一种锂电池电性能表征的方法及其应用与流程

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种锂电池电性能表征的方法及其应用。

背景技术：

1、锂离子电池基于其重量轻、能量密度大和使用寿命长等优点，已被广泛应用于移动通信装置、电动车辆、军用电子设备以及航空航天电子系统等领域，成为新型可再生能源的重要部分之一。由于锂离子电池在制备过程中，需要经历不同的生产工序段，如匀浆、涂布、辊压、模切、叠片、烘烤、注液、化成及分容等，不同工序段中的重要参数对最终制得的锂离子电池性能有较大的影响，如涂布工序段中正负极涂布面密度、辊压工序段中正负极压实密度以及注液工序段中注液量等。目前用于评价锂离子电池电性能好坏的方式主要有倍率测试、循环测试、eis测试以及循环伏安曲线等测试手段，但这些表征手段均需要较长的测试时间，如循环测试、倍率测试，或是需要专业软件辅助处理测试数据，如eis。鉴于此，本发明提供一种锂电池电性能表征的方法及其应用。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种锂电池电性能表征的方法及其应用。目的是可以快速简单判断锂离子电池极化程度与电性能好坏，并对制备工序段中的重要参数进行反馈，优化电芯制造。

2、本发明为了解决上述技术问题，第一个目的是提供一种锂电池电性能表征的方法，包括如下步骤：

3、步骤1：分别测试组装的正极半电池和负极半电池的充放电过程，得到正极电压-比容量的充放电曲线和负极电压-比容量的充放电曲线；测试表征电池的充放电过程，得到表征电池电压-容量的充放电曲线；

4、步骤2：将所述正极电压-比容量的充放电曲线进行标准化处理，得到正极电压-容量的标准化充放电曲线，将所述负极电压-比容量的充放电曲线进行标准化处理，得到负极电压-容量的标准化充放电曲线，再将所述正极电压-容量的标准化充放电曲线和所述负极电压-容量的标准化充放电曲线进行组合处理，得到电池电压-容量的标准化充放电曲线；

5、步骤3：选择所述电池电压-容量的标准化充放电曲线中的交点作为标准化原点a，将所述标准化原点a对应的容量除以电池电压-容量的标准化充放电曲线中充电曲线的总容量，得到标准化系数α；选择所述表征电池电压-容量的充放电曲线的交点作为表征点b，将所述表征点b对应的容量除以所述表征电池的充电总容量，得到表征系数β；采用1减去所述表征系数β除以所述标准化系数α的比值，得到的值为相对偏移系数λ；

6、步骤4：将所述标准化系数α乘以所述表征电池的充电总容量，得到表征标准化容量c；在所述表征电池电压-容量的充放电曲线中，以所述表征标准化容量c作为横坐标基点，作与x轴的垂线，使所述垂线与所述表征电池电压-容量的充放电曲线分别相交，对应得到表征充电绝对电压u1和表征放电绝对电压u2，将所述表征充电绝对电压u1减去所述表征放电绝对电压u2，得到绝对偏移电压u3；将所述绝对偏移电压u3除以所述表征电池的充放电电压区间值，得到相对偏移电压u；

7、其中表征电池的充放电电压区间无固定区间，只需要保证标准化充放电曲线中的电压区间与表征电池的充放电区间一致即可，若表征电池充放电区间为2.75-4.2v，则标准化充放电曲线也采用2.75-4.2v；若表征电池充放电区间为3-4v，则标准化充放电曲线也只取3-4v数据。表征电池的充放电电压区间根据厂家所给电芯规格书确定，或根据gb/t31486确定；

8、步骤5：将所述相对偏移系数λ加上所述相对偏移电压u，得到表征电池的电芯极化值φ，根据电芯极化值大小判断电芯电性能好坏，所述电芯极化值φ越大，表征电池的电芯电性能越差。

9、由于以下的原因：当电池在进行充电，此时正极脱出锂离子，随着电解液逐渐迁移至负极，同时也会脱出电子，且电子随着外部电路到达负极的速度更快，就会使负极的电子堆积，而电解液中的锂离子还未迁移至负极，原本金属锂的对金属锂的电位为0v，但是当电子在金属锂上面堆积时，金属锂的电位就可能低于0v。假设此时负极电位为-0.1v，当在外部充放电机设置充电截止电压为4.2v时，实际上正极的电位就只有4.1v，其真实电位并未达到所想要的电位，这就是极化现象，也就是说极化导致了电池在外部充放电机中测试出来的电压与材料本身的实际电位不符合的情况。那么在这种情况下，就需要将电池充的截止电压更高，才能达到想要的实际电位，充电曲线则会向上向左移动，并且极化越大，那么移动的也就越多。同理，放电曲线就需要向下向左移动。

