專利名稱：一種判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋰離子電池的制作選材，具體涉及一種簡單快速判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法。
背景技術(shù)：
隨著各種便攜式電子設(shè)備及電動汽車的廣泛應(yīng)用及快速發(fā)展，對化學(xué)電源的需求和性能要求也相應(yīng)提高，鋰離子電池以其高功率特性、無記憶效應(yīng)等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于移動電子終端設(shè)備領(lǐng)域?，F(xiàn)有的鋰離子電池循環(huán)性能測試一般是將所選負極材料與正極材料制作成成品電池再進行實際的充放電循環(huán)性能測試，中國專利申請200620151415. X揭示了一種用于測試成品電池循環(huán)性能的設(shè)備，該設(shè)備包括電池支架，電池支架兩側(cè)對應(yīng)設(shè)有定位孔，分別定位電池正極探針與電池負極探針，電池正極探針與電池負極探針前端同軸向相對設(shè)置； 設(shè)有固定螺母將電池正極探針固定于電池支架的一側(cè)，電池正極探針末端與測試正極連接線相連接；設(shè)有伸縮調(diào)節(jié)螺母將電池負極探針定位于電池支架的另一側(cè)，并用固定螺母固定，電池負極探針末端與測試負極連接線相連接。該設(shè)備用于將電池置于工裝直接進行測試。但是，現(xiàn)有的鋰離子電池循環(huán)性能測試需制作成品電池，在專用的設(shè)備上反復(fù)沖放電進行循環(huán)性能測試，成本高并且耗時長?，F(xiàn)有關(guān)于鋰離子電池壽命衰減機理的研究很多，導(dǎo)致鋰離子電池壽命衰減的因素包括正極材料與電解液之間的反應(yīng)、電解液與負極材料之間的反應(yīng)，以及電解液箔材之間的反應(yīng)，電池內(nèi)部反復(fù)的充放電活動導(dǎo)致活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或脫落，因此采用不同的負極材料對應(yīng)的二次電池使用壽命也不同。因此，如何快速準確地預(yù)測鋰離子電池循環(huán)沖放電的性能，判斷電池成品的使用壽命成為目前業(yè)界亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種簡單快速判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法。實現(xiàn)所述目的的技術(shù)方案是一種判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，包括以下步驟檢測并獲取鋰離子電池負極材料的物理性能指標；由物理性能指標確定負極材料的層間距；建立層間距與鋰離子電池沖放循環(huán)次數(shù)之間的測算關(guān)系。該測算關(guān)系為=Y = 1206. 6*Χ2-808· 63氺Χ+136. 35，其中，X代表層間距，Y代表鋰離子電池沖放循環(huán)次數(shù)預(yù)測值。優(yōu)選的，該物理性能指標為射線衍射(XRD)測試獲得的晶胞參數(shù)。采用射線衍射(XRD)測試的層間距計算公式為Dl = 0.89 λ/(B cos Θ)，其中，λ為X射線的波長，B為衍射峰的半高寬，θ為衍射角)或者，該物理性能指標為射線衍射(XRD)、比表面積(BET)、掃描電子顯微鏡(SEM) 的一種或幾種測試獲得的晶胞參數(shù)。
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不同的晶系，層間距計算公式不同，具體如下對于立方晶系的負極材料，層間距的計算公式為d2 = a/(h2+k2+l2)。對于正方晶系的負極材料，層間距的計算公式為1/d2 = (h2+k2)/a2+l2/c2。對于六方晶系的負極材料，層間距的計算公式為1/d2 = 4(h2+k2+hk)/3a2+l2/c2。對于正交晶系的負極材料，層間距的計算公式為1/d2 = h2/a2+k7b2+l2/C2。對于三方晶系的負極材料，層間距的計算公式為1/d2 = 4 (h2+k2+hk) /3a2+l2/c2。對于單斜晶系的負極材料，層間距的計算公式為11 d2(hkl) = h1 j a1 sin2 β + k21b1 +I2 Ic2 sin2 β _ 2hlcos β/acsin2 β。其中，β為衍射角，a、b、c為晶胞參數(shù)，h、k、l分別是晶胞xyz軸的高度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是本發(fā)明的判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，通過檢測鋰離子電池負極材料的物理性能指標；由物理性能指標確定負極材料的層間距；建立層間距與鋰離子電池沖放循環(huán)次數(shù)之間的測算關(guān)系，可快速判斷出鋰離子電池的可循環(huán)沖放次數(shù)，不需要將負極材料制作成電池通過實際的充放電操作來得出電池的循環(huán)性能，大大節(jié)約了電池循環(huán)性能的測試時間和測試成本而且也更便于負極材料選材從而制作壽命更長的鋰離子電池，以解決電動車、航天器件等領(lǐng)域?qū)﹂L壽命的鋰離子電池的迫切需求。進一步地，通過各個具體實施方式
