一种锂离子电池注液后静置工艺优化方法
阅读说明：本技术 一种锂离子电池注液后静置工艺优化方法 (Method for optimizing standing process after liquid injection of lithium ion battery ) 是由 胡玮敏 李鸿辉 陈志伟 王理 刘建华 刘金成 于 2020-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种锂离子电池注液后静置工艺优化的方法,所述方法包括以下步骤：采用超声扫描设备对充分浸润电芯进行扫描,选择充分浸润电芯上的扫描点作为特征点,计算各特征点的超声透射率及其方差,再选择其他充分浸润电芯,各自计算后得到方差范围；选择注液后静置不同时间的电池,扫描后得出不同静置时间下超声透射率的方差,根据与之前方差范围的比较,确定最短静置时间。本发明通过对注液后静置的锂离子电池进行超声扫描,通过超声透射率及其波动范围的测量计算,可以准确判断不同静置时间下的浸润效果,从而快速确定最优的静置工艺,大幅缩减了工艺优化所需的时间；所述方法应用范围广,高效简洁,可推广至多种不同体系的锂离子电池。(The invention provides a method for optimizing a standing process after liquid injection of a lithium ion battery, which comprises the following steps: scanning the fully-infiltrated cell by adopting ultrasonic scanning equipment, selecting scanning points on the fully-infiltrated cell as characteristic points, calculating the ultrasonic transmittance and variance of each characteristic point, selecting other fully-infiltrated cells, and obtaining variance ranges after respective calculation; and selecting batteries which are subjected to standing for different times after liquid injection, obtaining the variance of the ultrasonic transmissivity under different standing times after scanning, and determining the shortest standing time according to the comparison with the previous variance range. According to the invention, the lithium ion battery which is subjected to standing after liquid injection is subjected to ultrasonic scanning, and the infiltration effects under different standing times can be accurately judged through the measurement and calculation of the ultrasonic transmissivity and the fluctuation range thereof, so that the optimal standing process is rapidly determined, and the time required by process optimization is greatly shortened; the method has wide application range, is efficient and simple, and can be popularized to lithium ion batteries of various systems.)
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种锂离子电池注液后静置工艺优化方法。
背景技术
