一种无损分析电池活性物质材料失效的方法与流程

本发明涉及电池和具有阴极和阳极的容器件技术领域，特别是涉及一种无损分析电池活性物质材料失效的方法。

背景技术：

目前，锂离子电池作为新型绿色能源，近年来受到越来越多的关注，而随着锂离子电池应用范围的拓展，对电池的性能要求越来越苛刻，锂离子电池的容量保持率，是大家非常关注的锂离子电池特性。

电池容量衰减一般是由电池内部的活性物质失效导致。电池内的活性物质包含正极活性物质及负极活性物质，电池容量损失一般主要是由于正极活性物质材料或者负极活性物质材料的失效导致。全电池容量损失后，需要确认活性物质的失效原因，即电池容量的衰减，到底是哪种活性物质失效(即正极活性物质还是负极活性物质)引起，以便有针对性的改善。

目前，为了分析判断电池的容量衰减是由正极活性物质失效还是负极活性物质失效引起的，需要将电池进行解剖，分别取正极活性物质及负极活性物质材料进行测试验证，以确认具体哪种活性物质材料失效，因此，具体操作过程繁琐，需要耗费大量的时间和精力。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种无损分析电池活性物质材料失效的方法，其可以在不破坏电池的情况下，快速分析判断电池的容量衰减的原因，获知是由正极活性物质失效还是负极活性物质失效引起的，有利于明确对电池的改善方向，方便下一步进行针对性的改善，具有重大的实践意义。

为此，本发明提供了一种无损分析电池活性物质材料失效的方法，包括以下步骤：

第一步、对三电极电池进行放电或充电测试，按照预设采集时间间隔，定时采集在测试过程中三电极电池的电池电压V和电池容量Q，以及正极电位V+和负极电位V-；

第二步、将三电极电池的正极电位V+、负极电位V-以及电池电压V，分别相对于电池容量Q做微分处理，对应获得正极的dV+/dQ数值、负极的dV-/dQ数值以及三电极电池的dV/dQ数值；

第三步、在同一个图中，以正极的dV+/dQ数值、负极的dV-/dQ数值以及电池的dV/dQ数值作为纵坐标，以电池容量Q为横坐标，分别绘制获得正极、负极和三电极电池的容量电压微分曲线；

第四步、通过正极和负极的容量电压微分曲线，在三电极电池的容量电压微分曲线上的叠加，识别确定三电极电池的容量电压微分曲线中分别代表正极和负极的特征峰；

第五步、对于与三电极电池为同一体系的、需要判断电池容量衰减原因的二电极电池，采取与三电极电池同样的测试方式，按照预设采集时间间隔，定时采集在测试过程中二电极电池的电池电压V1和电池容量Q1；

第六步、将二电极电池的电池电压V1，相对于电池容量Q1做微分处理，对应获得二电极电池的dV1/dQ1数值，然后以及二电极电池的dV1/dQ1数值作为纵坐标，以电池容量Q1为横坐标，绘制获得二电极电池的容量电压微分曲线；

第七步、将三电极电池的容量电压微分曲线，与二电极电池的容量电压微分曲线进行叠加对比，根据三电极电池的容量电压微分曲线中分别代表正极和负极的特征峰的具体位置，对应确定二电极电池的容量电压微分曲线中别代表正极和负极的特征峰的具体位置；

第八步、对于已部分失效电池，采取与三电极电池同样的测试方式，按照预设采集时间间隔，定时采集在测试过程中该电池的电池电压V2和电池容量Q2；

第九步、将已部分失效电池的电池电压V2，相对于电池容量Q2做微分处理，对应获得已部分失效电池的dV2/dQ2数值，然后以及已部分失效电池的dV2/dQ2数值作为纵坐标，以电池容量Q2为横坐标，绘制获得已部分失效的容量电压微分曲线；

第十步、将已部分失效电池的容量电压微分曲线，与二电极电池的容量电压微分曲线进行对比，以及根据预先设定的正极失效或者负极失效对应导致的电池特征峰变化特征，根据两个曲线中代表正极的特征峰和代表负极的特征峰的变化情况，对应判断获得已失效电池的容量衰减的原因。