的技術(shù)方案，帶來如下的有益效果本發(fā)明的判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，在層間距和電池沖放循環(huán)次數(shù)之間建立曲線的測算關(guān)系，測算簡單。本發(fā)明的判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，針對不同層間距的負極材料，制作半電池進行100次循環(huán)性能測試，建立容量保持率和循環(huán)次數(shù)的平滑曲線，再由若干曲線歸納出判斷循環(huán)性能的測算關(guān)系，電池循環(huán)性能判斷準確。本發(fā)明的判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，可僅由射線衍射(XRD)測試獲得的層間距，簡化循環(huán)性能判斷過程。本發(fā)明的判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，基于物理性能指標的晶胞參數(shù)提供了若干晶系的層間距計算方法，為電池循環(huán)性能判斷提供更多途徑。


下面通過實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明圖1是實施例一中層間距為0. 3358納米負極材料的射線衍射(XRD)測試圖譜；圖2是實施例二中層間距為0. 3361納米負極材料的射線衍射(XRD)測試圖譜；圖3是實施例三中層間距為0. 3364納米負極材料的射線衍射(XRD)測試圖譜；圖4是實施例四中層間距為0. 344納米負極材料的射線衍射(XRD)測試圖譜；圖5是實施例一中層間距為0. 3358納米負極材料的循環(huán)性能曲線圖6是實施例二中層間距為0. 3361納米負極材料的循環(huán)性能曲線圖；圖7是實施例三中層間距為0. 3364納米負極材料的循環(huán)性能曲線圖；圖8是實施例四中層間距為0. 344納米負極材料的循環(huán)性能曲線圖。
具體實施例方式本實施方式涉及一種判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，本方法中，在得到一種鋰離子電池的負極材料后，通過測試其物理性能指標，如XRD、BET、SEM等獲取晶胞參數(shù)，建立物理性能指標與沖放循環(huán)次數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，即可判斷出負極材料循環(huán)性能的優(yōu)劣。該方法可快速判斷出鋰離子電池的循環(huán)沖放次數(shù)，不需要將負極材料制作成電池通過實際的充放電操作來得出電池的循環(huán)性能，大大節(jié)約了電池循環(huán)性能的測試時間和測試成本而且也更便于負極材料選材從而制作壽命更長的鋰離子電池，以解決電動車、航天器件等領(lǐng)域?qū)﹂L壽命的鋰離子電池的迫切需求。該方法主要包括以下步驟檢測并獲取鋰離子電池負極材料的物理性能指標；由物理性能指標確定負極材料的層間距d ；建立層間距d與鋰離子電池沖放循環(huán)次數(shù)之間的測算關(guān)系(參見公式8)。該測算關(guān)系(參見公式8)是通過對若干負極材料制作成半電池進行若干次循環(huán)性能測試，建立容量保持率和循環(huán)次數(shù)的平滑曲線，再由若干曲線歸納而出的，電池循環(huán)性能判斷準確。每次循環(huán)性能測試的過程大致如下1、首先測試所選負極材料的物理性能指標，如采用射線衍射(XRD)，并計算該負極材料的層間距d ；2、再將該負極材料與一定量的金屬作為對電極B，做成半電池，測試使用該負極材料半電池的循環(huán)性能，得到容量保持率和循環(huán)次數(shù)的平滑的循環(huán)性能曲線；3、最后得到層間距與材料循環(huán)性能的測算關(guān)系式。4、得到該測算關(guān)系式后，對于其它負極材料，在測試對應(yīng)的物理性能指標之后，可以套用該測算關(guān)系式來判定該負極材料的循環(huán)性能。其中，該負極材料主要是指石墨類負極材料或者其它負極材料；該對電極B的金屬材質(zhì)為鋰片或者其它種類的金屬鋰或是鋰合金；該物理性能指標是指射線衍射(XRD)、 比表面積(BET)、掃描電子顯微鏡(SEM)的一種或幾種測試獲得的晶胞參數(shù)。優(yōu)選的，該物理性能指標為射線衍射(XRD)測試獲得的晶胞參數(shù)。采用XRD，可不需要在測試負極材料的BET或者SEM即可算出層間距d。采用射線衍射(XRD)測試的層間距計算公式為Dl = 0.89 λ/(B cos θ )(公式 1)其中，λ為X射線的波長，B為衍射峰的半高寬，θ為衍射角?；蛘撸撐锢硇阅苤笜藶樯渚€衍射(XRD)、比表面積(BET)、掃描電子顯微鏡(SEM) 的一種或幾種測試獲得的晶胞參數(shù)。不同的晶系，層間距計算公式不同，具體如下對于立方晶系的負極材料，層間距的計算公式為d2 = a/ (h2+k2+l2)(公式 2)
