一种锂离子电池循环寿命预测方法及其应用与流程

1.本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子电池循环寿命预测方法及其应用。


背景技术：

2.锂离子电池作为新一代的绿色高能充电电池，很好地满足了近年来人们对能源高效性、清洁性的要求。锂离子电池具有能量密度大、电压稳定性高、循环使用寿命长、无记忆效应、工作温度限制范围大、质量轻且对环境无危害等优点，能很好地替代石油等传统不可再生能源，得到了很多国际厂商的认可和消费者的青睐。目前锂离子电池已被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、航空航天等领域。
3.锂离子电池和其他类型的电池系统一样存在寿命问题。寿命问题是指，影响锂电池放电能力的内部结构在循环充放电过程中逐渐退化，包括正负极活性材料的物理化学性质变性、电解液溶剂的消耗，以及隔膜通透性的降低等。意外的锂离子电池寿命终止将导致系统整体功能的失效，可能将导致灾难性的后果，例如美国国家航空航天局发射的火星全球勘探者号就是由于其电池故障丧失电力供应而与地面失去联系。正常的锂离子电池寿命终止也会受到锂电池本身工作强度以及运行环境的影响。因此，提前预知锂离子电池的循环寿命，将提升电池品质，对锂离子电池的发展大有助益。
4.传统的锂离子电池的寿命预测方法是对同批次的电池进行充放电循环，以循环后放电容量衰减到初始放电容量的80％(或其他规定值)时的循环次数，作为相同批次电池寿命的预测。这种方法被广泛接受和认可，但也存在一定的缺点。其一，这种测试方法严格意义上来说，只是反应了测试电池本身的循环寿命，而不能完全代表其他电池的循环寿命；其二，这是一种有损检测，即测试完循环寿命的电池也意味着其自身寿命的结束。因此，亟需寻找一种无损、高效预测锂离子电池循环寿命的方法。


