本發(fā)明涉及圓柱動(dòng)力鋰離子電池領(lǐng)域，特別涉及一種圓柱動(dòng)力鋰離子電池的充電方法及裝置。

背景技術(shù)：

圓柱動(dòng)力鋰離子電池作為一種能量密度高、環(huán)境友好的綠色新能源電池，廣泛吸引了國內(nèi)外各家電池制造商的關(guān)注。歐美、日韓、中國等一流鋰電池生產(chǎn)商早年便開始了對(duì)圓柱動(dòng)力鋰離子電池關(guān)鍵技術(shù)的研究及產(chǎn)業(yè)化工作，尤其在長壽命、高安全、穩(wěn)定可靠性和電芯一致性方面，對(duì)圓柱動(dòng)力鋰離子電池開展了大量的分析和研究工作，并取得了豐碩的成績。

圓柱動(dòng)力鋰離子電池的內(nèi)阻值會(huì)隨著循環(huán)充放電次數(shù)的增加而逐漸增大，當(dāng)內(nèi)阻值較高時(shí)，會(huì)帶來因發(fā)熱而產(chǎn)生的副反應(yīng)，從而降低電池的容量并縮短電池的使用壽命。為了解決圓柱動(dòng)力鋰離子電池的循環(huán)使用壽命問題，人們從減小內(nèi)阻方面來改善電池的結(jié)構(gòu)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)卷芯中部的正極片空隙內(nèi)設(shè)有正極耳的圓柱動(dòng)力鋰離子電池的內(nèi)阻，比將正極耳設(shè)置于卷芯邊緣的圓柱動(dòng)力鋰離子電池的內(nèi)阻小7mΩ，其內(nèi)阻降低約15％。同時(shí)，通過采集不同倍率放電下的電池溫升數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在卷芯中部的正極片空隙內(nèi)設(shè)有正極耳的圓柱動(dòng)力鋰離子電池的內(nèi)阻和表面溫升明顯偏低，發(fā)熱量明顯減少。因此，將正極耳設(shè)置于卷芯中間可提高圓柱動(dòng)力鋰離子電池的循環(huán)使用壽命。

然而隨著循環(huán)充放電次數(shù)的增加，在對(duì)卷芯中部的正極片空隙內(nèi)設(shè)有正極耳的圓柱動(dòng)力鋰離子電池的負(fù)極片的厚度逐漸增加，會(huì)對(duì)正極片尤其是正極耳進(jìn)行擠壓，從而使得正極耳兩邊的箔材容易產(chǎn)生透光甚至斷裂現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對(duì)卷芯中部的正極片空隙內(nèi)設(shè)有正極耳的圓柱動(dòng)力鋰離子電池的正極耳兩邊的箔材容易產(chǎn)生透光甚至斷裂現(xiàn)象，提供一種圓柱動(dòng)力鋰 離子電池的充電方法及裝置，優(yōu)化充電方法，進(jìn)而改善正極耳兩邊的箔材發(fā)生的透光甚至斷裂現(xiàn)象。

一種圓柱動(dòng)力鋰離子電池的充電方法，用于對(duì)卷芯中部的正極片空隙內(nèi)設(shè)有正極耳的圓柱動(dòng)力鋰離子電池充電，其中，在對(duì)所述圓柱動(dòng)力鋰離子電池循環(huán)充放電時(shí)，限制最大充電電壓和充電電流，使得所述圓柱動(dòng)力鋰離子電池中鋰離子的產(chǎn)生速度和運(yùn)行速度之和小于或等于石墨層嵌鋰反應(yīng)的速度。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，控制充電電流介于(1/3)C至0.5C之間。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，控制最大充電電壓介于4.05V至4.1V之間。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，控制充電電流為0.5C。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，控制最大充電電壓為4.1V。

一種圓柱動(dòng)力鋰離子電池的充電裝置，用于對(duì)卷芯中部的正極片空隙內(nèi)設(shè)有正極耳的圓柱動(dòng)力鋰離子電池充電，所述圓柱動(dòng)力鋰離子電池的充電裝置包括相互連接的充電模塊和控制模塊，其中控制模塊用于連接所述圓柱動(dòng)力鋰離子電池；