其中，在第一步中，对三电极电池进行放电或充电测试，将以预设倍率进行放电或者充电测试，直至达到预设荷电状态。

其中，在第一步中，所述预设采集间隔时间，小于Q/I/50，其中，Q为电池容量，I为放电或放电电流。

其中，在第一步中，预设采集时间间隔为3秒，充电或放电电流的大小为0.5C。

其中，在第四步中，根据正极和负极的容量电压微分曲线，与三电极电池的容量电压微分曲线上特征峰的重合程度，来进行识别确定。

其中，在第八步中，所述已部分失效的电池，为经过预设多次充放电循环操作后所获得的二电极电池。其中，在第十步中，具体的判断方式如下：

将已部分失效电池的容量电压微分曲线，与二电极电池的容量电压微分曲线相比较，如果已部分失效电池的容量电压微分曲线中具有的代表正极的、相邻的两个特征峰，或者代表负极的、相邻的两个特征峰之间的距离，发生了相对缩短的变化，对应判断正极活性物质或者负极活性物质发生衰减。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种无损分析电池活性物质材料失效的方法，其可以在不破坏电池的情况下，快速分析判断电池的容量衰减的原因，获知是由正极活性物质失效还是负极活性物质失效引起的，有利于明确对电池的改善方向，方便下一步进行针对性的改善，具有重大的实践意义。

附图说明

图1为本发明提高的一种无损分析电池活性物质材料失效的方法的流程图；

图2为本发明提供的一种无损分析电池活性物质材料失效的方法，所应用的一种三电极电池的结构示意简图；

图3本发明提供的一种无损分析电池活性物质材料失效的方法，所应用的与三电极电池为同一体系的二电极电池的结构示意简图；

图4为对于本发明提供的种无损分析电池活性物质材料失效的方法，三电极电池在放电过程中，三电极电池及其正极、负极的容量电压微分曲线示意图；

图5为对于本发明提供的种无损分析电池活性物质材料失效的方法，二电极电池在放电过程中，二电极电池的容量电压微分曲线示意图；

图6为基于本发明提供的种无损分析电池活性物质材料失效的方法，在对一个二电极电池进行500周充放电循环的过程中，电池容量保持率变化示意图。

图7为本发明提供的种无损分析电池活性物质材料失效的方法，在对一个二电极电池进行500周充放电循环前后的过程中，二电极电池的容量电压微分曲线示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1至图7，本发明提供了一种无损分析电池活性物质材料失效的方法，包括以下步骤：

第一步、对三电极电池进行放电或充电测试，按照预设采集时间间隔，定时采集在测试过程中三电极电池的电池电压V和电池容量Q，以及正极电位V+和负极电位V-；

在本发明中，具体实现上，所述三电极电池包括正极、负极和参比电极。

具体实现上，所述参比电极不局限于锂片，可以为铂电极，甘汞电极等。

在第一步中，对三电极电池进行放电或充电测试，具体可以为：将以预设倍率进行放电或者充电测试，直至达到预设荷电状态；在放电或者充电过程中，采集电池的电压和容量数据。

在第一步中，具体实现上，所述预设采集间隔时间，小于Q/I/50，其中，Q为电池容量，I为放电或放电电流。

具体实现上，预设采集时间间隔为3秒，

在第一步中，具体实现上，充电或放电电流的大小为0.5C(电池容量)。

需要说明是，下面步骤中，涉及到的预设采集间隔时间，设置原理与第一步相同。

第二步、将三电极电池的正极电位V+、负极电位V-以及电池电压V，分别相对于电池容量Q做微分处理，对应获得正极的dV+/dQ数值、负极的dV-/dQ数值以及三电极电池的dV/dQ数值；

需要说明的是，三电极电池的dV/dQ＝正极的dV+/dQ与负极的dV-/dQ之和。如图2的曲线所示。

第三步、在同一个图中，以正极的dV+/dQ数值、负极的dV-/dQ数值以及电池的dV/dQ数值作为纵坐标，以电池容量Q为横坐标，分别绘制获得正极、负极和三电极电池的容量电压微分曲线(即三条曲线)；

第四步、通过正极和负极的容量电压微分曲线，在三电极电池的容量电压微分曲线上的叠加，识别确定三电极电池的容量电压微分曲线中分别代表正极和负极的特征峰；

在第四步中，具体实现上，根据正极和负极的容量电压微分曲线，与三电极电池的容量电压微分曲线上特征峰的重合程度(贡献大小)，来进行识别确定，从而能够建立三电极电池的特征峰数据库。