近年来，随着电动汽车、电子设备、电网储能技术的快速发展，对高能量密度、长寿命、高安全性的电池及储能系统的需要越来越迫切，其中，锂离子电池因具有能量密度高、循环寿命长等优点，成为人们的最佳选择。然而，目前的电化学储能装置相比汽油等能源，能量密度仍然较低，因此对提高锂离子电池能量密度的研究较多，而随着电池能量密度的提高，电池极片的压实密度也需同步提高，如此会给电解液的浸润效果带来影响。
电解液的浸润主要通过注液后的静置工序来实现，该工序是锂离子电池生产工艺的重要组成部分，浸润效果的优劣会直接影响电池的电性能和一致性。基于电解液浸润的重要作用，目前通常是采用延长浸润时间和提高浸润温度的方法来保证电芯整体的浸润效果，对于浸润温度的选择可调节空间不大，温度过高容易对电解液造成破坏，或者发生副反应，因此，基于电芯及电解液的组成，选择合适的静置温度，并尽可能减少浸润时间，最优的结果是既能保证电芯整体浸润效果随时间不再增加，又选用最短生产时间的方法，因而需要精准把握静置的时间及浸润效果。
CN 103721972A公开了一种聚合物锂离子电池的浸润方法，该方法采用超声清洗装置进行浸润，具体包括：将注液后的电池气袋朝上竖直立于超声清洗装置的水槽中；向所述水槽中注入纯水，控制所述纯水的液面没过所述电池的极组；加热所述纯水控制温度在23-27℃，控制超声波频率在50-70KHz，超声浸润1.0-2.0小时；将浸润完成的电池取出用热风装置干燥。该方法通过超声清洗装置的使用而缩短浸润时间，但并未涉及到对浸润效果的判断，无法对静置工艺参数进行优化。
目前，对电芯浸润效果的判断通常采用广泛设定温度和时间水平，通过电芯拆解目视来判定，而由于电解液易挥发，此方法较为粗糙，主观性强，只可做为定性判定依据；也有采用测定电芯的最终电性能来确定最优的工艺方法，此方法耗时极长，占用设备和资源较多，不利于产品的研发和量产。CN110148793A公开了一种锂离子电池电解液浸润状态判别方法，该方法包括如下步骤：配置带有颜色的浸润剂，将带有颜色的浸润剂加入到电解液中，混合均匀后得到带色电解液；将带色电解液注入到电池中，在电池完成一次注液、化成、二次注液工序时，分别对电池进行拆解，通过隔膜和极片上的颜色区域分布是否均匀来判别电解液的浸润状态，以调整一次注液量、二次注液量和化成工艺；该方法是采用带颜色的浸润剂加入电解液，从而更直观反应浸润程度，但仍需要对电池进行拆解才能判断，耗时长，工作量大，且也只能做定性判断。
综上所述，对于电池注液后静置工艺的优化，还需要寻求合适的方法能够定量判断电解液的浸润效果，且无需复杂的操作与计算，同时保证最短静置时间的精度，缩短工艺优化研发时间。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种锂离子电池注液后静置工艺优化方法，所述方法通过对注液后静置的锂离子电池进行超声扫描，根据超声透射率的测定结果以及不同位置超声透射率的波动范围，无需复杂计算即可明确电解液对电芯的浸润程度，快速得出最短静置时间，大幅缩减了工艺优化所需的时间。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种锂离子电池注液后静置工艺优化的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)采用超声扫描设备对充分浸润电芯进行扫描，选择充分浸润电芯上的扫描点作为特征点，计算各特征点的超声透射率；
(2)计算步骤(1)中各特征点超声透射率的方差，再选择其他充分浸润电芯，各自计算超声透射率的方差，得到超声透射率的方差范围；
(3)选择注液后静置不同时间的电池，按照步骤(1)和(2)的操作对其电芯进行扫描，得出不同静置时间下超声透射率的方差，根据各方差与步骤(2)中方差范围的比较，确定最短静置时间。
本发明中，对于锂离子电池注液后的浸润效果优劣是影响电池性能的重要因素，因而对于浸润效果的判断尤为重要，本发明通过超声扫描的方式，以充分浸润电芯的浸润结果作为基准，通过超声透射率及其波动范围的测量、计算，可以准确判断不同静置时间下的浸润效果，从而快速确定最优的静置工艺，大幅缩减了工艺优化所需的研发时间，减少因长时间高温静置导致电芯性能下降的可能，而且本发明无需对电池进行拆解即可判断浸润效果，提高了操作效率，也可有效避免电解液的损失。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述充分浸润电芯为：注液后静置足够长的时间充分达到电解液浸润效果的电芯。
优选地，所述足够长的时间为7天以上，例如7天、8天、9天或10天等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，锂离子电池注液后静置时间足够长，以确保电解液对电芯整体的浸润，此状态下的电芯定义为“充分浸润电芯”，即无论如何优化工艺都无法超过此工艺下电解液对电芯整体的浸润效果。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述超声扫描设备扫描的是经过充分浸润的电池，所述扫描的路径经过电池电芯。