所述充電模塊用于輸出電能，所述控制模塊用于限制所述充電模塊輸出的最大充電電壓和充電電流，使得所述圓柱動(dòng)力鋰離子電池中鋰離子的產(chǎn)生速度和運(yùn)行速度之和小于或等于石墨層嵌鋰反應(yīng)的速度。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述控制模塊控制所述充電模塊的充電電流介于(1/3)C至0.5C之間。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述控制模塊控制所述充電模塊的最大充電電壓介于4.05V至4.1V之間。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述控制模塊控制所述充電模塊的充電電流為0.5C。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述控制模塊控制所述充電模塊的最大充電電壓為4.1V

上述圓柱動(dòng)力鋰離子電池的充電方法及裝置具有的有益效果為：該圓柱動(dòng)力鋰離子電池的充電方法及裝置在對(duì)圓柱動(dòng)力鋰離子電池循環(huán)充放電時(shí)，通過限制最大充電電壓、充電電流，來限制圓柱動(dòng)力鋰離子電池中鋰離子的產(chǎn)生速度、運(yùn)行速度，并使得鋰離子的產(chǎn)生速度和運(yùn)行速度之和小于石墨層嵌鋰反應(yīng) 的速度，從而可以控制單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)負(fù)極片的鋰離子總的數(shù)量，以減少在負(fù)極片處析出的由鋰離子形成的鋰金屬。由于析出的鋰金屬會(huì)增加負(fù)極片的厚度，所以該圓柱動(dòng)力鋰離子電池的充電方法及裝置通過控制鋰金屬的析出量，進(jìn)而可控制負(fù)極片的厚度，從而避免發(fā)生因負(fù)極片厚度增加而擠壓正極片及正極耳的情況，以達(dá)到改善正極耳容易透光甚至斷裂現(xiàn)象的效果。

附圖說明

圖1為充電前圓柱動(dòng)力鋰離子電池卷芯中部正、負(fù)極片的橫截面的示意圖；

圖2為充電后圓柱動(dòng)力鋰離子電池卷芯中部正、負(fù)極片的橫截面的示意圖；

圖3為一實(shí)施例圓柱動(dòng)力鋰離子電池的充電裝置的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

為了便于說明本發(fā)明提供的圓柱動(dòng)力鋰離子電池的充電方法及裝置，提供了關(guān)于卷芯中部的正極片空隙內(nèi)設(shè)有正極耳的圓柱動(dòng)力鋰離子電池的卷芯中部正、負(fù)極片充電前后的示意圖。圖1為充電前圓柱動(dòng)力鋰離子電池卷芯中部正、負(fù)極片的橫截面的示意圖。圖2為充電后圓柱動(dòng)力鋰離子電池卷芯中部正、負(fù)極片的橫截面的示意圖。其中，在正極片20中間的空隙中設(shè)有正極耳30，負(fù)極片10與正極片20之間加入隔膜后卷繞貼合在一起。

圖3為一實(shí)施例圓柱動(dòng)力鋰離子電池的充電裝置的結(jié)構(gòu)圖。如圖3所示，圓柱動(dòng)力鋰離子電池的充電裝置包括相互連接的充電模塊41和控制模塊42，其中控制模塊42用于連接圓柱動(dòng)力鋰離子電池。

充電模塊41用于輸出電能。

控制模塊42用于限制充電模塊41輸出的最大充電電壓和充電電流，使得圓柱動(dòng)力鋰離子電池中鋰離子的產(chǎn)生速度和運(yùn)行速度之和小于或等于石墨層嵌鋰反應(yīng)的速度。

其中，控制模塊42限制充電模塊41輸出的最大充電電壓，即控制最大充電電壓較小(以下簡稱淺充)，就會(huì)相應(yīng)控制圓柱動(dòng)力鋰離子電池中鋰離子的產(chǎn)生速度較小?？刂颇K42限制充電模塊41輸出的充電電流，即控制充電電流較小，就會(huì)相應(yīng)控制圓柱動(dòng)力鋰離子電池中鋰離子的運(yùn)行速度較小。因此，控 制模塊42控制充電模塊41輸出的最大充電電壓和充電電流分別處于相應(yīng)的較小值，就會(huì)使得鋰離子電池中鋰離子的產(chǎn)生速度和運(yùn)行速度之和小于或等于石墨層嵌鋰反應(yīng)的速度。