需要说明的是，三电极电池的容量电压微分曲线中的峰，主要反映的是活性物质在嵌锂和脱锂过程中的相变。三电极电池的容量电压微分曲线中的不同特征峰，代表的是不同活性物质材料的相变，通过特征峰的变化，能够判定活性物质的衰减情况。正极活性物质和负极活性物质材料在充放电的过程中，会发生结构相的变化。

第五步、对于与三电极电池为同一体系的、需要判断电池容量衰减原因的二电极电池(即普通的锂离子电池，只包括正极和负极两个电极)，采取与三电极电池同样的测试方式(例如对应也是放电或充电测试)，按照预设采集时间间隔，定时采集在测试过程中二电极电池的电池电压V1和电池容量Q1；

需要说明的是，在本发明中，同一体系的电池，是指使用相同的正极活性物质、负极活性物质材料，以及使用相同的电解液，所制作的电池。具体实现上，电池的形状、结构和电极的浆料涂敷量可以发生变化。对于同一体系的电池，电池的正极集流体和负极集流体优选为也相同，例如正极集流体均为铝箔，负极集流体均为铜箔，然后，在正极集流体和负极集流体上，分别涂覆相同的正极活性物质和负极活性物质。

例如，使用相同的正极活性物质、负极活性物质材料和电解液，制作成不同形状的一个圆形电池和一个方形电池，这时候，圆形电池和方形电池仍是同一体系电池。

再如，使用相同的正极活性物质、负极活性物质材料和电解液，制作成两种相同形状的方形电池，一种为卷绕是结构，一种为叠片式结构。这时候，这两种方形电池仍是同一体系电池。

又如，使用相同的正极活性物质、负极活性物质材料和电解液，制作成两种相同形状的方形电池，一种正极涂敷量为35mg/cm²,一种正极涂敷量为31mg/cm²,这两种方形电池仍是同一体系电池。

第六步、将二电极电池的电池电压V1，相对于电池容量Q1做微分处理，对应获得二电极电池的dV1/dQ1数值，然后以及二电极电池的dV1/dQ1数值作为纵坐标，以电池容量Q1为横坐标，绘制获得二电极电池的容量电压微分曲线(也可以称为未失效、不存在容量损失的二电极电池的容量电压微分曲线)；

第七步、将三电极电池的容量电压微分曲线，与二电极电池的容量电压微分曲线进行叠加对比，根据三电极电池的容量电压微分曲线中分别代表正极和负极的特征峰的具体位置，对应确定二电极电池的容量电压微分曲线中别代表正极和负极的特征峰的具体位置；

第八步、对于已部分失效电池，采取与三电极电池同样的测试方式(例如对应也是放电或充电测试)，按照预设采集时间间隔，定时采集在测试过程中该电池的电池电压V2和电池容量Q2；所述已部分失效的电池为经过预设多次充放电循环的二电极电池，即为已确定存在容量损失的二电极电池，其与前面所述的二电极电池的形状、构造和组分完全相同，只是由于多次充放电循环后，其内的活性物质衰减失效，存在电池容量损失；

在本发明中，在第八步中，所述已部分失效电池，为经过预设多次充放电循环操作(例如500次充放电循环)后所获得的二电极电池，或者其他原因导致容量部分失效的二电极电池。

第九步、将已部分失效电池的电池电压V2，相对于电池容量Q2做微分处理，对应获得已部分失效电池的dV2/dQ2数值，然后以及已部分失效电池的dV2/dQ2数值作为纵坐标，以电池容量Q2为横坐标，绘制获得已部分失效的容量电压微分曲线；

第十步、将已部分失效电池的容量电压微分曲线，与二电极电池(即失效前的电池)的容量电压微分曲线进行对比，根据两个曲线中代表正极的特征峰和代表负极的特征峰的变化情况，以及根据预先设定的正极失效或者负极失效对应导致的电池特征峰变化特征，对应判断获得已失效电池的容量衰减的原因，即获知具体是由哪种活性物质衰减导致(即具体是由正极活性物质失效还是负极活性物质衰减失效引起)。

在第十步中，具体实现上，具体的判断方式可以如下：

将已部分失效电池的容量电压微分曲线，与二电极电池的容量电压微分曲线相比较，如果已部分失效电池的容量电压微分曲线中具有的代表正极的、相邻的两个特征峰，或者代表负极的、相邻的两个特征峰之间的距离，发生了相对缩短的变化，对应判断正极活性物质或者负极活性物质发生衰减(即数量较少、失效)。

