一种计算预锂电池预锂量阈值及其容量的方法与流程

本发明属于锂电池电芯，尤其涉及一种计算预锂电池预锂量阈值及其容量的方法。

背景技术：

1、动力电池作为电动汽车的驱动力的来源，直接关系到其续航里程、安全性能等问题，提高动力电池能量密度将延长电动汽车的续航里程，对发展电动汽车技术具有非常重要的意义。

2、锂电池在首次充放电过程中，会出现大量不可逆容量产生，即放电容量小于充电容量，两者的比值为首效。对于电池正极，不可逆容量主要是材料首次脱锂结构发生变化，减少了材料中可嵌锂位置，造成容量损失；对于负极，不可逆容量主要是在负极活性材料表面形成sei膜，消耗部分锂源，造成容量损失。预锂作为提升电池首效一种手段，补锂技术一般分为正极或负极补锂以及化学补锂离子。正极补锂通过在主材中添加少量镍酸锂（lno）、铁酸锂（lfo）、li3n等活性锂释放较多但首效较低的材料，来补充全电的活性锂；对于负极补锂，主流采用的是锂箔或锂金属粉进行补充活性锂离子其主要是补充因sei膜损失的部分锂源，现多用于硅基、硬碳等负极不可逆容量高的体系中。

3、近年来预锂研究有了更多进展，采用的预锂剂更安全有效，首效更高，例如专利cn117059804a和cn114221022a公开了一种新颖的化学预锂剂，为锂金属和联苯制得的li-联苯溶液；预锂化添加剂具有较低的氧化还原电位，可以自发与硅基负极反应，实现锂离子在硅负极的预嵌，同时能够优先在硅基负极表面形成有效的sei膜，形成的sei具有致密富有弹性的lixsioy，减少正极和电解液中活性锂的消耗，进而提高电池的首次库伦效率和循环性能；预锂方式更为科学，如cn103208612a公开了负极片补锂的方法。总之现有技术公开的技术多为预锂剂结构，预锂方式和预锂后首效、容量增量，极少有对预锂量控制的报道。预锂随着预锂量的增多，首效不断提升，但到达一定量时，首效将不再提升，未消耗的锂源会带来膨胀、阻抗大等问题，导致电池循环寿命缩短，安全风险增大，且一定程度增加了成本。在实际软包电池设计中，预锂量远过量或仅考虑负极sei膜损失量，而往往忽略正极因结构改变带来的回嵌锂位减小，因此，开发一种能精确计算预锂电池预锂量阈值的方法显得尤为重要。

技术实现思路

1、本发明专利的目的是提供一种计算预锂电池预锂量阈值及其容量的方法，区别于传统预锂远过量或仅考虑负极不可逆容量，本发明预锂电池预锂量阈值的计算考虑了正极、负极及全电池的容量发挥，精准科学，提升其首效的同时保证了电池的循环寿命。

2、本发明是通过以下技术方案来实现的：

3、一种计算预锂电池预锂量阈值及其容量的方法，所述方法包括如下步骤：

4、（1）组装半电池：正、负极活性材料在惰性气氛中组装成正、负极活性材料半电池，分别将正、负极活性材料和锂片组装成半电池，正、负极片组成和全电池保持一致，操作环境严控水分和氧含量；

5、（2）半电池测试：分别对步骤（1）所述正、负极活性材料半电池进行测试，得正、负极活性材料半电池充、放电克容量c，计算正、负极不可逆克容量c正极不可逆、c负极不可逆，c正极不可逆=c正极充电-c正极放电，c负极不可逆=c负极放电-c负极充电；

6、（3）预锂电池设计：根据预期电池容量计算正、负活性材料需求量m；正极活性材料需求量为：m正极=预期电池容量/c正极放电，负极活性材料需求量为：m负极=预期电池容量/c负极充电；

7、（4）预锂量阈值计算：m预锂量=(m负极c负极不可逆-m正极*c正极不可逆)/c补锂剂，其中c补锂剂为锂粉或者锂箔的克容量3868.5mah/g，预锂量应不大于计算的阈值；

8、步骤（1）中纽扣半电池极片组成与全电池保持一致，组成包括正极或负极活性材料、导电剂、粘结剂和电解液。

9、步骤（2）充放电采用室温下0.01-2c充放电，测试电压窗口负极为0-2v，正极为1-4.3v。

10、步骤（2）正、负极活性材料充放电克容量均为首圈充放电。

11、步骤（3）中电池正极活性材料为钴酸锂、镍钴锰酸锂或磷酸铁锂；负极活性材料为硅碳和/或硬碳。

12、步骤（3）中为防止析锂，负极容量设计过量，即m负极*c负极充电≥m正极*c正极放电。

13、步骤（3）优选的负极容量过量0-5%。

14、步骤（4）中补锂剂为锂箔、锂粉中的一种或两种。

15、预锂电池全电池容量的计算：全电池容量=min(m正极*c正极充电，m负极*c负极放电)-max(m正极*c正极不可逆，m负极*c负极不可逆)+m补锂剂*c补锂剂，其中m补锂剂为实际补锂量。

