一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法与流程

本发明涉及固态锂电池，特别涉及了一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法。

背景技术：

1、液态电池包括正极、负极、电解液、隔膜及外部件，也被称为“摇椅式电池”，中间是液态电解液，两端是正负两极，锂离子在正负极之间进行重复迁移，从而实现电池能量存储和释放。全固态电池使用电子绝缘性和离子导电性的固态电解质，替代传统隔膜与液态电解液，简化了电池的组成。

2、由于传统电池在低温环境下的性能大幅降低，因此提高室外低温环境下电池的容量保持率和稳定性尤为重要。随着能量与安全需求与传统电池的矛盾日益突出，全固态电池由于使用电子绝缘性和离子导电性的固态电解质，替代传统隔膜与液态电解液，简化了电池的组成，且能量密度高、安全性好而成为下一代最受关注的电化学储能电池之一。因此，该技术正在迅速发展，并在电动汽车、储微网系统、便携式电子设备中得到了研究与应用。但常规全固态电池仍未解决在低温环境下电池容量保持率以及电池倍率较低的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术中传统全固态锂离子电池在低温环境下的容量保持率和倍率性能下降，影响电池性能及寿命，影响电池在低温环境的运用的可靠性的问题，提供了一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法，从正负极材料体系、固态电解质体系、电池结构制作工艺等方面对全固态锂离子电池进行了研究，得到了在低温环境下的电池容量保持率以及电池倍率具有显著提升的全固态锂离子电池。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法，包括下列步骤：

3、s1：分析全固态锂离子电池负极低温性失效的主要因素，得到低温环境下负极材料的选择依据；

4、s2：分析全固态锂离子电池正极低温性失效的主要因素，得到低温环境下正极材料的选择依据；

5、s3：分析低温下固态锂离子电池固态电解质材料体系，对固态电解质在低温条件下性能进行改性，合成固态电解质膜；

6、s4：根据s1-s2的分析结果，选择正极和负极材料，并选择装配方式进行装配，得到应用于低温环境下的全固态锂离子电池。

7、本发明通过对全固态电池关键材料在低温环境下材料性能衰减机理的研究，发现了正极材料、负极材料低温环境下的衰减机理，并提出了对于低温环境下负极材料和正极材料的选择标准和依据；通过有机合成，设计现有固态电解质的聚合物性质，进行固态电解质在低温条件下性能的有效改性；通过设计合理的电池装配方式，提高过电流能力，优化了电极结构。综上，本发明从正负极材料体系、固态电解质体系、电池结构制作工艺等方面进行了研究，并构建低温电池组系统，适合在低温环境下运用。

8、作为优选，所述步骤s1包括：

9、s1.1：构建石墨半电池交流阻抗等效模型，测量不同温度下石墨负极半电池的交流阻抗；s1.2：根据测量结果，判断电池数据与温度的关系，得到限制石墨半电池低温性能主要因素；

10、s1.3：根据s1.2的分析结果，得到低温环境下负极材料的选择依据。

11、低温下负极对于电池容量保持率会进行限制，石墨是目前应用最广泛的负极材料，其嵌入性锂位置多，容量高，是非常理想的一种锂离子储能电池负极材料，因此本发明可以将石墨类材料作为电池负极进行低温性失效研究。

12、作为优选，所述步骤s2进一步包括：

13、s2.1：利用小倍率恒流充放电检测法检测正极材料电化学性能，分析低温下正极材料活化性能是否影响全固态锂离子电池性能；

14、s2.2：利用正极半电池的电化学阻抗，分析离子传输是否影响全固态锂离子电池性能；

15、s2.3：分析低温下正极材料锂离子扩散系数是否影响全固态锂离子电池性能。

16、正极是锂离子和电子的传输中心，在低温条件下，将会限制电池充放电速率。选用合适的正极材料对电池在低温环境下使用至关重要。三元正极具有电压高、容量大的电化学性能，是最具潜力一种的正极材料。因此本发明可以选用三元材料作为电池正极进行低温性失效研究。

17、利用正极半电池的电化学阻抗，分析离子传输是否影响全固态锂离子电池性能：比较在25℃和0℃下，三组充电到不同截止电压下的ncm523半电池的电化学阻抗，并计算电化学阻抗参数。在每组电池用0.1c小倍率电流进行不同截止电压的充电前，应进行3圈室温循环。此外，在eis检测前，每组电池都需保持电池开路状态，在测试温度下放置半小时，以便确保电池内外温度一致和开路电压稳定。根据电化学阻抗参数，判断离子嵌入脱出与sei膜锂离子传输是否影响电池低温性能。

