计算公式为1/d2 = h2/a2+k7b2+l2/C2，其中a、b、c为晶胞参数，h、k、1分别是晶胞xyz轴的高度。
10.根据权利要求5所述的判断锂离子电池循环性能的方法，其特征在于对于三方晶系的负极材料，层间距的计算公式为1/d2 = 4(h2+k2+hk)/3a2+l2/c2，其中a、b、c为晶胞参数，h、k、1分别是晶胞xyz轴的高度。
11.根据权利要求5所述的判断锂离子电池循环性能的方法，其特征在于对于单斜晶系的负极材料，层间距的计算公式为 1/4 ) = h2 / 2 sin2 p^k2 Ib2^l2 Ic2 sin2 β — 2/7/cos/ / csin2，其中 β 为衍射角，a、b、c为晶胞参数，h、k、1分别是晶胞xyz轴的高度。
全文摘要
本发明涉及一种判断锂离子电池循环性能的方法，包括以下步骤检测并获取锂离子电池负极材料的物理性能指标；由物理性能指标确定负极材料的层间距；建立层间距与锂离子电池冲放循环次数之间的测算关系。本发明的判断方法可快速预测出锂离子电池的可循环冲放次数，不需要将负极材料制作成电池通过实际的充放电操作来得出电池的循环性能，大大节约了电池循环性能的测试时间和测试成本而且也更便于负极材料选材从而制作寿命更长的锂离子电池。
文档编号G01R31/36GK102236078SQ201010155850
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者何伟, 何名, 安伟峰 申请人:深圳市比克电池有限公司