一种软包锂离子电池稳定性的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种软包锂离子电池稳定性的测量 装置及方法。

背景技术

有资料显示，锂离子电池作为新能源汽车和其他电动工具的核心部件，在 实际应用中，锂离子电池使用条件非常复杂，容易受到动态负载的影响，包括 粗糙地面引起的随机振动或者由直升机中特定频率螺旋桨引起的固定正弦振动 等在内的高动态负载，以及充放电过程电极膨胀和热膨胀引起的准静态或低动 态负载，或二者兼而有之。上述操作条件对锂离子电池特别是软包锂离子电池 结构的动力学稳定性评估提出了严格要求。

目前广泛采用硅碳负极材料提高单体电池能量密度，由于硅颗粒嵌锂之后 体积急剧膨胀，导致电池厚度增长，增加模组和模块框架压力，因此电池必须 在夹具支撑下进行循环。

中国专利文献CN110542528A公开了一种“锂离子电池总成振动试验夹具”。 采用了包括安装件和锂电池总成，两个所述安装件的表面依次均匀开设有第一 安装孔，两个所述支撑件的顶部设有凸起边，两个所述支撑件的表面依次均匀 开设有第二安装孔，两个所述支撑件通过设置在下方的底座配合螺栓与设置在 安装件上的第一安装孔固定连接；所述外壳上基体、外壳下基体为一体式与支 撑件固定连接。上述技术方案通过优化振动测试中的夹具改善测试效果的准确 性，但无法有效评估软包锂离子电池在不同机械老化下的稳定性，同时测量条 件与电池的实际使用环境相差很大，具有一定的技术局限性。

发明内容

本发明主要解决原有的技术方案无法有效评估软包锂离子电池在不同机械 老化下的稳定性，且测量条件与电池的实际使用环境相差很大的技术问题，提 供一种软包锂离子电池稳定性的测量装置及方法，采用自主设计的测试装置， 在模拟实际工况的前提下，评估锂离子电池在振动载荷下的循环特性，研究了 电池初始载荷压力和振动参数对电池性能稳定性的影响，揭示了软包锂离子电 池应力响应对操作条件的敏感性，为高性能高能量密度电池新产品开发提供重 要的技术支持。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种软包锂离子电池稳定性的测量装置，包括温控室，所述温控室内设有 振动台，所述振动台上设有测试平台和待测单元，所述待测单元由2个金属弹 簧支撑放置在测试平台上，所述待测单元与充放电控制系统相连。待测单元由2 个金属弹簧支撑放置在测试平台上，需要保证在拉伸和压缩态下均在弹簧的弹 性范围之内。为了节省温控室体积，将电池充放电测试控制系统放于温控室外， 通过电缆线与待测单元相连记录循环过程中电池电化学参数，为了避免对测量 精度的负面影响，选用小于等于待测单元重量0.1％的轻薄化电缆。

作为优选，所述的待测单元包括上夹板和下夹板，所述上夹板和下夹板之 间设有压力探头，所述下夹板下方依次设有锂离子电池、铜导电体和电池支撑 平台，所述锂离子电池连接有温度探头，所述上夹板、下夹板和电池支撑平台 通过螺栓固定连接。上下夹板所用材质为铝，与其他材料相比，铝制夹板一方 面可以提供足够的刚度，另一方面可以提高测试电池的散热性能，使得电池在 充放电循环中温度基本保持不变。在测试过程中电池支撑平台与地面始终保持 平行，测试过程中通过拧紧4个螺栓实现对锂离子电池初始外加压力的调节， 循环过程中的压力变化由压力探头测量得到。

作为优选，所述的压力探头为0.05％高精度电阻式压力传感器，压力探头放 置于锂离子电池对角线交叉位置。

作为优选，所述的铜导电体镶嵌于电池支撑平台内，铜导电体与锂离子电 池保持接触。

作为优选，所述的振动台连接有加速度计和力传感器，在振动台和加速度 计之间，以及振动台与待测单元之间涂有薄层石蜡。用于避免测量过程中噪音 增加，同时为提高测量重复性，每经过3-4次测量之后，必须更新一次石蜡层。