优选地，所述扫描的路径沿电池纵向选择，多条扫描路径平行设置。
本发明中，所述电池组装后，电芯是位于电池内部，因此超声扫描设备是对电池进行扫描，根据其电芯的位置选择路径，使扫描路径经过电芯，超声信号能够从一侧透射到另一侧，根据电解液浸润程度，其透射信号值会不同。
本发明中，所述超声扫描设备的结构主要包括超声探头、发射/接收单元和数字转换器；所述超声信号特征值可用声强I来表示，是指单位时间内通过垂直于传播方向单位面积的声能量，其单位为W/m2。
优选地，步骤(1)所述扫描点在扫描路径上均匀选择。
优选地，同一条扫描路径上的扫描点间距相同，便于数据检测收集的均一性。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述超声透射率为超声信号穿过电芯后与进入电芯前超声信号特征值的比值。
优选地，所述超声透射时，超声信号从特征点进入电池，垂直穿过电池电芯从另一侧穿出。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)中其他充分浸润电芯的选择与步骤(1)所述充分浸润电芯相同。
本发明中，多个充分浸润电芯的选择需要满足电芯种类相同，即电芯的尺寸、材质相同，电解液种类相同，操作工艺参数，如注液量和静置时间一致，使不同充分浸润电芯的浸润效果基本相同，以达到减少误差的效果。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述注液后电池的选择根据静置温度的不同分为不同组，独立确定每一静置温度下的最短静置时间。
优选地，所述静置温度的选择根据电芯和电解液种类确定。
优选地，在静置温度范围内，静置温度的选择呈等差数列排列。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)同一静置温度下不同静置时间的选择呈等差数列排列。
优选地，测量每一静置时间下的电池上特征点的超声透射率，计算其方差值。
优选地，同一静置温度、同一静置时间下的电芯至少设有3个，例如3个、4个、5个、6个、8个或10个等，选择其中方差集中区域的平均方差值与步骤(2)方差范围比较。
本发明中，同一静置时间下的电芯选择多个，主要是为了确认方差较集中的数值，作为判断依据，避免只选择单一电芯时，可能因注液量异常等原因得出偏差较大的结果。
优选地，所述超声透射率的测量从静置时间由小到大的顺序进行，测量方差值首次达到步骤(2)方差范围时对应的静置时间即为该静置温度下的最短静置时间。
作为本发明优选的技术方案，若静置时间等差排列时的公差值较大，在根据步骤(3)确定的最短静置时间和上一级静置时间之间再等差设置不同静置时间的电池电芯，进一步精确最短静置时间。
作为本发明优选的技术方案，结合不同静置温度下的最短静置时间，选择最优的静置工艺条件。
作为本发明优选的技术方案，所述方法包括以下步骤：
(1)采用超声扫描设备对充分浸润电芯进行扫描，所述充分浸润电芯为：注液后静置足够长的时间充分达到电解液浸润效果的电芯，所述足够长的时间为7天以上，所述超声扫描设备扫描的是经过充分浸润的电池，所述扫描的路径经过电池电芯，所述扫描的路径沿电池纵向选择，多条扫描路径平行设置，选择充分浸润电芯上的扫描点作为特征点，所述扫描点在扫描路径上均匀选择，计算各特征点的超声透射率，所述超声透射率为超声信号穿过电芯后与进入电芯前超声信号特征值的比值，所述超声透射时，超声信号从特征点进入电池，垂直穿过电池电芯从另一侧穿出；
(2)计算步骤(1)中各特征点超声透射率的方差，再选择其他充分浸润电芯，其他充分浸润电芯的选择与步骤(1)所述充分浸润电芯相同，各自计算超声透射率的方差，得到超声透射率的方差范围；
(3)选择注液后静置不同时间的电池，所述注液后电池的选择根据静置温度的不同分为不同组，独立确定每一静置温度下的最短静置时间，所述静置温度的选择根据电芯和电解液种类确定，在静置温度范围内，静置温度的选择呈等差数列排列；
同一静置温度下不同静置时间的选择呈等差数列排列，按照步骤(1)和(2)的操作对其电芯进行扫描，测量每一静置时间下的电池上特征点的超声透射率，计算其方差值，所述超声透射率的测量从静置时间由小到大的顺序进行，测量方差值首次达到步骤(2)方差范围时对应的静置时间即为该静置温度下的最短静置时间；结合不同静置温度下的最短静置时间，选择最优的静置工艺条件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述方法通过对注液后静置的锂离子电池进行超声扫描，通过超声透射率及其波动范围的测量、计算，可以准确判断不同温度、不同静置时间下的浸润效果，从而快速确定最优的静置工艺，大幅缩减了工艺优化所需的研发时间，减小幅度可达50％以上；
(2)本发明所述方法无需对电池进行拆解即可判断浸润效果，既减少了操作步骤，节省时间，又可避免拆解后容易造成的电解液损失；
