[發明專利]一種基于電壓逆推檢測鋰離子電池正極材料過放電程度的方法

在審

• 申請號: 202110305344.3
• 申請日: 2021-03-19
• 公開（公告）號: CN113093031A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 趙煜娟;余樂樂;候辰;邢依然
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01R31/385
• 分類號: G01R31/385
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發明提供了基于電壓逆推檢測鋰離子電池正極材料過放電行為的方法，根據電池實際的電壓判斷正極材料所處的放電程度及存在形式。包括采用壓膜的工藝方法，制備無集流體的正極極片：以Li片為對電極，組裝扣電，通過控制過放電壓控制過放電程度，檢測正極材料的耐過放電性能；通過無負極體系，不同過放電程度下正極極片的X射線衍射(XRD)測試，及對正極極片X射線光電子能譜(XPS)刻蝕前后的對比測試，檢測過放電過程中正極材料的相變機制和電解液的電化學反應行為。該檢測方法簡單、系統，對于深入理解不同正極材料的過放電機理具有指導意義，同時對實際電池的應用具有參考意義。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池過放電領域，涉及鋰離子電池正極材料過放電程度的檢測方法。

背景技術

目前，環境保護要求日益嚴峻、石化能源價格快速增長，所以尋求清潔高效的能源轉換和儲存載體變得迫在眉睫。鋰離子電池具有能量密度高、功率密度高、綠色環保、使用壽命長等優點而備受關注。1990年索尼公司將鋰離子電池推向市場，如今，鋰離子電池除了廣泛應用在3C便攜式電子產品(移動電話、數碼相機、筆記本電腦、平板)中外，它還用作電動汽車(EV)、混合動力汽車(HEV)和插電式混合動力汽車(PHEV)等動力汽車的電源。

作為高效的儲能系統，鋰離子電池在實際應用中往往存在一些濫用現象，過放電危害性較大，它是鋰離子電池的關鍵問題之一，它經常會導致電極結構變化、電池容量衰減、壽命減短，甚至導致嚴重的安全問題。過放電不是電池使用的正確方式，它是指電池放電到正常電壓下限后，外界強制電池繼續放電的一種濫用現象。過放電發生的可能性分為宏觀和微觀兩個方面。宏觀上，過放電易發生在電池組，單體電池通過串、并聯組成電池組，由于單體電池之間存在不一致性，當電池組正常放電時，容量低的單體電池，容易發生過放電(短板效應)；微觀上，單體電池過度使用會發生過放電；單體電池內部局域結構不同、接觸不充分會發生過放電；單體電池內部正、負極材料顆粒存在差異也會發生過放電。

目前，商用的鋰離子全電池一般都采用石墨作為負極材料，主要是因為石墨容量高、價格低廉；然而，不同的產品會選擇應用不同的正極材料，3C電子產品通常以LiCoO₂作為正極材料；動力汽車電池通常采用三元Li(Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3)O₂(NCM)、LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂(NCA)或LiFePO₄作為正極材料；富鋰材料，由于具有較高的容量、較高的電壓平臺，目前也是備受大家關注和研究。

正極材料在全電池中扮演著很重要的角色，然而，很少有研究者系統報道過正極材料過放電行為的檢測方法，大多都是采用物理法檢測電池電壓，并不能確定正極材料實際所處的狀態；另外，原位檢測方法機時有限，需要耗費大量的時間、人力和實驗成本，同時數據解析要求較高的專業的知識技能，使得正極材料的實際過放電行為檢測效率大大降低，同時無法深入理解不同正極材料的過放電機理。本發明通過電池電壓即可判斷出正極材料的放電程度及其所處的狀態。

發明內容

本發明的目的在于針對以上如何深入理解不同鋰離子電池正極材料的過放電機理問題，提出了一種簡單、系統的檢測方法。

本發明所提出的方法適用于各種鋰離子電池正極材料，包括LiCoO₂(LCO)、LiMn₂O₄(LMO)、LiFePO₄(LFP)、Li(Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3)O₂(NCM)、LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂(NCA)以及富鋰材料Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂。