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CN107785625A - 一种简易的软包四电极锂离子电池测试体系 - Google Patents

一种简易的软包四电极锂离子电池测试体系 Download PDF

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Abstract

本发明属于二次电池的电化学性能检测技术领域,具体涉及一种简易的软包四电极锂离子电池测试体系,目的是利用已知的锂电池材料作为参比电极,甚至可利用待测的极片本身作为参比进行特定的电化学实验,不需要额外增加控制手段和工序。本发明包括环形负极片、方形负极片、方形正极片、环形正极片和隔膜。本发明的优点是:(1)采用现有成熟的软包电池叠片与封装工艺,简易方便,极片的尺寸和形状可任意定制,无需增加复杂的加工设备;(2)参比电极的材料选择广泛,不仅仅局限于金属锂,参比电极的环境控制要求没有金属锂严格,与工作电极的环境控制保持一致即可;(3)可以大批量重复制作,可增加测试的统计学意义,增加数据的可信度。

Description

一种简易的软包四电极锂离子电池测试体系
技术领域
本发明属于二次电池的电化学性能检测技术领域,具体涉及一种简易的软包四电极锂离子电池测试体系。
背景技术
为了研究电池中正负电极的性能,尤其是电池的动力学特性,常常在电池体系中引入第三极作为参比电极。由于参比电极不参与电化学反应,不发生极化,电位稳定,因此可利用其监测或控制工作电极与参比电极间的相对电位差做大量的电化学测试,对于获得电极的动力学参数是很好的辅助。
现有的制作三电极检测体系的方法往往是通过金属锂辅助”模拟全电池”来进行的。金属锂质地柔软,化学性质活泼,痕量的水分,氧气,氮气,二氧化碳都会与其发生反应,在表面形成杂质,使其电化学电位偏离真实的金属锂电位。其表面的杂质可能会发生更深的副反应,从而影响电解液的成分,恶化工作电极和对电极的性能。因此使用金属锂作为参比电池需要非常严格的环境控制和操作技术。
大部分的三电极体系都是基于“模拟全电池”进行测试的,这意味着在测试体系中只有单片的小尺寸正极或负极存在,但是单极片在“模拟全电池”中所处的环境与实际产品中极片所处的环境并不完全一致。比如,“模拟全电池”是富液状态的,而实际产品是贫液状态的,“模拟全电池”中各电极之间的间隙较大,而实际产品中正负极与隔膜紧密接触,间隙较小。因此“模拟全电池”不能真实反映实际产品中电极的电化学表现,能够真实反映实际产品而不只是“模拟全电池”的技术显得尤为重要。
此外,在“模拟全电池”中,参比电池通常是放置在正负极片中间,由此带来坏处是,参比电池会阻挡一部分锂离子的迁移通道,同时会增加组装电池的难度,影响三电极体系制作的成功率与重现性。
综上,现有的三电极电池体系还存在环境要求苛刻,操作困难,成功率不高等缺陷,更大的缺陷是不能真实反映电池成品中正负极的电化学性能。
发明内容
为了克服上述缺点,本发明提供了一种制作简易,具有高度重复性的能够实时检测成品电池电化学性能的四电极锂离子电池体系。该体系可利用已知的锂电池材料作为参比电极,甚至可利用待测的极片本身作为参比进行特定的电化学实验,不需要额外增加控制手段和工序。
本发明是这样实现的:
一种简易的软包四电极锂离子电池测试体系,包括环形负极片1、方形负极片2、方形正极片3、环形正极片4和隔膜5;
环形负极片1和环形正极片4都是“回”字形状,环形负极片1和环形正极片4的中心线是重合的,环形负极片1的外部轮廓大于环形正极片4的外部轮廓,环形负极片1的内部框架小于环形正极片4的内部轮廓,目的是保证负极片可以完全盖住正极片;方形负极片2和方形正极片3都是方形结构,方形负极片2尺寸小于环形负极片1的内轮廓尺寸,方形正极片3尺寸小于方形负极片2的尺寸,目的是保证方形全电池的负极片能完全盖住正极片;
将正负极环形和方形极片交替堆叠成电芯;叠片的顺序是“-环形负极片1-隔膜5-方形负极片2-隔膜5-环形正极片4-隔膜5-方形正极片3-隔膜5-”,按此顺序周期性叠片完成;叠片过程中,保证环形负极片1完全盖住环形正极片4,方形负极片2完全放置于环形负极片1内部框架中间,方形正极片3完全被方形负极片2盖住,任何正负极之间绝缘;
电芯按照现有技术中的软包锂离子电池的制作流程,进行极耳焊接,入壳,顶侧封,烘烤,注液,预封,静置后,将环形全电池接入化成装置,化成结束后,进行0.2-0.5C充电,控制环形全电池的荷电量为50%。
如上所述的环形正极片4和方形正极片3的配方包含活性材料、导电剂和粘结剂,活性材料的比例80%~98%,导电剂的比例1%~10%,粘结剂的比例1%~10%,极片的涂布面密度15mg/cm2~40mg/cm2,环形负极片1和方形负极片2的配方包含活性材料、导电剂和粘结剂,活性材料的比例80%~98%,导电剂的比例1%~10%,粘结剂的比例1%~10%,极片的涂布面密度5mg/cm2~20mg/cm2
本发明的有益效果是:
本发明包括环形负极片、方形负极片、方形正极片、环形正极片和隔膜。相比现有技术,本发明的优点是:(1)采用现有成熟的软包电池叠片与封装工艺,简易方便,极片的尺寸和形状可任意定制,无需增加复杂的加工设备;(2)参比电极的材料选择广泛,不仅仅局限于金属锂,参比电极的环境控制要求没有金属锂严格,与工作电极的环境控制保持一致即可;(3)可以大批量重复制作,可增加测试的统计学意义,增加数据的可信度;(4)参比电池与工作电极空间上互不干扰,参比电极不影响极化回路的电流,同时参比电极与工作电极距离小,溶液补偿电阻小,工作电极的电位控制精确;(5)方形全电池的尺寸和叠片层数可以设计成电池成品相同的参数,利用该发明技术,可检测与成品电池的电化学表现,而不仅仅是“模拟全电池”的性能,对于分析全电池的循环寿命,正负极极化特性,正负极容量比等电化学参数具有最真实的体现。