对于本发明，需要说明的是，电池电压的采集精度，需要大于或等于999.5‰。

需要说明的是，对于本发明提供的技术方案，除了适用于放电变化过程，同理也适用于充电过程对于正极和负极变化的分析，只要有充电或者放电过程中有相的变化。

对于本发明，该方法首先利用三电极电池分别采集正极及负极的容量电压微分曲线特征峰，再通过正极及负极的特征峰在全电池中的叠加，来识别全电池中分别代表正极及负极的特征峰，建立该种电池的特征峰数据库。然后通过失效电池的容量电压微分曲线中的正极和负极特征峰的变化，通过分析判断，判定活性物质衰减情况。该方法可以不破坏电池的情况下快速判定电池衰减原因，从而确定改善方向。

为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进一步说明。

实施例

对于本发明提供的一种无损分析电池活性物质材料失效的方法，其中，需要利用上三电极电池进行实施，

一，制作一个三电极电池。具体过程如下：

1、正极片的制作：将镍钴铝NCA三元材料、导电剂、聚偏氟乙烯(PVDF胶)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)按一定比例(例如，质量比为66:1.5:2:30.5)混合搅拌，然后涂布、碾压、剪切获得正极片。

2、负极片制作：将人造石墨、羧甲基纤维素钠(CMC)、导电剂、粘结剂和去离子水按照一定比例(例如，质量比为48:0.5:0.5:1:48)混合搅拌，然后涂布，碾压，剪切获得负极片。

3、三电极电池制备：参见图2所示，一个三电极电池包括电池壳体4、正极1、负极2和参比电极3。正极1、负极2和参比电极3依次放置，组装并封装于电池壳体4内，正极1和负极2之间、负极2和参比电极3之间设有隔膜5，参比电极3的参比电极极耳30与正极1的正极耳10、负极2的负极耳20，分别从电池壳体4引出，三电极电池需要有充裕的电解液(采用普通的、现有非水电解液即可，需要与二电极电池的电解液相同，

需要说明的是，电解液可以包括锂盐和无水溶剂，所述锂盐可以包括六氟磷酸锂LiPF6，所述电解液中六氟磷酸锂LiPF6的摩尔浓度为1.0mol/L；所述无水溶剂包括碳酸丙烯酯PC、碳酸乙烯酯EC、碳酸甲乙酯EMC，三者之间的体积比为1：1：3。

二，制作二电极电池，即普通的锂离子电池。

参见图3所示，二电极电池包括电池壳体4、正极1、负极2；其中，正极1、负极2依次放置，组装并封装于电池壳体4内，正极1和负极2之间设有隔膜5，正极1的正极耳10和负极2的负极耳20分别从电池壳体4中分别引出。

需要说明的是，二电极电池，为与三电极电池是同一体系的电池，其除没有参比电极3和参比电极极耳30之外，其他电池壳体4、正极1、负极2、隔膜以及电解液等电池的全部、各个组成部分，与前面所述的三电极电池应该保持一致。

三、运行本发明的方法，对三电极电池、二电极电池，分别进行分析测试。

首先，对三电极锂离子电池进行放电测试，采用0.05C的电流对锂离子电池进行放电，并每间隔30s左右采集一个数据点，获得非常详尽的锂离子电池放电数据，并且同步采集正极和负极的电位。

接着，对三电极电池的数据进行处理，为了便于处理，放电深度每增加0.5％取一个点。先将正极电位相对于电池容量数据做微分处理，得到放电过程中的正极的dV+/dQ数值；以电池容量Q为横轴，以dV+/dQ为纵坐标，绘制正极的容量电压微分曲线(即Q-dV+/dQ曲线)图。同样方法，再分别绘制负极的容量电压微分曲线(即Q-dV-/dQ)曲线图，以及绘制获得电池的容量电压微分曲线(即Q-dV/dQ曲线)图。

然后，再通过正极及负极的特征峰在全电池中的叠加，来判断识别全电池中正极及负极对应的特征峰，如图4所示。图4为对于本发明提供的种无损分析电池活性物质材料失效的方法，三电极电池在放电过程中，三电极电池及其正极、负极的容量电压微分曲线示意图。参见图4所示，

在图4中，特征峰1主要反映的是正极材料的相变，特征峰2则是由正极和负极的相变反应共同构成，但是主要还是以负极的相变为主，特征峰3、4和5则主要是反应负极在低SoC状态下的相变。

