一种锂离子电池的充电方法与流程

1.本发明涉及锂离子电池充电方法领域，特别是涉及一种锂离子电池处于低温环境的充电方法。


背景技术：

2.二次电池一次充放电视为一个循环，每次循环记录放电容量，其放电容量降低到一定值时，视为电池寿命结束，其循环周数叫做循环寿命。
3.目前的二次电池使用时，每次充放电所设置的充电倍率与放电倍率是相同的，按照所设置的充电被率对锂离子电池恒流充电至额定电压，再按照额定电压进行恒压充电，使得电流降低至截止电流，完成充电过程，以确保锂离子电池在具有较大的容量的同时，还能避免正极材料中脱出锂离子的量较多而导致正极材料的稳定性较差。
4.不同的环境会对电池的内部阻抗产生影响，尤其低温下，由于低温条件下电化学反应的速率较慢，且电解液中锂离子的迁移速度较慢，导致浓差极化较大，电池达到截止电压和截止电流的速度较快，使得低温环境中锂离子电池的充电容量较小，能够发挥出的能量密度也较低。此时用与常温相同的倍率进行充放电并不合适，会对电池的循环寿命造成无可挽回的损伤。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种锂离子电池的充电方法，本发明在充电过程中通过间隙性脉冲充电配合恒流充电和恒压充电，兼顾充电速度与容量保持。
6.为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种锂离子电池的充电方法，锂离子电池所处环境温度为
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10℃至
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40℃，依次包括以下步骤：
7.步骤一、间隙性脉冲充电至电池容量的电池20％至30％；
8.步骤二、恒流阶段；
9.充电倍率为0.5c
‑
1c，截止条件为电池上限电压；
10.步骤三、恒压阶段；
11.充电截止条件为0.05c。
12.优选所述步骤一中的间隙性脉冲充电的规律为正向脉冲
‑
停止充电一段时间
‑
反向脉冲的顺序循环至脉冲深度。本发明中间隙性脉冲充电作用为去极化和升温，降低电池因低温环境造成的内阻增大现象，其具体的作用机理如下：持续充电下，负极嵌锂能力不足，会造成锂离子在负极表面堆积，间隙性脉冲充电为正向脉冲
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停止充电一段时间
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反向脉冲的顺序循环至脉冲深度，正向脉冲时锂离子向负极迁移，负极嵌入锂离子；停止充电一段时间的作用让负极嵌入正向脉冲时期剩余的锂离子，缓解正向脉冲造成的未嵌入负极的锂离子堆积在负极表面现象，即去极化作用；反向脉冲是一步快速放电过程，其作用一方面将负极仍然滞留在表面的锂离子导回正极，进一步去极化；另一方面，放电过程体系温升较大，反向脉冲可以提升电池内部温度，降低低温对电池内阻的影响。
13.优选正向脉冲的条件为：正向恒流充电倍率为0.05c至0.2c，单次正向恒流充电时间为1min至10min。正向脉冲的充电电流过大，易析锂；正向脉冲的单次充电时间太短，充入电量少，延长充电时间，正向脉冲的单次充电时间太长，会造成锂离子在负极表面堆积出现析锂。
14.优选反向脉冲的条件为：反向恒流放电倍率为0.01c至0.1c；单次反向脉冲时间为1s至10s。单次反向脉冲倍率太大或者是时间太长，放出电量多，延长充电时间。
15.单次停止充电时间为0.5s至10s。单次停止充电时间太短，无法缓冲c1阶段造成的锂堆积现象，单次停止充电时间太长，延长充电时间。
16.优选通过间隙性脉冲充电将电池自身温度提升至
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10℃至0℃，显著降低电池内阻，去极化效果明显，有效抑制析锂。
17.优选所述锂离子电池为锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元电池、钴酸锂电池以及复合材料制备的锂离子二次电池中的一种。本发明所提供的充电方法适合多种电池体系，通用性显著。
18.优选恒流阶段的截止电压为3.65v。恒流阶段作用是提升整体充电速度，经过间隙脉冲阶段，电池体系的内阻已经降低，电池温度升高，此时，可使用相对于低温环境较高的倍率进行充电，提升整体充电速度，恒流阶段，充放电倍率为0.5c
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1c，截止条件为电池上限电压；截止电压不影响本步骤效果，其倍率设定太小，所需时间太长，倍率设定太大，超过本环境下负极嵌锂能力，出现析锂现象，损伤电池。恒压阶段作用为消除恒流阶段产生的极化，充电截止条件为gb/t31485规定的0.05c。
19.通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
20.电池在低温环境下，内部电解液的导离子性能变差，正负极间脱嵌锂的位阻变大，此时电池的内阻明显大于常温下电池内阻，若继续使用与常温相同的充电倍率对电池进行充电，锂离子无法嵌入负极，则会造成极化，产生析锂现象。本发明根据电池体系的设计，提出一种低温环境下的充放电模式，充电前期加入脉冲阶段，在低温下，利用脉冲充电，降低极化，减缓每次充电的倍率，避免锂离子在负极表面堆积造成的极化析锂，脉冲前段使用小电流短时间的波段进行充电，脉冲可有效降低极化现象，提升电池自身温度环境，减低低温产生的内阻，当锂离子嵌入一定量后，电池内部环境改善，后续提升电流倍率和充电时间，以提升整体的充电速度；
21.本发明中脉冲充电深度20％至30％，有效保证电池温度上升，缓解电池内部极化，防止恒流充电阶段出现析锂现象；同时兼顾充电时间，有效提高充电效率，提高容量保持率。
22.从而实现本发明的上述目的。
具体实施方式
23.为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
24.实施例1
25.本实施例选取2000mah磷酸铁锂电池，在
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20℃下，按照以下步骤和条件进行充电：
26.锂离子电池所处环境温度为
‑
20℃，依次包括以下步骤：
27.步骤一、间隙性脉冲充电；
28.正向脉冲0.05c，1min；停止充电0.5s；反向脉冲0.01c，1s；
29.循环至容量的20％；
30.步骤二、恒流阶段；
31.倍率0.5c充电至3.65v；
32.步骤三、恒压阶段；
33.电压3.65v至0.05c。
34.实施例2
35.本实施例选取2000mah磷酸铁锂电池，在
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20℃下，按照以下步骤和条件进行充电：
36.锂离子电池所处环境温度为
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20℃，依次包括以下步骤：
37.步骤一、间隙性脉冲充电；
38.正向脉冲0.1c，3min；停止充电3s；反向脉冲0.03c，3s；
39.循环至容量的23％；
40.步骤二、恒流阶段；
41.倍率0.6c充电至3.65v；
42.步骤三、恒压阶段；
43.电压3.65v至0.05c。
44.实施例3
45.本实施例选取2000mah磷酸铁锂电池，在
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20℃下，按照以下步骤和条件进行充电：
46.锂离子电池所处环境温度为
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20℃，依次包括以下步骤：
47.步骤一、间隙性脉冲充电；
48.正向脉冲0.15c，5min；停止充电5s；反向脉冲0.05c，5s；
49.c1至c3循环至容量的25％；
50.步骤二、恒流阶段；
51.倍率0.7c充电至3.65v；
52.步骤三、恒压阶段；
53.电压3.65v至0.05c。
54.实施例4
55.本实施例选取2000mah磷酸铁锂电池，在
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20℃下，按照以下步骤和条件进行充电：
56.锂离子电池所处环境温度为
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20℃，依次包括以下步骤：
57.步骤一、间隙性脉冲充电；
58.正向脉冲0.2c，7min；停止充电7s；反向脉冲0.07c，7s；
59.循环至容量的27％；
60.步骤二、恒流阶段；
61.倍率0.8c充电至3.65v；
62.步骤三、恒压阶段；
63.电压3.65v至0.05c。
64.实施例5
65.本实施例选取2000mah磷酸铁锂电池，在
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20℃下，按照以下步骤和条件进行充电：
66.锂离子电池所处环境温度为
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20℃，依次包括以下步骤：
67.步骤一、间隙性脉冲充电；
68.正向脉冲0.2c，10min；停止充电10s；反向脉冲0.1c，10s；
69.c1至c3循环至容量的30％；
70.步骤二、恒流阶段；
71.倍率1c充电至3.65v；
72.步骤三、恒压阶段；
73.电压3.65v至0.05c。
74.对比例1
75.本例选取2000mah磷酸铁锂电池，在
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20℃，按照以下条件进行充电：以0.2c的倍率，充电至3.65v，恒压至0.05c。
76.对比例2
77.本例选取2000mah磷酸铁锂电池，在
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20℃，按照以下条件进行充电：以0.5c的倍率，充电至3.65v，恒压至0.05c。
78.将实施例1至5以及对比例1和2的电池完成充电后，具体的性能指标数据如表1所示。
79.表1实施例1至5以及对比例1和3电池在
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20℃条件下的充电性能指标列表
80.组别电池温度/℃充入电量/mah充电用时/h内阻/mω对比例1
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1616805.312对比例2
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1513592.527实施例1
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819593.47实施例2
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619463.29实施例3
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519403.110实施例4
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219342.910实施例5019302.811
81.结合表1可知，在
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20℃的条件下，对比例1中采用小倍率模式充电，用时5.3h，耗时太长，且充入的电量仅有1680mah；对比例2在0.5c的倍率下，虽用时短，但因内部极化增大，充入电量仅有1359mah；两种模式下，效果都不理想；而采用本发明的充电方法，实施例1至5中的电池电量比对比例模式下充入的电量多20％以上，可知本充电模式有助于提升电池在低温环境下的充电容量；对比电池充电后电池温度可知，本发明提出的方案有效提升电池整体温度，电池升温后，有助于充入更多的电量，且充电倍率越大，电池温升越高，相应会折损一小部分容量为代价；对比电池充电后内阻可知，本发明提出的方案有效减缓了大倍率充电造成的锂离子在负极的堆积，降低了电池内阻；充电倍率越小，内阻越小、充入的电量越大，充电倍率越大，充电用时越短，整体充电用时小于3.5h，充入电量大于1930mah，为原始容量2000mah的96.5％，整体数据符合市场需求，证明本发明提出的低温充电模式切实有效。
82.将实施例5的电池组别测试
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30℃与
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40℃的充电性能，具体详见表2所示。
83.表2实施例5所得电池在
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30℃与
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40℃的充电性能
84.温度电池温度/℃充入电量/mah充电用时/h内阻/mω
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30℃
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5℃18372.611
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40℃
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17℃15482.416
85.从表2可知，随着环境温度的降低，本体系电池工作时表面温度也随之降低，充电量减小，充电时间相应缩短，内阻变大，但
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30℃，充入电量仍高达92％，
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40℃下，充入电量有77％，远高于同等水平。