鋰離子電池容量損失檢測(cè)技術(shù)研究

張巖

摘 要：電池生產(chǎn)過(guò)程中，因?yàn)椴牧象w系及加工工藝的原因，電池會(huì)存在不同程度的容量損失，容量損失較大的電池不僅影響正常使用而且會(huì)影響整個(gè)電池模塊的安全性能。該文研究了一種快速磷酸鐵鋰電池容量損失檢測(cè)工藝。通過(guò)研究鋰電池不同荷電狀態(tài)與開路電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，容量損失與電壓降的關(guān)系，不同荷電狀態(tài)下不同時(shí)間電壓降測(cè)試，研究了一種鋰電池容量損失檢測(cè)工藝，可通過(guò)簡(jiǎn)單快速的方法將容量損失較大的電池剔除，確保了電池的安全性。

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池 容量損失 檢測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）02（b）-0018-03

鋰離子動(dòng)力電池在存儲(chǔ)過(guò)程中會(huì)造成容量損失，容量損失又分為不可逆容量損失和可逆容量損失兩部分。其中，不可逆容量損失是指在存儲(chǔ)過(guò)程后重新測(cè)試容量值，無(wú)法恢復(fù)至原始容量的部分，一般情況下，該部分容量損失主要受電池正負(fù)極材料、配方、電解液性能、存儲(chǔ)條件等因素影響；可逆容量損失是指在存儲(chǔ)過(guò)程后重新測(cè)試容量值，能夠恢復(fù)容量的部分，一般情況下，該部分容量損失主要受制造工藝、生產(chǎn)設(shè)備、金屬屑、毛刺粉塵、隔膜性能等因素影響，如圖1所示。

可逆容量損失是衡量磷酸鐵鋰電池自放電大小的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，如果電池可逆容量較大，則電池內(nèi)部潛在微短路風(fēng)險(xiǎn)，直接影響電池的安全性能。

目前比較準(zhǔn)確的測(cè)量方法是：將電池充滿電至100%Soc，在（25±3）℃環(huán)境下擱置28 d，然后測(cè)量電池的剩余電量，計(jì)算可逆容量損失數(shù)據(jù)的方法來(lái)評(píng)估電池自放電的大小。該檢測(cè)方法需很長(zhǎng)的時(shí)間，相對(duì)于研究電池性能是比較實(shí)際和準(zhǔn)確的方法，但在正常生產(chǎn)過(guò)程中，由于測(cè)試時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，并且占用大量的生產(chǎn)場(chǎng)地，直接影響到生產(chǎn)和交貨，嚴(yán)重影響電池企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

該文研究了一種快速磷酸鐵鋰電池容量損失檢測(cè)工藝。通過(guò)在不同荷電狀態(tài)下不同時(shí)間電壓損失測(cè)試，根據(jù)容量損失特性，可簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確的判斷磷酸鐵鋰電池自放電性能，將可逆容量損失較大的電池剔除，確保了電池的安全性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原理研究

由于鋰電池可逆容量測(cè)試是在開路狀態(tài)下測(cè)試的，因此需要研究磷酸鐵鋰鋰電池荷電狀態(tài)（Soc）與開路電壓（Ocv）的特性，發(fā)現(xiàn)電池0%～30%Soc區(qū)間，電池開路電壓Ocv變化較大，30%～100%Soc區(qū)間，電池開路電壓Ocv變化較小，荷電狀態(tài)與開路電壓關(guān)系圖如圖2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 荷電狀態(tài)確定

對(duì)Soc-Ocv關(guān)系圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Soc與Ocv并非毫無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系，在某個(gè)區(qū)間段內(nèi)，存在線性關(guān)系，如圖3所示，因此對(duì)不同的區(qū)間分別進(jìn)行分析。

通過(guò)圖3可以看出，在2%～8%Soc區(qū)間內(nèi)，29 mAh的容量損失對(duì)應(yīng)電壓降1 mV，在10%～25%Soc區(qū)間內(nèi)，212 mAh的容量損失對(duì)應(yīng)電壓降1 mV。在2%～8%Soc區(qū)間內(nèi)，較小的容量損失就可以用電壓降表示出來(lái)。如表1所示。

1.2.2 Ocv1測(cè)試確定

電池在充電時(shí)，由于極化的原因，會(huì)偏離平衡電動(dòng)勢(shì)，充電截止時(shí)，電壓會(huì)以e的指數(shù)衰減至該Soc下的平衡電動(dòng)勢(shì)。

選取L135F型號(hào)鋰電池，電池分容后采用去極化和正常測(cè)試流程兩種工步，將電池荷電狀態(tài)調(diào)整至6%Soc，每隔10 min采集一次電池開路電壓數(shù)據(jù)，連續(xù)采集48 h。通過(guò)數(shù)據(jù)可以明顯看出，去極化后的電池能夠很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4所示，一般選取11～13 h測(cè)試Ocv1。

1.2.3 靜置時(shí)間（△T）預(yù)測(cè)

將電池去極化后，用0.1C將電池荷電狀態(tài)調(diào)整至6%，在 （25±3）℃環(huán)境下，其中以0.5D測(cè)試的電壓作為Ocv1，分別測(cè)試 3D、4D、8D與28D的開路電壓。計(jì)算對(duì)比每組試驗(yàn)電池測(cè)試電壓差值與存儲(chǔ)28D容量損失。

如圖5所示，28D的容量損失與28D的電壓降有很明顯的線性關(guān)系。如圖6所示，電池在6%荷電狀態(tài)下，以28D的電壓降為基準(zhǔn)，試驗(yàn)證明4D內(nèi)的電池開路電壓降就可以區(qū)分出電池容量損失的大小，挑選出異常電池，更加符合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的工藝執(zhí)行。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用L135F型號(hào)電池，取10支電池，使用0.3C電池循環(huán)3次使電池體系穩(wěn)定后，去極化工步，用0.1C電流將電池荷電狀態(tài)調(diào)整至6%或15%，測(cè)試0.5D時(shí)的電壓Ocv1，4D時(shí)的電壓Ocv2，8D時(shí)的電壓Ocv3，K0等于Ocv1減去Ocv2，K1等于Ocv1減去Ocv3，K值作為容量損失檢測(cè)的判定標(biāo)準(zhǔn)。電池檢測(cè)結(jié)束后將電池調(diào)整至滿電100%Soc荷電狀態(tài)，按照標(biāo)準(zhǔn)常溫滿電28D擱置，使用荷電保持率方法測(cè)試荷電保持率數(shù)據(jù)，以此作為判定試驗(yàn)方法準(zhǔn)確與否的標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)過(guò)滿電28D容量損失率驗(yàn)證，荷電狀態(tài)6%的電池，K值作為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)間4 d即可將容量損失率較高電池挑選出，K值大于10 mV作為電池挑選標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)過(guò)滿電28D容量損失率驗(yàn)證，荷電狀態(tài)15%的電池，時(shí)間4天無(wú)法將異常電池挑選出，8D的測(cè)試時(shí)間可以將容量損失率較高電池挑出，K值大于8 mV作為電池挑選標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語(yǔ)

該文研究了一種鋰電池快速容量損失檢測(cè)工藝，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)測(cè)試及效果驗(yàn)證，試驗(yàn)證明電池在較低荷電狀態(tài)時(shí)，測(cè)試準(zhǔn)確率相對(duì)較高，而且測(cè)試周期較短，適合生產(chǎn)過(guò)程推廣應(yīng)用。出廠前通過(guò)該檢測(cè)工藝，將潛在安全隱患的電池剔除，保證了電池的安全使用。

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