[发明专利]基于三电极体系的商用锂离子电池电极退化分析方法

说明书

本发明公开一种基于三电极体系的商用锂离子电池电极退化分析方法，具体方法为：1)基于商用三电极装置，选取合适的电极材料，制作三电极电池；2)对三电极电池进行循环性能和电化学阻抗谱测试，并同步监测电池正、负极电压及阻抗；3)构建电池电压、负极电压和电池容量的关系模型，根据电池电压分析锂沉积发生时间；4)计算不同扫描频率下单电极与电池阻抗幅值的相关系数，分别选取单电极与电池阻抗幅值相关系数最高的两个频率作为阻抗特征频率，通过监测该频率下的电池阻抗，分析各电极阻抗变化趋势。本发明提供了一种新的商用锂离子电池电极分析方法，基于三电极体系建立电池外特征和电极退化行为的关系模型，实现电极在线退化分析。

技术领域

本发明涉及一种基于三电极体系的商用锂离子电池电极退化分析方法，属于锂离子电池测试评估技术领域。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、体积小等优点，目前已广泛应用于便携式电子产品(如手机、笔记本电脑、手用工具)和交通运输设备(如纯电动汽车、混合电动汽车)中，在这些设备中起着核心供电作用。然而，在锂离子电池商业应用中，其退化及安全问题是制约市场发展的重要因素之一。锂离子电池在充放电循环使用过程中，电池内部发生副反应，导致电池内阻增大，性能退化甚至失效，影响设备的安全运行，甚至导致灾难性故障。因此，有效分析锂离子电池退化机理，对建立电池退化模型、优化控制策略、延长电池寿命以及提高电池可靠性具有重要意义。

研究人员提出了多种电池退化分析方法。X射线衍射、扫描电镜等方法作为有损检测手段，需要将电池拆卸，不能用于测试正在工作的电池。数值建模方法可以为电池退化行为提供机理性解释，但其通常含有复杂的电化学方程，难以在实际应用中建立。基于电测试的方法可有效地对设备中的商用电池进行无损退化分析。然而，商用电池仅有两个电极(正极和负极)，限制了对电池退化信息的有效挖掘，无法直接分析电池内部电极退化特性，从而无法辨识由单电极导致的电池性能退化。

常用的单电极退化行为分析手段包括半电池和三电极电池。半电池使用商用电池中的正极或负极作为工作电极，使用锂金属作为对电极构造电池，仅能单独分析正极或负极的特性，无法原位复现电池中的实际电化学反应。与普通两电极系统相比，三电极电池具有额外的参比电极，该参比电极具有稳定电位。利用三电极电池可以原位识别单电极的性能，但目前研究集中在不同工作条件下电极阻抗和电压的演变，而较少有针对整个电池退化过程中单电极的性能研究。

由此可见，目前对电池整体退化和电极退化的研究相对独立。大多数商用电池只有两个电极，并没有参比电极，因此开发出一种通过测量商用电池信号来在线评估电极退化的方法尤为重要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于三电极体系的商用锂离子电池电极退化分析方法，基于三电极体系构建电池内部电极与外部特征参数的关系模型，从而在实际电池系统中，通过监测电池外特征参数，反推电池内部电极衰退机理，以实现电池电极退化在线分析。

本发明为解决其技术问题，采用如下技术方案：

基于三电极系统的商用锂离子电池电极退化分析方法，包括如下步骤：

步骤1、基于商用三电极装置，使用商用LiFePO₄电极作为正极材料，商用石墨电极作为负极材料，锂金属作为参比电极，聚丙烯薄膜作为隔膜，EC∶DMC(体积比为1∶1)作为电解液，组装制作三电极电池。

步骤2、使用Arbin BT 2000电池测试仪对三电极电池进行循环性能测试，循环测试流程为采用1mA对电池进行恒流充电至3.6V，然后继续采用恒压充电直至电流降至0.1mA，静置1小时后，采用1mA对电池进行放电直至电池电压降至2.5V，每一次循环放电后，静置1小时，使用德国Zahner公司的IM6电化学工作站进行电池和电极电化学阻抗谱测试，扫描频率范围为1MHz至0.01Hz，电压幅度为10mV。