附图说明
图1为环形全电池和方形全电池极片结构示意图;
图2为四电极锂离子电池体系叠片工序侧面示意图;
图3为四电极锂离子电池体系结构俯视剖面图;
图4为使用本发明进行测试后正负极相对参比电极的电压曲线图;
图5为使用本发明进行测试后正负极相对金属锂的电压曲线图;
图6为使用本发明技术测试不同充放电倍率时正极电位曲线图;
图7位使用本发明技术测试不同充放电倍率时负极电位曲线图。
其中:1.环形负极片,2.方形负极片,3.方形正极片,4.环形正极片,5.隔膜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。
实施例一:
环形正极片4和方形正极片3均采用磷酸铁锂材料,环形负极片1和方形负极片2均采用石墨材料,环形正极片4和方形正极片3的配方包含活性材料、导电剂和粘结剂,活性材料的比例80%~98%,导电剂的比例1%~10%,粘结剂的比例1%~10%,极片的涂布面密度15mg/cm2~40mg/cm2,环形负极片1和方形负极片2的配方包含活性材料、导电剂和粘结剂,活性材料的比例80%~98%,导电剂的比例1%~10%,粘结剂的比例1%~10%,极片的涂布面密度5mg/cm2~20mg/cm2
按照图1所示,将极片冲切成环形结构和方形结构,环形负极片1和环形正极片4都是“回”字形状,环形负极片1和环形正极片4的中心线是重合的,环形负极片1的外部轮廓大于环形正极片4的外部轮廓,环形负极片1的内部框架小于环形正极片4的内部轮廓,目的是保证负极片可以完全盖住正极片。方形负极片2和方形正极片3都是方形结构,方形负极片2尺寸小于环形负极片1的内轮廓尺寸,方形正极片3尺寸小于方形负极片2的尺寸,目的是保证方形全电池的负极片能完全盖住正极片。
按图2所示将正负极环形和方形极片交替堆叠成如图3所示的电芯。叠片的顺序是“-环形负极片1-隔膜5-方形负极片2-隔膜5-环形正极片4-隔膜5-方形正极片3-隔膜5-”,按此顺序周期性叠片完成。叠片过程中,保证环形负极片1完全盖住环形正极片4,方形负极片2完全放置于环形负极片1内部框架中间,方形正极片3完全被方形负极片2盖住,任何正负极之间绝缘。
电芯按照现有技术中的软包锂离子电池的制作流程,进行极耳焊接,入壳,顶侧封,烘烤,注液,预封,静置后,将环形全电池接入化成装置,化成结束后,进行0.2-0.5C充电,控制环形全电池的荷电量为50%。
根据文献知道,或者通过扣式半电池测试得知,磷酸铁锂具有很长的相对锂的电压平台,选择磷酸铁锂的荷电量为50%可以保证磷酸铁锂电极的电位稳定在3.4V(vsLi)。以环形全电池的正极作为参比电池,可以检测方形全电池在0.2C充放电过程中正负极的电位变化,如图4所示。经过简单的数学计算,即可得方形全电池在充放电过程中正负极相对金属锂的电位,如图5所示。通过图5,可以判断出在全电池放电过程中正极极化程度较小,在充电过程中负极的电位并没有达到0伏,也就意味着负极的过量系数是安全的。
实施例二:
环形正极片4选用磷酸铁锂材料,环形负极片1选用石墨材料。环形正极片4的配方包含活性材料,导电剂,和粘结剂,活性材料的比例80%~98%,导电剂的比例1%~10%,粘结剂的比例1%~10%,极片的涂布面密度15mg/cm2~40mg/cm2。环形负极片1的配方包含活性材料,导电剂,和粘结剂,活性材料的比例80%~98%,导电剂的比例1%~10%,粘结剂的比例1%~10%,极片的涂布面密度5mg/cm2~20mg/cm2
按照图1所示,将极片冲切成环形结构。按照图1所示,将极片冲切成环形结构和方形结构,环形负极片1和环形正极片4都是“回”字形状,环形负极片1和环形正极片4的中心线是重合的,环形负极片1的外部轮廓大于环形正极片4的外部轮廓,环形负极片1的内部框架小于环形正极片4的内部轮廓,目的是保证负极片可以完全盖住正极片。
方形正极片3是待测材料,方形负极片2采用的是硬碳材料,方形正极片3的配方包含活性材料,导电剂,和粘结剂,活性材料的比例80%~98%,导电剂的比例1%~10%,粘结剂的比例1%~10%,极片的涂布面密度15mg/cm2~40mg/cm2。方形负极片2的配方包含活性材料,导电剂,和粘结剂,活性材料的比例80%~98%,导电剂的比例1%~10%,粘结剂的比例1%~10%,极片的涂布面密度5mg/cm2~20mg/cm2
按照图1所示,将极片冲切成方形结构。方形负极片2和方形正极片3都是方形结构,方形负极片2尺寸小于环形负极片1的内轮廓尺寸,方形正极片3尺寸小于方形负极片2的尺寸,目的是保证方形全电池的负极片能完全盖住正极片。
按图2所示将正负极环形和方形极片交替堆叠成如图3所示的电芯。叠片的顺序是“-环形负极片1-隔膜5-方形负极片2-隔膜5-环形正极片4-隔膜5-方形正极片3-隔膜5-”,按此顺序周期性叠片完成。叠片过程中,保证环形负极片1完全盖住环形正极片4,方形负极片2完全放置于环形负极片1内部框架中间,方形正极片3完全被方形负极片2盖住,任何正负极之间绝缘。
电芯按照现有技术中的软包锂离子电池的制作流程,进行极耳焊接,入壳,顶侧封,烘烤,注液,预封,静置后,将环形全电池接入化成装置,化成结束后,进行0.2-0.5C充电,控制环形全电池的荷电量为50%。
根据文献知道,或者通过扣式半电池测试得知,磷酸铁锂具有很长的相对锂的电压平台,选择磷酸铁锂的荷电量为50%可以保证磷酸铁锂电极的电位稳定在3.4V(vs Li)。以环形全电池的正极作为参比电池,可以检测方形全电池在不同充放电倍率时正负极电位曲线,如图6和图7所示。从图中可以看出,随着充放电倍率的增加,正负极的极化程度也在增加,恒压充电阶段的曲线由低倍率时的平台逐渐变为斜线,说明在高倍率恒压阶段,正负极并不是完全扩散控制的。负极在高倍率充电时,电位最低点约0.34V,远高于0V,说明进行此倍率充电是安全的。