10、因此，本发明通过将正极电压-比容量的充放电曲线和负极电压-比容量的充放电曲线，进行标准化和组合处理后得到电池电压-容量的标准化充放电曲线，其是消除极化影响之后充放电曲线，再选择所述电池电压-容量的标准化充放电曲线中的交点作为标准化原点a，将a对应的容量除以所述电池电压-容量的标准化充放电区曲线中充电曲线的总容量，得到标准化系数α；选择所述表征电池电压-容量的充放电曲线的交点作为表征点b，将b对应的容量除以所述表征电池的充电总容量，得到表征系数β，目的是将标准化系数α与表征系数β进行比较，以此来判断表征点b相对与标准化原点a的偏移程度，从而反应标准电池的极化大小；将α乘以所述表征电池的充电总容量，得到表征标准化容量c，在所述表征电池电压-容量的充放电曲线中，以c作为横坐标基点，作与x轴的垂线，使所述垂线与所述表征电池电压-容量的充放电曲线分别相交，对应得到表征充电绝对电压u1和表征放电绝对电压u2，将所述表征充电绝对电压u1减去所述表征放电绝对电压u2，得到绝对偏移电压u3；将所述绝对偏移电压u3除以所述表征电池的充放电电压区间值，得到相对偏移电压u，最后采用1减去所述表征系数β除以所述标准化系数α的比值，得到值为相对偏移系数λ，目的是得到由于极化而产生的电压相对偏移情况；由于α为标准化曲线中的交点a除以标准化曲线总充电容量得到，因此在标准化曲线中用α乘以标准化曲线总充电容量所得到的容量即为交点a的横坐标，此时做交点a横坐标的垂线则刚好与交点a重合，即与充电曲线和放电曲线均交于a，无电压差；当使用α乘以所述表征电池总充电容量时，由于极化的存在，则会出现电压差，极化越大，电压差值越大，反之可以以此电压差值的相对值作为判断极化大小的方法；所述表征电池的电芯极化值φ等于所述相对偏移系数λ加上所述相对偏移电压u，所述表征电池的电芯极化值φ越大，所述表征电池的电芯电性能越差。

11、本发明的有益效果是：针对目前锂离子电池正负极新材料的研究较多，但对于研发出来的新材料制成的锂离子电池充放电电压范围没有很好的表征方法的现象，本发明提供的锂电池电性能表征方法，可以快速简单判断锂离子电池极化程度与电性能好坏，并对制备工序段中的重要参数进行反馈，优化电芯制造。

12、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

13、进一步，所述步骤1中，组装的所述正极半电池中的正极极片的面密度不超过100g/m2，组装的所述负极半电池中的负极极片的面密度不超过50g/m2。

14、其中，所述正极半电池中的正极极片中活性物质需要与测试的表征电池正极极片中活性物质相同（活性物质种类和型号均相同），负极极片也是同样。例如，若正极半电池中正极极片的活性物质用高镍811，那么表征电池中正极极片中活性物质也是相同型号的高镍811。

15、另外，在制备上述的正极极片和负极极片时，所述正极极片制备时添加的导电剂和粘结剂的质量占比不低于5%，在所述负极极片制备时添加的导电剂和粘结剂的质量占比不低于5%；所述正极极片的材料主要为磷酸铁锂、钴酸锂、镍钴锰三元、锰酸锂、磷酸锰铁锂或其他常用锂电正极材料；所述负极极片的材料主要为石墨、硬碳、硅碳、钛酸锂、硅或其他常用锂电负极材料。

16、采用上述进一步方案的有益效果是：正极和负极通过采用上述面密度，可以减小正极和负极电压-比容量的充放电曲线的出现的极化现象，提高本发明的表征的准确率。

17、进一步，所述步骤1中所述正极半电池充放电时和所述负极半电池充放电时倍率均不超过0.05c。

18、采用上述进一步方案的有益效果是：本发明在正、负极半电池在充放电时，采用小的电流进行充放电，减小甚至是消除正极和负极电压-比容量的充放电曲线的出现的极化现象，进一步的优化本发明的表征的准确率。

19、进一步，所述步骤1中，所述正极电压-比容量的充放电曲线为所述正极半电池的充放电循环第二圈的充放电曲线，所述负极电压-比容量的充放电曲线为所述负极半电池的充放电循环第二圈的充放电曲线。

20、采用上述进一步方案的有益效果是：正负极半电池在进行首次充放电时会有容量损失，也就是会出现首次充放电效率，简称“首效”，随着循环的进行，材料本身结构会不断出现一定随机性的损坏，导致无法准确反应电池原本的电性能情况，因此采用第二圈作为拟合曲线，消除正负极半电池由于首圈循环时首效带来的复杂影响，同时也避免了材料结构随机性损坏给表征结果带来的影响。

