[发明专利]基于外加超声场的锂离子电池快充辅助方法及装置

说明书

本发明提供一种基于外加超声场的锂离子电池快充辅助方法，包括:在锂离子电池充电时，对锂离子电池施加能够穿透锂离子电池的超声波。进一步地，对于平板状结构的锂离子电池，所述超声波为超声纵波，施加方向为垂直于锂离子电池电极平面。本发明对于超声波频率、超声波发射功率进行了优化设定，并且根据锂离子电池的温度、荷电状态、当前充电电流动态调整超声波发射的时间间隔，节约了能耗。本发明还提出一种基于外加超声场的锂离子电池快充辅助装置，包括:控制器、超声激励信号发射器、超声换能器、温度传感器、电流传感器和多通道切换器等。

技术领域

本发明涉及化学电源技术领域，尤其是一种基于外加超声场的锂离子电池快充辅助方法及装置。

背景技术

锂离子二次电池又称“摇椅电池”，其主要工作原理是借由锂离子在电池正负极材料间来回嵌入脱出，实现可重复的充放电应用。锂离子电池作为一种先进的电化学储能技术，在储能电站、3C电子、电动汽车等领域得到了广泛应。然而，目前锂离子电池的性能尤其是能量密度难以完全满足实际应用的需求。不幸的是，当前商业化电池的能量密度已经接近于其理论比容量，提升空间有限。为此，人们另辟蹊径，将注意力转移到提升当前锂离子电池的充电速率上来，通过高速的充电来降低实际应用中对高能量密度的需求。

锂离子二次电池的充电速率主要受锂离子在其负极材料内的嵌入速率限制。以目前商业化锂离子电池最常用的负极材料石墨为例，它通过可逆的锂离子嵌入和脱出来实现电能和化学能之间的转化。充电过程中，锂离子从正极材料脱出，嵌入到石墨内。然而锂离子在石墨内的嵌入速率远小于正极材料中的脱出速率，电池充电过程中，若充电速率大于锂离子在石墨中的嵌入速率，来不及嵌入的锂离子便会在石墨负极表面以原子态的金属锂沉积，在石墨表面形成一层银灰色的物质，这种行为被称为石墨析锂。石墨析锂不仅会使锂离子电池的循环寿命大幅降低，还会限制其倍率性能，甚至有可能引起电池短路，继而引发电池起火爆炸等严重后果。

为了提高锂离子电池快充能力，目前主要有三种策略，第一种是对负极材料进行改性，通过掺杂、包袱、优化颗粒尺寸与形貌等方式，降低锂离子的嵌入难度，提高材料可承受嵌锂电流。然而这种方式的提升能力有限，且大大增加了电极材料生产工艺的复杂度，导致高昂的改性成本，难以商业应用。第二种是改进电解液，加入合适的电解液添加剂，通过添加剂与金属锂间的反应抑制金属锂的生成，然而这种方法不解决根本问题，随着锂电池的使用，添加剂不可逆的消耗，其效果大受影响。第三种是采用热效应，加热锂离子电池，在较高的温度下进行充电。由于高温能加速锂离子的扩散速率，这种方法可以一定程度的提升电池快充速率。然而在电池充电过程中维持较高的温度会带来大量的能量浪费。并且高温会加剧电池内部其他的副反应，减少电池的使用寿命。不仅如此，高温下充电还增加了锂离子电池热失控的风险，降低了充电安全性。

综上所述，锂离子电池快充过程主要受锂离子在负极材料中嵌入速率与扩散速率的限制，当充电电流大于锂离子嵌入速率与扩散速率时，会产生析锂现象，引起电池容量衰减、内阻升高甚至短路起火等问题。传统的提升锂离子负极嵌入速率改善快充性能的方法具有成本高，应用复杂，能耗高等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于外加超声场的锂离子电池快充辅助方法及装置，提高了锂离子电池充电过程中可承受的充电电流上限，并且显著改善了锂离子电池在低温环境下的快充能力。本发明采用的技术方案是：

本发明实施例提出一种基于外加超声场的锂离子电池快充辅助方法，包括：

在锂离子电池充电时，对锂离子电池施加能够穿透锂离子电池的超声波。

进一步地，对于平板状结构的锂离子电池，所述超声波为超声纵波，施加方向为垂直于锂离子电池电极平面；

进一步地，超声波频率根据锂离子电池的材料与厚度不同，满足f为超声波频率，d为锂离子电池厚度，η为受电池材料与工艺影响的特征参数；