鋰離子電池容量損失檢測技術(shù)研究

張巖

摘 要：電池生產(chǎn)過程中，因為材料體系及加工工藝的原因，電池會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影響整個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工藝。通過研究鋰電池不同荷電狀態(tài)與開路電壓的對應(yīng)關(guān)系，容量損失與電壓降的關(guān)系，不同荷電狀態(tài)下不同時間電壓降測試，研究了一種鋰電池容量損失檢測工藝，可通過簡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 檢測技術(shù)

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（b）-0018-03

鋰離子動力電池在存儲過程中會造成容量損失，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過程后重新測試容量值，無法恢復(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極材料、配方、電解液性能、存儲條件等因素影響；可逆容量損失是指在存儲過程后重新測試容量值，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重要性能指標，如果電池可逆容量較大，則電池內(nèi)部潛在微短路風(fēng)險，直接影響電池的安全性能。

目前比較準確的測量方法是：將電池充滿電至100%Soc，在（25±3）℃環(huán)境下擱置28 d，然后測量電池的剩余電量，計算可逆容量損失數(shù)據(jù)的方法來評估電池自放電的大小。該檢測方法需很長的時間，相對于研究電池性能是比較實際和準確的方法，但在正常生產(chǎn)過程中，由于測試時間過長，并且占用大量的生產(chǎn)場地，直接影響到生產(chǎn)和交貨，嚴重影響電池企業(yè)的經(jīng)濟效益。

該文研究了一種快速磷酸鐵鋰電池容量損失檢測工藝。通過在不同荷電狀態(tài)下不同時間電壓損失測試，根據(jù)容量損失特性，可簡單、快速、準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 實驗

1.1 原理研究

由于鋰電池可逆容量測試是在開路狀態(tài)下測試的，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 實驗方法

1.2.1 荷電狀態(tài)確定

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

通過圖3可以看出，在2%～8%Soc區(qū)間內(nèi)，29 mAh的容量損失對應(yīng)電壓降1 mV，在10%～25%Soc區(qū)間內(nèi)，212 mAh的容量損失對應(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。如表1所示。

1.2.2 Ocv1測試確定

電池在充電時，由于極化的原因，會偏離平衡電動勢，充電截止時，電壓會以e的指數(shù)衰減至該Soc下的平衡電動勢。

選取L135F型號鋰電池，電池分容后采用去極化和正常測試流程兩種工步，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。通過數(shù)據(jù)可以明顯看出，去極化后的電池能夠很快達到穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4所示，一般選取11～13 h測試Ocv1。

1.2.3 靜置時間（△T）預(yù)測

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測試的電壓作為Ocv1，分別測試 3D、4D、8D與28D的開路電壓。計算對比每組試驗電池測試電壓差值與存儲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，試驗證明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)場生產(chǎn)的工藝執(zhí)行。

2 實驗驗證

采用L135F型號電池，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%，測試0.5D時的電壓Ocv1，4D時的電壓Ocv2，8D時的電壓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的判定標準。電池檢測結(jié)束后將電池調(diào)整至滿電100%Soc荷電狀態(tài)，按照標準常溫滿電28D擱置，使用荷電保持率方法測試荷電保持率數(shù)據(jù)，以此作為判定試驗方法準確與否的標準。

經(jīng)過滿電28D容量損失率驗證，荷電狀態(tài)6%的電池，K值作為檢測標準，時間4 d即可將容量損失率較高電池挑選出，K值大于10 mV作為電池挑選標準。

經(jīng)過滿電28D容量損失率驗證，荷電狀態(tài)15%的電池，時間4天無法將異常電池挑選出，8D的測試時間可以將容量損失率較高電池挑出，K值大于8 mV作為電池挑選標準。

3 結(jié)語

該文研究了一種鋰電池快速容量損失檢測工藝，通過大量的數(shù)據(jù)測試及效果驗證，試驗證明電池在較低荷電狀態(tài)時，測試準確率相對較高，而且測試周期較短，適合生產(chǎn)過程推廣應(yīng)用。出廠前通過該檢測工藝，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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