18、分析低温下正极材料锂离子扩散系数是否影响全固态锂离子电池性能包括计算锂离子扩散系数，检测ncm523不同温度下晶格收缩情况。

19、作为优选，所述步骤s2.1进一步包括：

20、s2.1.1：对正极半电池进行室温循环，检测其在不同温度下的充放电曲线，判断低温是否影响全固态锂离子电池放电容量；

21、s2.1.2：在室温下对正极半电池进行预活化，并根据预活化圈数对正极半电池进行编号；s2.1.3：分析低温下预活化圈数对于放电容量的影响。

22、小倍率恒流充放电检测正极材料电化学性能，存在足够脱嵌锂时间，充分反映电池容量、电压等性能，是一种常用检测方法。每次温度改变时，电池静放半小时，确保电池内外温度一致。拼装5组扣式半电池，并根据室温预活化圈数进行编号，进行0℃低温检测前，先进行1圈25℃室温循环。

23、作为优选，所述步骤s3进一步包括：

24、s3.1：分析peo基固态聚合物的电解质在低温下的链段移动能力；

25、s3.2：通过有机合成，对peo端基进行改性，将peo的柔性链段与刚性链段相结合，得到peo-bta；

26、s3.3：将经过litfsi混合生产的peo-bta spe作为固态电解质膜。

27、传统的peo基固态聚合物电解质膜，在低温下呈结晶态，链段移动能力较差，通过有机合成，并合理设计peo分子结构生产的聚合物基质，是保持固态电解质在低温条件下性能的有效改性方法。具体的，对peo端基进行改性，并通过有机合成，在分子链两端结合活性基端(-o-(cs)-nh-(ch2ch2o)2-ch2ch2nh2)合成peo-bta，得到具有机械性能和电化学性能的聚合物基体。选择有机合成方法，通过改性peo活性端基(-oh)，得到的peo-bta spe，具有良好可塑性、机械特性以及电气特性。

28、作为优选，所述方法还包括：

29、s5：在不同环境温度下对得到的应用于低温环境下的全固态锂离子电池的性能进行测试，并与常规现有全固态锂离子电池在低温环境电池的化学特性进行实验对比。

30、在测试温度时，可以采用mq-dt50高低温试验箱来精准控制和模拟，并采用landct2001a电池测试系统测试其在-40℃～60℃不同环境温度下的性能，与市面上的常规全固态电池进行比较。

31、作为优选，所述步骤s5进一步包括：在户外低温环境下检测电池性能，并在检测电池性能前先进行室温循环，预活化电池性能，调整电池内部温度。

32、在调整电池内部温度之后再进行低温试验，同时软包电池有自加热部件。

33、作为优选，所述步骤s1.2中，所述电池数据与温度的关系包括：电池内阻与温度的关系、sei电阻与温度的关系以及电荷转移电阻与温度的关系。

34、根据阻抗与温度的变化关系，判断电解质、sei膜的离子电导率以及锂离子在石墨和电解质界面之间的电荷转移过程是否是低温下全固态锂离子电池性能急剧下降的主要原因。

35、作为优选，所述步骤s4中，采用叠片异端出极耳方式对全固态锂离子电池进行装配。

36、采用更宽的极耳，降低内阻，并降低电池倍率放电的温升，从而增加过电流的能力。

37、因此，本发明具有如下有益效果：1、对全固态电池关键材料在低温环境下材料性能衰减机理的研究，发现了正极材料、负极材料低温环境下的衰减机理，并提出了对于低温环境下负极材料和正极材料的选择标准和依据；2、通过peo的活性端基(-oh)，对peo进行改性，得到了具有机械性能和电化学性能的聚合物基体，提高了固态电解质膜在低温环境下的机械性和离子电导率，适合低温环境的运用；3、采用叠片异端出极耳方式对全固态锂离子电池进行装配，降低了电池内阻，并降低了电池倍率放电的温升，增加了电池过电流的能力；4、本发明通过合理设计与选材设计出适用于低温条件下的全固态电池，相较于常规现有全固态电池的电池容量保持率得到了明显的提升，并且在电池倍率性能等方面存在优势。