Claims (2)

1.一种简易的软包四电极锂离子电池测试体系,其特征在于:它包括环形负极片1、方形负极片2、方形正极片3、环形正极片4和隔膜5;
环形负极片1和环形正极片4都是“回”字形状,环形负极片1和环形正极片4的中心线是重合的,环形负极片1的外部轮廓大于环形正极片4的外部轮廓,环形负极片1的内部框架小于环形正极片4的内部轮廓,目的是保证负极片可以完全盖住正极片;方形负极片2和方形正极片3都是方形结构,方形负极片2尺寸小于环形负极片1的内轮廓尺寸,方形正极片3尺寸小于方形负极片2的尺寸,目的是保证方形全电池的负极片能完全盖住正极片;
将正负极环形和方形极片交替堆叠成电芯;叠片的顺序是“-环形负极片1-隔膜5-方形负极片2-隔膜5-环形正极片4-隔膜5-方形正极片3-隔膜5-”,按此顺序周期性叠片完成;叠片过程中,保证环形负极片1完全盖住环形正极片4,方形负极片2完全放置于环形负极片1内部框架中间,方形正极片3完全被方形负极片2盖住,任何正负极之间绝缘;
电芯按照现有技术中的软包锂离子电池的制作流程,进行极耳焊接,入壳,顶侧封,烘烤,注液,预封,静置后,将环形全电池接入化成装置,化成结束后,进行0.2-0.5C充电,控制环形全电池的荷电量为50%。
2.根据权利要求1所述的简易的软包四电极锂离子电池测试体系,其特征在于:所述的环形正极片4和方形正极片3的配方包含活性材料、导电剂和粘结剂,活性材料的比例80%~98%,导电剂的比例1%~10%,粘结剂的比例1%~10%,极片的涂布面密度15mg/cm2~40mg/cm2,环形负极片1和方形负极片2的配方包含活性材料、导电剂和粘结剂,活性材料的比例80%~98%,导电剂的比例1%~10%,粘结剂的比例1%~10%,极片的涂布面密度5mg/cm2~20mg/cm2
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