一种软包锂离子电池稳定性的测量装置的使用方法，包括以下步骤：

①在25℃下

②设定待测锂离子电池初始载荷压力

③分别设置两种测试条件对锂离子电池进行测试

待测软包锂离子电池采用叠片结构，正极材料为高镍层状过渡金属氧化物 Li[NixCoyMz]O2，其中x≥0.6，负极为硅碳、人造石墨或天然石墨混合材料， 硅和石墨的质量比为为10-40:75-45，额定容量为10-20Ah，电池初始厚度为 7-11mm，电池重量为70-150g，电池初始施加载荷压力为5-40Psi，压力过低没 有明显的约束力，压力过高会可能会引起电池变形甚至机械失效。

作为优选，所述的步骤1中充放电循环具体步骤为，在25℃下，以0.5C倍 率对电池进行恒流恒压充电至4.2V，截止电流为0.1C，静置4-15min；然后在 0.33倍率下恒流放电至2.7-2.8V，放电时间保持3h，搁置5-20min,按照上述 步骤重复300-500个循环。为了模拟电动汽车实际工况，充电过程中振动测试 停止，仅在放电过程中按照测试条件进行同步开启振动测试。

作为优选，所述的步骤2待测锂离子电池初始载荷压力分别为5Psi、15Psi 和30Psi，分别代表了低载荷压力、中载荷压力和高载荷压力的典型条件值。

作为优选，所述的步骤3中两种测试条件分别为，第一种条件是频率7Hz 至200Hz完成一次往复对数扫频正弦振动，3h内完成三维方向12次振动,采样 频率间隔为0.5HZ；第二种条件是，第一周放电时，振动频率7Hz至150Hz完成 一次往复对数扫频正弦振动，3h内完成三维方向12次振动,采样频率间隔为 0.5HZ,第二圈放电时，振动频率150Hz至1000Hz完成一次往复对数扫频正弦 振动，3h内完成三维方向12次振动,采样频率间隔为0.5HZ，第三圈和第四圈 条件与第一圈和第二圈相同，并依次类推。

作为优选，所述的步骤3增加三组无外加振动条件的实验，充放电参数、 初始载荷压力与测量条件实验保持一致。

本发明的有益效果是：

1.测量了硅碳体系软包锂离子电池在不同载荷压力和振动条件下的循环性 能，为改善电池性能和电池模组设计提供了重要的技术参考，弥补了现有技术 方案的不足。

2.可以灵活调整参数，测量不同尺寸软包锂离子电池稳定性的评估，且操 作成本低。

3.可以加速下一代电池产品的开发，具有重要的推广价值。

附图说明

图1是本发明的一种测量装置结构图。

图2是本发明的一种待测单元结构示意图。

图3是本发明的一种循环200周电池充电搁置压力变化曲线。

图4是本发明的一种振动条件对压力的影响曲线图。

图中1待测单元，1.1上夹板，1.2压力探头，1.3下夹板，1.4锂离子电 池，1.5铜导电体，1.6电池支撑平台，1.7螺栓，1.8温度探头，2支撑弹簧， 3测试平台，4振动台，5温控室，6充放电控制系统。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种软包锂离子电池稳定性的测量装置，如图1所示， 包括温控室5，温控室5内设有振动台4，振动台4上设有测试平台3和待测单 元1。振动台4连接有加速度计和力传感器，在振动台4和加速度计之间，以及 振动台4与待测单元1之间涂有薄层石蜡。用于避免测量过程中噪音增加，同 时为提高测量重复性，每经过3-4次测量之后，必须更新一次石蜡层。待测单 元1由2个金属弹簧2支撑放置在测试平台3上，待测单元1与充放电控制系 统6相连。为了节省温控室体积，将电池充放电测试控制系统放于温控室外，通过电缆线与待测单元相连记录循环过程中电池电化学参数，为了避免对测量 精度的负面影响，选用小于等于待测单元重量0.1％的轻薄化电缆。