技术实现要素：

5.本发明所解决的技术问题是针对现有锂离子电池循环寿命预测方法中存在局限性和有损性的问题，从而提供一种可批量、无损、准确预测锂离子电池循环寿命的方法。
6.本发明的目的通过下述技术方案实现：
7.一方面，本发明提供了一种锂离子电池循环寿命预测方法，包括以下步骤：
8.s1：将base组锂离子电池进行放电，静置；
9.s2：记录反弹电压与静置时间的关系曲线，进行拟合；
10.s3：将上述锂离子电池进行实际循环寿命测试；
11.s4：将待测锂离子电池进行放电，重复步骤s2；
12.s5：根据步骤s2、步骤s4拟合得到的参数，以及步骤s3测试得到的实际循环寿命n0对待测锂离子电池的循环寿命n
i
进行预测。
13.可选的，所述base组锂离子电池与待测锂离子电池为型号相同的新鲜满电锂离子
对待测锂离子电池的循环寿命n
i
进行预测。
34.通过对base组以及待测锂离子电池进行放电，采用相同模型对反弹电压及静置时间的关系进行拟合，确定拟合参数，单次测定base组的实际循环寿命，最后通过一定的转换模型即可预测出待测锂离子的循环寿命，耗时短，可大批量进行，同时该预测方法是在短期实测数据基础上进行的数据拟合，与纯理论计算及经验模型相比更具有普适性，准确度更高，不需要进行多次充放电循环，不会对锂离子电池产生损耗。
35.由于电池欧姆内阻以及极化内阻的存在，电池放电结束后，由工作电压逐渐回升至开路电压，通过对反弹电压与静置时间进行拟合，得到表征电池寿命的相关参数，最后与已知寿命的锂离子电池相关参数进行比对即可预测得到待测锂离子电池的循环寿命。
36.在一些实施例中，所述base组锂离子电池与待测锂离子电池为型号相同的新鲜满电锂离子电池。
37.在一些实施例中，所述放电的方式为恒流放电，电流≤10c，放电容量q≥60％q0，其中q0表示锂离子电池的初始放电容量，进一步的，优选放电容量q≥90％q0。
38.c为电池充放电电流大小的比率，充放电倍率＝充放电电流/额定容量；例如额定容量为100mah的电池用20mah放电时，其放电倍率为0.2c。10c、0.01c、1c是电池放电速率：表示放电快慢的一种量度。所用的容量0.1小时放电完毕，称为10c放电；100小时放电完毕，则称为1/100＝0.01c放电。
39.放电容量q≥60％q0，采用全放电方式，进一步提高反弹电压与静置时间之间线性关系的拟合精度，减少预测循环寿命与实际循环寿命之间的误差，进一步的，优选放电容量q≥90％q0，
40.在一些实施例中，所述s1中静置的时间≤1h。
41.静置时间在1h范围内，确保可以完整记录到反弹电压随静置时间的变化，若静置时间大于1h，电压有可能已经回升到稳定状态，则无法对反弹电压与时间进行拟合。
42.在一些实施例中，所述s2进行拟合时采用式(1)表示的模型：
43.y
i
＝a
i
b
i
*exp(
‑
(c
i
*x
i
)) d
i
*exp(
‑
(e
i
*x
i
))
ꢀꢀꢀ
(1)
44.其中，y
i
为反弹电压，x
i
为静置时间，a
i
、b
i
、c
i
、d
i
、e
i
为拟合参数，i＝0,1,2,3,4
……
，i＝0代表base组。
45.在一些实施例中，所述s3中实际循环寿命测试的充电方式为恒流转恒压，充电电流≤10c，恒压充电截止电流为0.01c～1c。
46.恒流充电在充电后期由于电流过大，使电池内部析气，损伤电池；而恒压充电在充电初期电流过大，直接伤害电池，因此，采用恒流转恒压的充电方式克服了单纯恒流充电或者单纯恒压充电的弊端。
47.在一些实施例中，所述s3中实际循环寿命测试的放电方式为恒流放电，电流大小为0.01c～1c；
48.放电容量衰减为初始容量的80％时对应的循环次数为实际循环寿命n0。
49.在一些实施例中，所述s1与s4的放电条件相同。
50.base组与待测锂离子在相同条件下放电，可以减小外部因素对测试结果的干扰，提高拟合的精确度以及预测的准确度。
51.在一些实施例中，所述s5中进行循环寿命预测时采用式(2)表示的模型：
[0052][0053]
其中，0≤k＜1，进一步的，优选0.01≤k≤0.6。
[0054]
进一步的，所述式(2)中的为待测锂离子电池按照式(1)的模型进行一阶求导所产生的系数之和与base组电池按照式(1)的模型进行一阶求导所产生的系数之和的比值，为式(1)的系数(b d)与式(1)一阶求导产生的系数(
‑
bc
‑
de)之和的比值。
[0055]
在另外一些实施例中，本发明还提供了上述锂离子电池循环寿命预测方法在软包锂离子电池循环寿命预测中的应用
[0056]
以下通过具体实施例对本发明进行进一步的说明。
[0057]
实施例1
[0058]
本实施例用于说明本发明公开的锂离子电池循环寿命预测方法。
[0059]
s1：base组以4.4v钴酸锂—石墨体系的锂离子电池(366380
‑
3320mah)以1c电流放电至3v，静置10min；
[0060]
s2：记录反弹电压随静置时间的关系曲线，并以式(1)为模型，利用gauss
‑
newton分析确定拟合参数a0、b0、c0、d0、e0，结果填入表1；
[0061]
y
i
＝a
i
b