具體的，控制模塊42控制充電模塊41的充電電流介于(1/3)C至0.5C之間。

具體的，控制模塊42控制充電模塊41的最大充電電壓介于4.05V至4.1V之間。

作為優(yōu)選的實(shí)施例，控制模塊42控制充電模塊41的充電電流為0.5C。

作為優(yōu)選的實(shí)施例，控制模塊42控制充電模塊41的最大充電電壓為4.1V。

本發(fā)明另一實(shí)施例提供的圓柱動(dòng)力鋰離子電池的充電方法為：在對(duì)圓柱動(dòng)力鋰離子電池循環(huán)充放電時(shí)，限制最大充電電壓和充電電流，使得圓柱動(dòng)力鋰離子電池中鋰離子的產(chǎn)生速度和運(yùn)行速度之和小于或等于石墨層嵌鋰反應(yīng)的速度。

其中，限制最大充電電壓，即控制最大充電電壓較小(以下簡稱淺充)，就會(huì)相應(yīng)控制圓柱動(dòng)力鋰離子電池中鋰離子的產(chǎn)生速度較小。限制充電電流，即控制充電電流較小，就會(huì)相應(yīng)控制圓柱動(dòng)力鋰離子電池中鋰離子的運(yùn)行速度較小。因此，通過控制最大充電電壓和充電電流分別處于相應(yīng)的較小值，就會(huì)使得圓柱動(dòng)力鋰離子電池中鋰離子的產(chǎn)生速度和運(yùn)行速度之和小于或等于石墨層嵌鋰反應(yīng)的速度。

具體的，控制充電電流介于(1/3)C至0.5C之間。

具體的，控制最大充電電壓介于4.05V至4.1V之間。

作為優(yōu)選的實(shí)施例，控制充電電流為0.5C。

作為優(yōu)選的實(shí)施例，控制最大充電電壓為4.1V。

為了更清楚的解釋本發(fā)明提供的圓柱動(dòng)力鋰離子電池的充電方法及裝置，先對(duì)卷芯中部的正極片空隙內(nèi)設(shè)有正極耳的圓柱動(dòng)力鋰離子電池在充電過程中負(fù)極片20厚度的變化原理進(jìn)行闡述。

在對(duì)圓柱動(dòng)力鋰離子電池充電時(shí)，正極片20脫出鋰離子，且鋰離子通過電解液運(yùn)行至負(fù)極片20處，并嵌入到負(fù)極片10的石墨層中(以下簡稱嵌鋰反應(yīng))。

在循環(huán)充放電電壓方面，充電電壓越高，從正極片20脫出的鋰離子數(shù)量越 多，即鋰離子的產(chǎn)生速度越高。在循環(huán)充放電電流方面，充電電流越大，圓柱動(dòng)力鋰離子電池的動(dòng)力學(xué)極化越大，因此鋰離子的運(yùn)行速度也越快。

因此，當(dāng)充電電電壓較高且充電電流較大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從正極片20脫出較多的鋰離子，且這些鋰離子以較快的速度運(yùn)行至負(fù)極片10處，從而使得負(fù)極片10在短時(shí)間內(nèi)聚集較多的鋰離子。而負(fù)極片10石墨層間的嵌鋰反應(yīng)速度非常緩慢，很多鋰離子來不及嵌入石墨層間就已經(jīng)和負(fù)極片10處的電子結(jié)合，從而形成鋰金屬并在負(fù)極片10表面沉積析出。

金屬鋰的析出一方面增加了負(fù)極片10的厚度，且該負(fù)極片10厚度增長的速度遠(yuǎn)大于石墨層由于嵌入鋰離子而產(chǎn)生的厚度增加的速度；另一方面，由于金屬鋰極為活潑，容易和電解液發(fā)生副反應(yīng)，從而增加了負(fù)極片10的表面SEI的成膜厚度和嵌入內(nèi)阻，進(jìn)一步增加了鋰離子嵌入負(fù)極片10石墨層的難度。需要注意的是，金屬鋰一旦析出，在放電過程中，析出的鋰金屬不能再次還原為鋰離子。

綜上所述，隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，負(fù)極片10的石墨層因嵌入鋰離子而逐漸膨脹，再加上負(fù)極片10表面析出的金屬鋰隨著每次充電的累加越來越多，從而使得負(fù)極片10的厚度逐漸增加，如圖2所示，虛線部分表示負(fù)極片10由于金屬鋰而增加的厚度。當(dāng)負(fù)極片10的厚度增加到一定程度，就會(huì)對(duì)正極片20進(jìn)行擠壓，尤其對(duì)較厚的正極耳30施壓更為嚴(yán)重，而在連續(xù)施壓的情況下，極易造成正極耳30邊緣的箔材容易透光甚至斷裂。

