[發明專利]物理老化過程中全固態聚合物電解質鋰電池容量的預測方法

有效

• 申請號: 202010637201.8
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111766527B
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發明（設計）人: 胡宏玖;李書峰;樊曉鳴;賀耀龍;方宣森
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01R31/392
• 分類號: G01R31/392;G01R31/3842;G01R31/389
• 代理公司: 上海思牛達專利代理事務所(特殊普通合伙) 31355
• 代理人: 雍常明

該方法基于物理老化進程中固態聚合物電解質的阻抗譜圖，分析離子擴散系數的演化，據根鋰電池正極材料充電狀態與電壓的關系、聚合物電解質中的場方程和電極上電荷轉移動力學方程，確定鋰電池完成一次連續放電的截至時間；再通過正電子湮滅壽命譜測試不同老化時間下電解質內部的自由體積含量，解析電極與電解質界面處接觸面積的變化規律，據此獲得固態聚合物電解質鋰電池放電容量的衰減趨勢。本發明能夠準確預測固態電解質物理對鋰電池容量的影響，不僅能夠優化先進二次電池的設計，而且可為消費電子設備、電動汽車和混合動力車輛的安全服役提供重要幫助。

技術領域

本發明涉及一種物理老化過程中全固態電解質鋰電池容量的預測方法，主要用于先進二次電池的優化設計與在役性能評價，屬新能源材料領域。

背景技術

全固態聚合物電解質(SPE)具有優異的加工性能、與電極接觸良好和寬泛的電化學窗口等諸多優點，因而呈現更為廣泛的應用前景。然而，由于成型過程和服役溫條件下，玻璃態高聚物材料內部的熱力學狀態呈現高度的非平衡。聚合物局部區域鏈段的微布朗運動導致凝聚態結構從非平衡態向平衡態弛豫，電解質將發生物理力學性能下降的物理老化現象。進而，全固態二次電池在貯存與充放電過程中，電解質中自由體積和微結構隨時間變化，顯著遲滯鋰離子在高聚物中遷移，影響電極活性層中鋰化反應，致使電池充放電性能發生衰減，甚至全部喪失使用價值。因此，準確評估與預測SPE物理老化過程中誘導的電池容量衰退是避免消費電子設備、電動汽車和混合動力車輛動力系統失效的關鍵。大量的聚合物宏、微觀材料試驗研究衍生了自由體積理論、凝聚纏結理論和構形熵理論等主要物理老化機制及其相關數學力學模型，其中的自由體積理論雖可較好地詮釋聚合物的物理老化過程，由此建立的理論模型能夠較好地揭示材料物理力學性能隨時間的演化規律。但由于鋰鹽的摻入，聚合物基體的構效關系必然發生改變。又因為服役時受到離子輸運和電池系統內外應力的耦合作用，因此聚合物固態電解質松弛誘導的電池循環性能損傷面臨巨大的挑戰。迄今為止，雖然液態電解質鋰離子電池活性層材料、隔膜結構與應力交互機制及其對電化學性能的影響已獲得了充分解析。盡管物理老化效應導致聚合物固態電解質結構松弛無法避免，然而，國內外均無此類全固態電池系統在貯存與服役過程中電化學性能的定量方法。

發明內容

本發明的目的在于針對已有技術存在的不足，針對全固態聚合物電解質的物理老化效應，提供一種適用于鋰電池在貯存與服役過程中電化學容量的準確預測方法。

其中，D⁺(t_a)為物理老化時間t_a時的鋰離子在固態聚合物電解質中擴散系數，T為開爾文溫度，k_B為Boltzmann常數，n為單位體積的離子量,q為離子所帶電荷，k⁺(t_a)為物理老化時間t_a時電解質的離子導電率。