21、进一步，所述步骤1中，按照gb/t31486或所述表征电池规格书规定的充放电方法测试所述表征电池的充放电过程，得到所述表征电池电压-容量的充放电曲线。

22、进一步，所述步骤2中，将所述正极电压-比容量的充放电曲线和所述负极电压-比容量的充放电曲线进行标准化处理包括如下具体步骤：

23、步骤2-1：用1ah除以所述正极半电池的充电比容量，得到正极修正系数m1；将所述正极电压-比容量的充放电曲线的横坐标值均乘以所述正极修正系数m1，得到正极电压-容量的标准化充放电曲线；

24、步骤2-2：用1ah除以所述负极半电池的放电比容量，得到负极修正系数m2；将所述负极电压-比容量的充放电曲线的横坐标值均乘以所述负极修正系数m2，再乘以所述表征电池的n/p比值，得到负极电压-容量的标准化充放电曲线。

25、其中，n/p比（negative/positive）是在同一阶段内，同一条件下，正对面的负极容量超正极容量的余量，其实也有另外一种说法叫cb（cell balance）。n/p=负极活性物质克容量×负极面密度×负极活性物含量比÷（正极活性物质克容量×正极面密度×正极活性物含量比）。

26、采用上述进一步方案的有益效果是：在表征电池中，负极容量=正极容量×n/p，当n/p=1时，负极容量=正极容量；而在进行正极和负极半电池充放电曲线测试时，无法保证正极半电池的充电总容量=负极半电池的放电总容量，而只有当正极半电池的充电总容量=负极半电池的放电总容量时，才可以将其横坐标保持不变，纵坐标进行相减（横坐标为容量，纵坐标为电压），从而得到可以与表征电池相比较的全电池的充放电曲线；以1 ah作为标准化处理的容量是为了将正极充电容量修正为1 ah，将负极放电容量修正为1 ah，以此来满足步骤2-3、2-4的需求。

27、进一步，所述步骤2-1中，所述正极半电池的充电比容量为所述正极半电池充电到设定的截止电压时的比容量；

28、所述步骤2-2中，所述负极半电池的放电比容量为所述负极半电池放电到设定的截止电压时的比容量。

29、其中，截止电压就是终止电压，是指电池放电时电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值。

30、进一步，所述步骤2中，将所述正极电压-容量的标准化充放电曲线和负极电压-容量的标准化充放电曲线进行组合处理包括如下具体步骤：

31、步骤2-3：使所述正极电压-容量的标准化充放电曲线中的充电曲线的横坐标值保持不变，将所述充电曲线的纵坐标值相应的减去所述负极电压-容量的标准化充放电曲线中的放电曲线的纵坐标值，得到电池标准化充电曲线；

32、步骤2-4：使所述正极电压-容量的标准化充放电曲线中的放电曲线横坐标值保持不变，将所述放电曲线的纵坐标值相应的减去所述负极充放电标准化充放电曲线中的充电曲线纵坐标值，得到电池标准化放电曲线；

33、步骤2-5：将所述电池标准化充电曲线与所述电池标准化放电曲线绘制于同一坐标系中，得到所述电池电压-容量的标准化充放电曲线。

34、采用上述进一步方案的有益效果是：通过上述的方法得到一个无极化的与表征电池具备相同正负极的全电池充放电曲线（标准化充放电曲线），并用于与表征电池本身的充放电曲线进行对比，以此来反应表征电池曲线相对于无极化全电池充放电曲线的偏移程度。

35、一般来说，用正极半电池充放电曲线和负极半电池充放电曲线拟合出来的标准化充放电曲线的充放电电压区间范围比测试表征电池的充放电电压范围更大，比如，标准化充放电曲线的充放电电压区间范围为2~4.3v时，测试表征电池的充放电电压范围可能只在3~4.2v（截止电压）范围内，此时组合出来的标准化充放电曲线的纵坐标范围值也只需要3~4.2v区间即可。因此，进一步，所述电池电压-容量的标准化充放电曲线采用所述表征电池的充放电截止电压为纵坐标范围值。

36、采用上述进一步方案的有益效果是：以上可以保证标准化曲线中的α可以与表征电池中的β进行比较，若所选电压范围不一致，则无法进行比较。

37、本发明的第二个目的是提供一种锂电池电性能表征的方法的应用，将上述任一项所述的锂电池电性能表征方法用于锂电池的制备中。

38、采用上述方案的有益效果是：在锂电池的制备中，采用本发明的锂电池电性能表征的方法，可以快速简单判断锂离子电池极化程度与电性能好坏，并对制备工序段中的重要参数进行反馈，优化电芯制造。