测试锂离子扩散系数方法与流程

本发明属于锂电池测试领域，具体涉及一种测试锂离子扩散系数方法。

背景技术：

1、近年来随着锂离子电池应用范围不断扩大，对于锂离子电池机理研究以及相关性能模拟仿真受到了广泛关注，锂离子电池中锂离子扩散系数对于电池性能建模仿真起到关键作用，目前锂离子扩散系数的测试方法分为电化学间接测定和物理方法直接测定，其中电化学间接测定中恒电流间歇滴定技术是最为常用的一种测试方法，是通过测定电池平衡电位进而计算扩散系数，因此平衡电位的测试结果准确性对扩散系数的计算存在重要意义。

2、恒电流间歇滴定技术是指在一定的时间间隔用恒定电流对电池(通常采用扣式半电池)进行充电或者放电，记录充放电过程中的电压变化以及该状态下的平衡电位，平衡电位是指电压不再变化的电位。目前所使用的测试流程通常采用全电压区间循环次数或者电压截至，测试流程为从空电态以恒定电流充一定时间后搁置，截至条件为循环次数或者电池满电态电压，该测试方法存在如下问题：

3、平衡电位测定准确性不足。电池电压随充放电变化的速率不同，因此电池在不同阶段达到平衡电位的时间不同，使用全电压区间循环次数或者电压截至时，设置的搁置时间通常可以使电压变化较缓慢阶段达到平衡，而电压变化较快速的阶段有时会难以达到平衡，影响了测试结果准确性，若延长搁置时间则会延长测试周期，增加测试时间成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的缺点，提供一种测试锂离子扩散系数方法，根据电池充电过程中电压-充电/放电时间曲线变化速率，将充电/放电分为多个阶段，以脉冲电流恒流充电/放电，直至电压达到上限电压/下限电压；每个阶段充电/放电中，充电/放电预定时间后静置预定时间，然后根据电池电压判断是否进入下一阶段充电/放电，若是，则进行下一阶段充电/放电流程；若否，则继续本阶段的充电/放电，直到达到本阶段电压上限值/下限值；充电/放电完成后测试结束，绘制电压-充电/放电时间曲线，计算得到电池充电平衡电位，即测试锂离子扩散系数。

2、本发明第一方面，提供一种测试锂离子扩散系数方法，根据电池充电过程中电压-充电时间曲线变化速率，将充电分为多个阶段，设化成之后电池起始空电电压为a1，以脉冲电流ia恒流充电，第一阶段电压范围为a1-a2、第二阶段电压范围为a2-a3、第三阶段电压范围为a3-a4……，直至电压达到上限电压an；每个阶段充电中，充电预定时间后静置预定时间，然后判断电池电压是否大于该阶段的电压上限值，若是，则进行下一阶段充电流程；若否，则继续充电，直到达到本阶段电压上限值；充电完成后测试结束，绘制电压-充电时间曲线，得到电池充电平衡电位；利用下式计算测试锂离子扩散系数：

3、

4、式中，d是扩散系数，τ是脉冲时间；nm是电极材料的摩尔数；vm是电极材料的摩尔体积；s是电极与电解质的接触面积；δes是脉冲电流引起的电压变化；δet是恒电流充电的电压变化。

5、其中，多个充电阶段的过程如下：

6、(1)以脉冲电流ia对电池进行恒流充电5-60min，静置时间为t1；

7、(2)对电池电压进行判定，当电压＜a2时，则重复步骤(1)的操作；当电压≥a2时，则进行步骤(3)；

8、(3)以脉冲电流ia对电池进行恒流充电5-60min，静置时间为t2；

9、(4)对电池电压进行判定，当电压＜a3时，则重复步骤(3)的操作；当电压≥a3时，则进行步骤(5)；

10、(5)以脉冲电流ia对电池进行恒流充电5-60min，静置时间为t3；

11、(6)对电池电压进行判定，当电压＜a4时，则重复步骤(5)的操作；当电压≥a4时，则进行下一次充电以及静置；

12、重复以上步骤，直至电池达到上限电压an。

13、其中，所述脉冲电流ia为0.01c-0.1c，优选的，所述脉冲电流ia为0.05c。

14、其中，每个阶段中，以脉冲电流ia对电池恒流充电5-60min，静置时间为t，其中，每个阶段的静置时间t根据电池电压变化速率改变，电压随时间变化较快的阶段静置时间长，电压随时间变化较慢的阶段搁置时间相对缩短，不同的阶段的静置时间可以是60min、120min、180min、240min、300min中的一种或者几种。

15、其中，根据充电斜率值k,将充电分为n个阶段,当k＞1或者k＜-1则进行下一阶段。

16、本发明第二方面，提供另一种测试锂离子扩散系数方法，根据电池放电过程中电压-放电时间曲线变化速率，将放电分为多个阶段，设化成之后电池起始满电电压为b1，以脉冲放电流ib恒流放电，第一阶段电压范围为b1-b2、第二阶段电压范围为b2-b3、第三阶段电压范围为b3-b4……，直至电压达到下限电压bn；每个阶段放电中，放电预定时间后静置预定时间，然后判断电池电压是否大于该阶段的电压下限值，若是，则继续放电，直到达到本阶段电压下限值；若否，则进行下一阶段放电；放电完成后测试结束，绘制电压-放电时间曲线，得到电池放电平衡电位；利用下式计算测试锂离子扩散系数：

17、

18、式中，d是扩散系数，τ是脉冲时间；nm是电极材料的摩尔数；vm是电极材料的摩尔体积；s是电极与电解质的接触面积；δes是脉冲电流引起的电压变化；δet是恒电流放电的电压变化。

19、其中，多个放电阶段的过程如下：

20、(1)以脉冲电流ib对电池进行恒流放电5-60min，静置时间为t1；

21、(2)对电池电压进行判定，当电压＞b2时，则重复步骤(1)的操作；当电压≤b2时，则进行步骤(3)；

22、(3)以脉冲电流i b对电池进行恒流放电5-60min，静置时间为t2；

23、(4)对电池电压进行判定，当电压＞b3时，则重复步骤(3)的操作；当电压≤b3时，则进行步骤(5)；

24、(5)以脉冲电流i b对电池进行恒流放电5-60min，静置时间为t3；

25、(6)对电池电压进行判定，当电压＞b4时，则重复步骤(5)的操作；当电压≤b4时，则进行下一次放电以及静置；

26、重复以上步骤，直至电池达到下限电压bn。

27、其中，所述脉冲电流i b为0.01c-0.1c，优选的，所述脉冲电流i b为0.05c。

28、其中，每个阶段中，以脉冲电流ib对电池恒流放电5-60min，静置时间为t，其中，每个阶段的静置时间t根据电池电压变化速率改变，电压随时间变化较快的阶段静置时间长，电压随时间变化较慢的阶段搁置时间相对缩短，不同的阶段的静置时间可以是60min、120min、180min、240min、300min中的一种或者几种。

29、其中，根据放电斜率值k,将放电分为n个阶段,当k＞1或者k＜-1则进行下一阶段。

30、本技术的测试过程提高了平衡电位测试准确性、并缩短了测试时间。测试过程中将电位变化快的部分适当延长搁置时间，使其最终获得的平衡电位更准确；电位变化慢的部分适当缩短时间，短时间内也可以获得准确的平衡电位，与全电压区间的循环次数或者电压截止相比，本技术的技术方案测试结果更准确更高效，单次测试时间总体节约至少44h。