然后，通过普通的锂离子电池(即二电极电池)进行放电测试，采用0.05C的锂离子电池进行放电，并每30s左右采集一个数据点，获得非常详尽的锂离子电池充放电数据。为了便于处理，放电深度每增加0.5％取一个点。所述电压和容量数据做微分处理，得到放电过程中的dV1/dQ1数值；以Q1为横轴，以dV1/dQ1为纵坐标，绘制二电极电池的容量电压微分曲线(即Q1-dV1/dQ1曲线)图，如图5所示。图5为对于本发明提供的种无损分析电池活性物质材料失效的方法，二电极电池在放电过程中，二电极电池的容量电压微分曲线示意图。参见图4所示，

在图5中，特征峰1主要反映的是正极材料的相变，特征峰2则是由正极和负极的相变反应共同构成，但是主要还是以负极的相变为主，特征峰3、4和5则主要是反应负极的相变。

对于本发明，通过分别绘制失效前电池的容量电压微分曲线，和失效后(即经过多次充放电循环后)的容量电压微分曲线进行对比。并从曲线的差别判断失效原因。

下面，本发明将对何种材料失效导致的电池失效，进行举例分析判定。

一、若正极材料损失，当电池充满电时电池容量并没有达到初始的容量值，负极此时实际并未处于满电状态，因此对于负极而言放电过程中初始的SoC状态实际上是低于100％SoC的，但是本发明可以设定此状态为100％SoC，因此在放电过程中，容量电压微分曲线中受负极影响比较大的几个特征峰，如特征峰2、3、4和5就会发生向高SoC偏移(左)的现象。而正极材料由于活性物质的损失，因此正极材料的总容量降低，虽然开始的时候正极处于100％SoC状态，因此受正极影响的特征峰1并没有移动，但是，由于电池容量较低，因此放电的过程中正极的SoC状态降低速度要快于初始状态，因此导致受正极影响的两个特征峰1和2之间的距离变短。

二、若负极材料损失，由于负极活性物质变少，在充电过程中负极电位降低较快，导致正极在尚未达到设定截至电压时就因为电池达到充电设定截至电压而充电终止。于是在放电开始时，负极为100％SoC，正极不足100％SoC，因此，受正极影响较大的两个特征峰1和2会向左移动，特征峰1会部分消失，甚至消失，而受到负极影响较大的特征峰2、3、4和5则会因为负极活性物质的数量减少而相互之间的距离缩短。

对于本发明，具体实现上，可以将充放电循环500次的二电极电池，作为部分失效的电池进行分析。

对于二电极电池，其在经过500周充放电循环后，电池的容量衰减了11％，循环趋势如图6。图6为对一个二电极电池进行500周充放电循环的过程中，电池容量保持率变化示意图。同时，对循环前后的放电数据做容量电压微分曲线。如图7所示，从图中能够看到在容量电压微分曲线中，除了特征峰1之外的其他的特征峰，都出现了明显的左移的现象，如特征峰2、3、4和5就会发生向高SoC偏移(左)的现象。同时特征峰1和2之间的距离明显变短。与本发明推断的正极材料损失相同的表现，可以确认该电池是由正极材料的失效导致容量损失。

同时，具体实施上，为了进一步检验证明本发明的合理性和可行性，本申请人还对失效的二电极电池(即以上进行500周充放电循环的二电极电池)进行拆解，做成扣电，按照0.05C充放电制式进行充放电，正极材料克容量为168mAh/g,与初始的材料克容量相比，容量衰减11％，与全电池容量衰减一致。负极材料容量为克352mAh/g，与初始克容量相比，容量只衰减了1％。从正负极材料的克容量数据对比可以发现，电池容量的衰减是由于正极容量衰减导致。与本发明前面的技术方案，用容量电压微分曲线，通过Q-dV/dQ数据分析的结果一致。

对于本发明，电池容量电压微分曲线主要反应的是正负极活性物质在充放电过程中的相变，根据三电极电池，可以找出容量电压微分曲线中不同的特征峰所对应的相变，然后根据循环中或者存储过程中，容量电压微分曲线的变化趋势，本发明能够定性的推断出导致锂离子电池可逆容量损失的原因，为下一步对锂离子电池的改进设计提供参考。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种无损分析电池活性物质材料失效的方法，其可以在不破坏电池的情况下，快速分析判断电池的容量衰减的原因，获知是由正极活性物质失效还是负极活性物质失效引起的，有利于明确对电池的改善方向，方便下一步进行针对性的改善，具有重大的实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。