i
*exp(
‑
(c
i
*x
i
)) d
i
*exp(
‑
(e
i
*x
i
))
ꢀꢀꢀ
(1)
[0062]
s3：将上述锂离子电池以1c/0.5c进行充放电循环(充电截止电流为0.02c)，容量衰减为初始容量的80％时对应的循环次数为820次，记为base组锂离子电池的实际循环寿命n0；
[0063]
s4：将与base组相同体系、型号的待测锂离子电池a，以1c电流放电至3v，静置10min；记录反弹电压随静置时间的关系曲线，并以式(1)为模型，利用gauss
‑
newton分析确定拟合参数a1、b1、c1、d1、e1，结果填入表1；
[0064]
s5：根据步骤s2确定的拟合参数a0、b0、c0、d0、e0，步骤s4确定的拟合参数a1、b1、c1、d1、e1以及步骤s3测定的base组锂离子电池的实际循环寿命n0通过式(2)表示的模型进行待测锂离子电池a的循环寿命预测，其中k＝0.1；
[0065][0066]
并以1c/0.5c进行充放电循环(充电截止电流为0.02c)，容量衰减为初始容量的80％时对应的循环次数为850次，记为待测锂离子电池a的实际循环寿命，结果填入表1。
[0067]
实施例2
[0068]
本实施例用于说明本发明公开的锂离子电池循环寿命预测方法。
[0069]
s1：base组以4.4v钴酸锂—石墨体系的锂离子电池(366380
‑
3320mah)以1c电流放电至3v，静置10min；
[0070]
s2：记录反弹电压随静置时间的关系曲线，并以式(1)为模型，利用gauss
‑
newton分析确定拟合参数a0、b0、c0、d0、e0，结果填入表1；
[0071]
y
i
＝a
i
b
i
*exp(
‑
(c
i
*x
i
)) d
i
*exp(
‑
(e
i
*x
i
))
ꢀꢀꢀ
(1)
[0072]
s3：将上述锂离子电池以1c/0.5c进行充放电循环(充电截止电流为0.02c)，容量衰减为初始容量的80％时对应的循环次数为820次，记为base组锂离子电池的实际循环寿命n0；
[0073]
s4：将与base组相同体系、型号的待测锂离子电池b，以1c电流放电至3v，静置10min；记录反弹电压随静置时间的关系曲线，并以式(1)为模型，利用gauss
‑
newton分析确定拟合参数a2、b2、c2、d2、e2，结果填入表1；
[0074]
s5：根据步骤s2确定的拟合参数a0、b0、c0、d0、e0，步骤s4确定的拟合参数a2、b2、c2、d2、e2以及步骤s3测定的base组锂离子电池的实际循环寿命n0通过式(2)表示的模型进行待测锂离子电池b的循环寿命预测，其中k＝0.1；
[0075][0076]
并以1c/0.5c进行充放电循环(充电截止电流为0.02c)，容量衰减为初始容量的80％时对应的循环次数为730次，记为待测锂离子电池b的实际循环寿命，结果填入表1。
[0077]
实施例3
[0078]
本实施例用于说明本发明公开的锂离子电池循环寿命预测方法。
[0079]
s1：base组以4.4v钴酸锂—石墨体系的锂离子电池(366380
‑
3320mah)以1c电流放电至3v，静置10min；
[0080]
s2：记录反弹电压随静置时间的关系曲线，并以式(1)为模型，利用gauss
‑
newton分析确定拟合参数a0、b0、c0、d0、e0，结果填入表1；
[0081]
y
i
＝a
i
b
i
*exp(
‑
(c
i
*x
i
)) d
i
*exp(
‑
(e
i
*x
i
))
ꢀꢀꢀ
(1)
[0082]
s3：将上述锂离子电池以1c/0.5c进行充放电循环(充电截止电流为0.02c)，容量衰减为初始容量的80％时对应的循环次数为820次，记为base组锂离子电池的实际循环寿命n0；
[0083]
s4：将与base组相同体系、型号的待测锂离子电池c，以1c电流放电至3v，静置10min；记录反弹电压随静置时间的关系曲线，并以式(1)为模型，利用gauss
‑
newton分析确定拟合参数a3、b3、c3、d3、e3，结果填入表1；
[0084]
s5：根据步骤s2确定的拟合参数a0、b0、c0、d0、e0，步骤s4确定的拟合参数a3、b3、c3、d3、e3以及步骤s3测定的base组锂离子电池的实际循环寿命n0通过式(2)表示的模型进行待测锂离子电池c的循环寿命预测，其中k＝0.2；
[0085][0086]
并以1c/0.5c进行充放电循环(充电截止电流为0.02c)，容量衰减为初始容量的80％时对应的循环次数为743次，记为待测锂离子电池c的实际循环寿命，结果填入表1。
[0087]
表1
[0088][0089]
根据表中数据可以看出，锂离子电池a、锂离子电池b以及锂离子电池c采用本发明的预测方法预测得到的循环寿命与实际寿命误差均在
±
50范围内，说明本发明的锂离子循环寿命预测方法具有较高的准确度，不需要对待测锂离子电池进行全充放电，是一种无损耗的寿命预测方法，同时操作简单，可大批量进行，大幅提高生产效率。
[0090]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。