對于正方晶系的負極材料，層間距的計算公式為1/d2 = (h2+k2)/a2+l2/c2(公式 3)對于六方晶系的負極材料，層間距的計算公式為1/d2 = 4 (h2+k2+hk) /3a2+l2/c2(公式 4)對于正交晶系的負極材料，層間距的計算公式為1/d2 = h2/a2+k2/b2+l2/c2(公式 5)對于三方晶系的負極材料，層間距的計算公式為1/d2 = 4 (h2+k2+hk) /3a2+l2/c2(公式 6)對于單斜晶系的負極材料，層間距的計算公式為χ / d2(hkl) = h21 a2 sin2 β+ k21 b2+ I2 Ic2 sin2 β _ 2hl cos β / ac sin2 β (公式 7)其中，β為衍射角，a、b、c為晶胞參數(shù)，h、k、l分別是晶胞xyz軸的高度。以下推演測算關(guān)系的實施方式中，建立循環(huán)性能曲線的循環(huán)次數(shù)為100次，所選負極材料的層間距范圍為0. 335 ^ X ^ 0. 344，X代表層間距，單位為納米。實施例一1、測量所選負極材料的XRD，請參考圖1所示的負極材料的射線衍射(XRD)測試圖譜，并通過層間距計算公式(參見公式1-7)得出層間距，實施例一中的層間距為0. 3358納米，可由公式得出或者由XRD軟件直接算出；2、稱量100克石墨、2. 5克導(dǎo)電劑、1. 5克分散劑和4克增稠劑溶解于一定量的水中，然后按照要求進行涂布，經(jīng)過烘烤之后，得到實驗所需的負極片A ；3、按比例稱量一定量金屬鋰片，除去表面的氧化層作為對電極B，并與極片A組裝成半電池進行循環(huán)性能測試，其循環(huán)性能曲線如圖5所示。實施例二 1、測量所選負極材料的XRD，請參考圖2所示的負極材料的射線衍射(XRD)測試圖譜，并通過層間距計算公式(參見公式1-7)得出層間距，實施例二中的層間距為0. 3361納米，可由公式得出或者由XRD軟件直接算出；2、稱量100克石墨、2. 5克導(dǎo)電劑、1. 5克分散劑和4克增稠劑溶解于一定量的水中，然后按照要求進行涂布，經(jīng)過烘烤之后，得到實驗所需的負極片A ；3、按比例稱量一定量金屬鋰片，除去表面的氧化層作為對電極B，并與極片A組裝成半電池進行循環(huán)性能測試，其循環(huán)性能曲線如圖6所示。實施例三1、測量所選負極材料的XRD，請參考圖3所示的負極材料的射線衍射(XRD)測試圖譜，并通過層間距計算公式(參見公式1-7)得出層間距，實施例三中的層間距為0. 3364納米，可由公式得出或者由XRD軟件直接算出；2、稱量100克石墨、2. 5克導(dǎo)電劑、1. 5克分散劑和4克增稠劑溶解于一定量的水中，然后按照要求進行涂布，經(jīng)過烘烤之后，得到實驗所需的負極片A ；3、按比例稱量一定量金屬鋰片，除去表面的氧化層作為對電極B，并與極片A組裝成半電池進行循環(huán)性能測試，其循環(huán)性能曲線如圖7所示。實施例四1、測量所選負極材料的XRD，請參考圖4所示的負極材料的射線衍射(XRD)測試圖譜，并通過層間距計算公式(參見公式1-7)得出層間距，實施例二中的層間距為0. 344納米，可由公式得出或者由XRD軟件直接算出；2、稱量100克石墨、2. 5克導(dǎo)電劑、1. 5克分散劑和4克增稠劑溶解于一定量的水中，然后按照423048AHJ的工藝要求進行涂布，經(jīng)過烘烤之后，得到實驗所需的負極片A ；3、按比例稱量一定量金屬鋰片，除去表面的氧化層作為對電極B，并與極片A組裝成半電池進行循環(huán)性能測試，其循環(huán)性能曲線如圖8所示。圖5至圖8為不同層間距的負極材料的循環(huán)性能曲線，以實施例四的容量保持率最好，材料的層間距大小為0. 344納米，循環(huán)100次的容量保持率為96. 53% ；其中，實施例一負極材料的層間距為0. 3358納米，100次循環(huán)測試后的容量保持率為86. 70%;實施例二負極材料的層間距為0. 3361納米，100次循環(huán)測試后的容量保持率為87. 09%;實施例三負極材料的層間距為0. 3364納米，100次循環(huán)測試后的容量保持率為87. 50%。通過歸納圖4至圖8所示的循環(huán)性能曲線，得出層間距d與鋰離子電池沖放循環(huán)次數(shù)之間測算關(guān)系式該測算關(guān)系為Y= 1206. 6*Χ2-808· 63*Χ+136· 35 (公式 8)其中，X代表層間距，Y代表鋰離子電池沖放循環(huán)次數(shù)預(yù)測值。