16、所述m正极为正极需求量：m正极=预期电池容量/c正极放电；c正极放电为正极活性材料半电池放电克容量；

17、所述m负极为负极需求量：m负极=预期电池容量/c负极充电，c负极充电为负极活性材料半电池充电克容量；

18、分别对正、负极活性材料半电池进行测试，得正、负极活性材料半电池充、放电克容量c，计算正、负极不可逆克容量c正极不可逆、c负极不可逆，c正极不可逆=c正极充电-c正极放电，c负极不可逆=c负极放电-c负极充电；m补锂剂为设计补锂量，c补锂剂为补锂剂的克容量。

19、所述设计补锂量m补锂剂为预锂阈值m预锂量的80-100%。

20、有效性验证：首圈充放电后，对比预锂电池和正常电池电化学阻抗谱数据。预锂量不大于阈值时，预锂电池和正常电池电荷传递阻抗（rct）值相当，表明预锂在首圈充放电过程中已消耗完，当预锂量大于阈值时，预锂电池rct值较正常电池的大，表明预锂在首圈充放电过程中未消耗完，仍附着于极片表面。

21、本发明具有以下益效果：

22、本发明提供的预锂电池预锂量阈值及其容量的计算方法，针对首效低的负极材料，例如硅碳、硬碳等，通过外加锂源补充因固体电解质界面膜（sei）形成消耗的部分锂，但传统研究预锂量仅考虑了负极的消耗，忽略了正极，本专利阈值计算对比了负极sei膜消耗锂，正极因脱锂结构改变，减少回嵌锂位置，更精准的得出负极预锂量阈值，使得预锂电池外加锂源完全被利用，在提升容量的同时保证了其循环寿命，并根据实际补锂量计算出预锂电池的全电池容量。

技术特征：

1.一种计算预锂电池预锂量阈值的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的计算预锂电池预锂量阈值的方法，其特征在于，步骤（1）中半电池组成与全电池保持一致，组成包括正极或负极活性材料、导电剂、粘结剂和电解液。

3.根据权利要求1所述的计算预锂电池预锂量阈值的方法，其特征在于，步骤（1）中电池正极活性材料为钴酸锂、镍钴锰酸锂或磷酸铁锂；负极活性材料为硅碳和/或硬碳。

4.根据权利要求3所述的计算预锂电池预锂量阈值的方法，其特征在于，步骤（2）充放电采用室温下0.01c-2c充放电，测试电压窗口负极为0v-2v，正极为1-4.3v。

5.根据权利要求3所述的计算预锂电池预锂量阈值的方法，其特征在于，步骤（2）正、负极活性材料充放电克容量均为首圈充放电。

6.根据权利要求5所述的计算预锂电池预锂量阈值的方法，其特征在于，步骤（3）中负极容量设计过量，即m负极*c负极充电≥m正极*c正极放电。

7.根据权利要求6所述的计算预锂电池预锂量阈值的方法，其特征在于，步骤（3）优选的负极容量比正极容量过量0-5%。

8.根据权利要求7所述的计算预锂电池预锂量阈值的方法，其特征在于，步骤（4）中补锂剂为锂箔和/或锂粉。

9.一种计算预锂电池全电池容量的方法，其特征在于，全电池容量=min(m正极*c正极充电，m负极*c负极放电)-max(m正极*c正极不可逆，m负极*c负极不可逆)+m补锂剂*c补锂剂；

10.根据权利要求9所述的计算预锂电池全电池容量的方法，其特征在于，设计补锂量m补锂剂为预锂阈值m预锂量的80-100%。

技术总结
本发明属于锂电池电芯技术领域，尤其涉及一种计算预锂电池预锂量阈值及其容量的方法，包括以下步骤：组装半电池；测试半电池正、负极材料的充、放电克容量C；计算正、负极不可逆克容量；根据预期电池容量计算正、负活性材料需求量M；预锂量阈值计算：M<subgt;预锂量</subgt;=(M<subgt;负极</subgt;C<subgt;负极不可逆</subgt;‑M<subgt;正极</subgt;*C<subgt;正极不可逆</subgt;)/C<subgt;补锂剂</subgt;；预锂电池容量计算：全电池容量=Min(M<subgt;正极</subgt;*C<subgt;正极充电</subgt;，M<subgt;负极</subgt;*C<subgt;负极放电</subgt;)‑Max(M<subgt;正极</subgt;*C<subgt;正极不可逆</subgt;，M<subgt;负极</subgt;*C<subgt;负极不可逆</subgt;)+M<subgt;补锂剂</subgt;*C<subgt;补锂剂</subgt;；首圈充放电后，预锂电池和正常电池作EIS数据对比验证有效性；本发明的方法考虑全面，能精准控制预锂量，减少预锂量，降低成本，提高电池首效和循环性能。

技术研发人员：李蒙,霍锋,杨幸遇,梁栋,巩文豪
受保护的技术使用者：龙子湖新能源实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21