需要說明的是，由于電池充電過程中電池電壓是逐漸增加的，因此本發(fā)明中減小了最大充電電壓，即相當(dāng)于減小了整個(gè)充電過程中的充電電壓。

因此，本發(fā)明提供的圓柱動(dòng)力鋰離子電池充電方法及裝置，通過控制充電電流、最大充電電壓，使得鋰離子的產(chǎn)生速度和運(yùn)行速度之和小于或等于石墨層嵌鋰反應(yīng)的速度，減少了到達(dá)負(fù)極片10的鋰離子總的數(shù)量，使得鋰離子與負(fù)極片10處的電子結(jié)合的機(jī)會(huì)減小，從而減少了在每次充電過程中負(fù)極片10處析出的由鋰離子形成的鋰金屬。

而負(fù)極片10處析出的鋰金屬減少，即會(huì)減小負(fù)極片10的增加的厚度，從而避免發(fā)生因負(fù)極片10厚度增加而擠壓正極片20及正極耳30的情況，進(jìn)而達(dá) 到改善正極耳30容易透光甚至斷裂現(xiàn)象的效果。

為了驗(yàn)證本發(fā)明提供的圓柱動(dòng)力鋰離子電池充電方法及裝置的可行性，本實(shí)施例對(duì)卷芯中部的正極片空隙內(nèi)設(shè)有正極耳的圓柱動(dòng)力鋰離子電池，分別用不同充放電電流和不同充放電電壓區(qū)間的幾種循環(huán)充放電模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具體的實(shí)驗(yàn)方法為：

分別用兩種不同的充放電電流(小電流0.5C、大電流1C)和兩種不同的充放電電壓區(qū)間(4.2-3.0V、4.1-3.0V)進(jìn)行方案組合，共形成四組循環(huán)充放電模式，分別為：A、0.5C充放電，4.2-3.0V電壓區(qū)間；B、1C充放電，4.2-3.0V電壓區(qū)間；C、0.5C充放電，4.1-3.0V電壓區(qū)間；D、1C充放電，4.1-3.0V電壓區(qū)間。

需要說明的是，本實(shí)驗(yàn)中的各充放電電壓區(qū)間，區(qū)間中最大的電壓值(即4.2V和4.1V)，指每次循環(huán)充放電中充電完畢時(shí)電池達(dá)到的最大充電電壓值。最小的電壓值(即3.0V)，指每次循環(huán)充放電過程中放電完畢時(shí)電池達(dá)到的最小放電電壓值。當(dāng)最大充電電壓值為4.2V時(shí)，充電過程稱為深充，當(dāng)最大充電電壓值為4.1V時(shí)，充電過程稱為淺充。

另外，由于放電過程對(duì)負(fù)極片10厚度增加的影響可以忽略，所以上述4組循環(huán)充放電模式中的放電電流、充放電電壓區(qū)間中的最小的電壓值對(duì)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證沒有影響。

用以上4種循環(huán)充放電模式對(duì)卷芯中部的正極片空隙內(nèi)設(shè)有正極耳的圓柱動(dòng)力鋰離子電池分別各循環(huán)100次，300次，500次，700次，1000次，并在各階段循環(huán)后通過解剖電池，對(duì)電池中間正極耳30邊緣箔材的斷裂情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)的方法為：正極耳30無透光、斷裂則標(biāo)識(shí)為OK，有透光或斷裂則標(biāo)識(shí)為NG。具體統(tǒng)計(jì)狀況如下表所示：

從表中可以看出，C模式采用小電流淺充方式，其結(jié)果最好，在循環(huán)1000次后，電池卷芯內(nèi)部的正極耳30也未出現(xiàn)透光或斷裂現(xiàn)象。B模式采用大電流、深充方式，結(jié)果最差，在循環(huán)300次后，電池卷芯內(nèi)部的正極耳30即出現(xiàn)透光或斷裂現(xiàn)象。A、D模式分別采用小電流深充、大電流淺充方式，也分別在循環(huán)700次、500次后正極耳30出現(xiàn)透光或斷裂現(xiàn)象。因此，本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用小電流淺充的循環(huán)充電模式能改善正極耳30出現(xiàn)透光或斷裂現(xiàn)象的可行性。

以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體，但并不能因此而理解為對(duì)發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)指出的是，對(duì)于本領(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，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。