如图2所示，待测单元1包括上夹板1.1和下夹板1.2，上下夹板所用材质 为铝，与其他材料相比，铝制夹板一方面可以提供足够的刚度，另一方面可以 提高测试电池的散热性能，使得电池在充放电循环中温度基本保持不变。上夹 板1.1和下夹板1.2之间设有压力探头1.3，压力探头1.3为0.05％高精度电阻 式压力传感器，压力探头1.3放置于锂离子电池1.4对角线交叉位置。下夹板 1.2下方依次设有锂离子电池1.4、铜导电体1.5和电池支撑平台1.6，铜导电 体1.5镶嵌于电池支撑平台1.6内，铜导电体1.5与锂离子电池1.4保持接触。 锂离子电池1.4连接有温度探头1.8，上夹板1.1、下夹板1.2和电池支撑平台 1.6通过螺栓1.7固定连接。在测试过程中电池支撑平台与地面始终保持平行， 测试过程中通过拧紧4个螺栓实现对锂离子电池初始外加压力的调节，循环过 程中的压力变化由压力探头测量得到。

待测软包锂离子电池采用叠片结构，正极材料为高镍层状过渡金属氧化物 Li[NixCoyMz]O2，其中x≥0.6，负极为硅碳、人造石墨或天然石墨混合材料， 硅和石墨的质量比为为10-40:75-45，额定容量为10-20Ah，电池初始厚度为 7-11mm，电池重量为70-150g，电池初始施加载荷压力为5-40Psi，压力过低没 有明显的约束力，压力过高会可能会引起电池变形甚至机械失效。

一种软包锂离子电池稳定性的测量装置的使用方法，包括以下步骤：

①在25℃下

为了模拟电动汽车实际工况，充电过程中振动测试停止，仅在放电过程中 按照测试条件进行同步开启振动测试。

②设定待测锂离子电池1

③分别设置两种测试条件对锂离子电池1

第一种条件是频率7Hz至200Hz完成一次往复对数扫频正弦振动，3h内完 成三维方向12次振动,采样频率间隔为0.5HZ。

第二种条件是，第一周放电时，振动频率7Hz至150Hz完成一次往复对数 扫频正弦振动，3h内完成三维方向12次振动,采样频率间隔为0.5HZ,第二圈 放电时，振动频率150Hz至1000Hz完成一次往复对数扫频正弦振动，3h内完成 三维方向12次振动,采样频率间隔为0.5HZ，第三圈和第四圈条件与第一圈和第 二圈相同，并依次类推。

为了增加对比性，增加三组无外加振动条件的实验，充放电参数、初始载 荷压力与测量条件实验保持一致。

实验结果如表1所示。

表1不同条件下电池循环数据对比

由表1可以看出，初始载荷压力和振动条件对软包锂离子电池的循环性能 具有明显的影响，对比组1-3数据，初始压力过高或者过小电池循环都会降低， 在施加外加振动时该影响变得更加明显，一方面由于震动会引起硅碳负极机械 劣化加速，电池内部副反应增加寿命下降；另一方面外加振动会导致电池内部 热量累积增加，温度上升急速电池性能衰退，例如循环200周后电池能量保持 率由对比组2的93.2％下降到第三组和第四组的90.9％和90.6％。

如图3和图4所示，循环200周后，电池充电后的压力弛豫随着初始载荷 压力的增大和振动频率的增加变得更为明显，电池内部硬度增加，弹性应变能 力下降。从本发明结果可以看出，对于待测试的硅碳体系软包锂离子电池，初 始载荷压力为15psi和振动频率在7-150HZ内对电池的循环寿命影响最小，为 后续电池模组设计提供了重要的技术支持。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属 技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采 用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定 义的范围。

尽管本文较多地使用了温控室、待测单元、充放电控制系统等术语，但并 不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释 本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。