本實施方式中，通過檢測負極材料的物理性能指標，如BET、XRD等，再由物理性能指標計算層間距，將這些物理性能指標的計算結(jié)果與電池的循環(huán)性能(亦即，電池的沖放循環(huán)次數(shù))建立起一種對應(yīng)的測算關(guān)系，(參見公式8)。建立該測算關(guān)系式以后，對之后生產(chǎn)出的負極材料的循環(huán)性能很快加以預(yù)測，相較于傳統(tǒng)的實際充電循環(huán)的方法，其必須將負極材料制作成電池，通過充放電來得出電池的循環(huán)性能，大大節(jié)約了電池循環(huán)性能的測試時間和測試成本而且也更便于負極材料選材從而制作壽命更長的鋰離子電池。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，包括以下步驟 檢測并獲取鋰離子電池負極材料的物理性能指標；由物理性能指標確定負極材料的層間距；建立層間距與鋰離子電池沖放循環(huán)次數(shù)之間的測算關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，其特征在于所述測算關(guān)系為Y = 1206. 6*Χ2-808. 63*Χ+136. 35，其中，X代表層間距，Y代表鋰離子電池沖放循環(huán)次數(shù)預(yù)測值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，其特征在于所述物理性能指標為射線衍射(XRD)測試獲得的晶胞參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，其特征在于采用射線衍射(XRD)測試的層間距計算公式為D1 = 0. 89 λ/(B cos θ)，其中，λ為X射線的波長，B為衍射峰的半高寬，θ為衍射角)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，其特征在于所述物理性能指標為射線衍射(XRD)、比表面積(BET)、掃描電子顯微鏡(SEM)的一種或幾種測試獲得的晶胞參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，其特征在于對于立方晶系的負極材料，層間距的計算公式為d2 = a/ (h2+k2+l2)，其中a、b、c為晶胞參數(shù)a = b = c，h、k、1分別是晶胞xyz軸的高度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，其特征在于對于正方晶系的負極材料，層間距的計算公式為1/d2 = (h2+k2)/a2+l2/c2，其中a、b、c為晶胞參數(shù)，h、k、1分別是晶胞xyz軸的高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，其特征在于對于六方晶系的負極材料，層間距的計算公式為1/d2 = 4(h2+k2+hk)/3a2+l2/c2，其中a、b、c為晶胞參數(shù)，h、k、1分別是晶胞xyz軸的高度。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，其特征在于對于正交晶系的負極材料，層間距的計算公式為1/d2 = h2/a2+k7b2+l2/C2，其中a、b、c為晶胞參數(shù)，h、k、1分別是晶胞xyz軸的高度。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，其特征在于對于三方晶系的負極材料，層間距的計算公式為1/d2 = 4(h2+k2+hk)/3a2+l2/c2，其中a、b、c為晶胞參數(shù)，h、k、1分別是晶胞xyz軸的高度。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，其特征在于對于單斜晶系的負極材料，層間距的計算公式為 1/4 ) = h2 / 2 sin2 p^k2 Ib2^l2 Ic2 sin2 β — 2/7/cos/ / csin2，其中 β 為衍射角，a、b、c為晶胞參數(shù)，h、k、1分別是晶胞xyz軸的高度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種判斷鋰離子電池循環(huán)性能的方法，包括以下步驟檢測并獲取鋰離子電池負極材料的物理性能指標；由物理性能指標確定負極材料的層間距；建立層間距與鋰離子電池沖放循環(huán)次數(shù)之間的測算關(guān)系。本發(fā)明的判斷方法可快速預(yù)測出鋰離子電池的可循環(huán)沖放次數(shù)，不需要將負極材料制作成電池通過實際的充放電操作來得出電池的循環(huán)性能，大大節(jié)約了電池循環(huán)性能的測試時間和測試成本而且也更便于負極材料選材從而制作壽命更長的鋰離子電池。
文檔編號G01R31/36GK102236078SQ201010155850
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月20日
發(fā)明者何偉, 何名, 安偉峰 申請人:深圳市比克電池有限公司