(3)本发明所述方法应用范围广，高效简洁，可推广至多种不同体系的锂离子电池。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
本发明具体实施方式部分提供了一种锂离子电池注液后静置工艺优化的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)采用超声扫描设备对充分浸润电芯进行扫描，选择充分浸润电芯上的扫描点作为特征点，计算各特征点的超声透射率；
(2)计算步骤(1)中各特征点超声透射率的方差，再选择其他充分浸润电芯，各自计算超声透射率的方差，得到超声透射率的方差范围；
(3)选择注液后静置不同时间的电池，按照步骤(1)和(2)的操作对其电芯进行扫描，得出不同静置时间下超声透射率的方差，根据各方差与步骤(2)中方差范围的比较，确定最短静置时间。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种锂离子电池注液后静置工艺优化的方法，所述锂离子电池为方形锂离子电池；
所述方法包括以下步骤：
(1)采用超声扫描设备对充分浸润电芯进行扫描，该充分浸润电芯静置时间为7天，所述扫描路径经过电池的电芯，且平行分布，从扫描路径上共选择9个扫描点作为特征点，所述扫描点在扫描路径上均匀分布，超声透射时，超声信号从特征点进入电池，垂直穿过电池电芯从另一侧穿出，超声扫描设备上显示超声信号进、出电芯前后的声强值，计算得到超声透射率以及各超声透射率的方差；
(2)再选择其他5个与步骤(1)中结构和材质相同、注液量和静置时间相同的充分浸润电芯，同样进行超声透射率方差的计算，得出超声透射率的方差范围；
(3)选择与步骤(1)相同的注液后锂离子电池，在常温20℃条件下分别浸润8h、12h、16h等，以4h为等差直至48h，共设置11个，每一浸润时间下设置相同电池5个，分别按照步骤(1)检测、计算不同静置时间下超声透射率的方差，同一静置时间下的多个方差值选择其中无明显偏差的方差值取平均值，作为该静止时间下的方差值，按照静置时间由小到大的顺序测量方差值首次达到步骤(2)方差范围时对应的静置时间，即为该静置温度下的最短静置时间。
实施例2：
本实施例提供了一种锂离子电池注液后静置工艺优化的方法，所述方法包括参照实施例1中的方法，区别仅在于：调整步骤(3)中的静置温度，分别选择40℃、60℃、80℃、100℃，计算各自静置温度下的最短静置时间。
根据实施例1和2中所选择的锂离子电池，根据该类锂离子电池充分浸润电芯的基准数据，结合不同静置温度下的最短静置时间，选择该类锂离子电池的最优静置工艺条件。
实施例3：
本实施例提供了一种锂离子电池注液后静置工艺优化的方法，所述锂离子电池为方形锂离子电池，电芯材质和电解液种类与实施例1不同；
所述方法包括以下步骤：
(1)采用超声扫描设备对充分浸润电芯进行扫描，该充分浸润电芯静置时间为10天，所述扫描路径经过电池的电芯，且平行分布，从扫描路径上共选择6个扫描点作为特征点，所述扫描点在扫描路径上均匀分布，超声透射时，超声信号从特征点进入电池，垂直穿过电池电芯从另一侧穿出，超声扫描设备上显示超声信号进、出电芯前后的声强值，计算得到超声透射率以及各超声透射率的方差；
(2)再选择其他3个与步骤(1)中结构和材质相同、注液量和静置时间相同的充分浸润电芯，同样进行超声透射率方差的计算，得出超声透射率的方差范围；
(3)选择与步骤(1)相同的注液后锂离子电池，在常温20℃条件下分别浸润8h、10h、12h等，以2h为等差直至48h，共设置21个，每一浸润时间下设置相同电池3个，分别按照步骤(1)检测、计算不同静置时间下超声透射率的方差，同一静置时间下的多个方差值选择其中无明显偏差的方差值取平均值，作为该静止时间下的方差值，按照静置时间由小到大的顺序测量方差值首次达到步骤(2)方差范围时对应的静置时间，即为该静置温度下的最短静置时间。
实施例4：
本实施例提供了一种锂离子电池注液后静置工艺优化的方法，所述方法包括参照实施例3中的方法，区别仅在于：调整步骤(3)中的静置温度，分别选择30℃、40℃、50℃、60℃、70℃，计算各自静置温度下的最短静置时间。
根据实施例3和4中所选择的锂离子电池，相应得到该类锂离子电池充分浸润电芯的基准数据，结合不同静置温度下的最短静置时间，选择该类锂离子电池的最优静置工艺条件。
综合上述实施例可以得出，本发明所述方法通过对注液后静置的锂离子电池进行超声扫描，通过超声透射率及其波动范围的测量、计算，可以准确判断不同温度、不同静置时间下的浸润效果，从而快速确定最优的静置工艺，大幅缩减了工艺优化所需的研发时间，减小幅度可达50％以上；所述方法无需对电池进行拆解即可判断浸润效果，既减少了操作步骤，节省时间，又可避免拆解后容易造成的电解液损失；所述方法应用范围广，高效简洁，可推广至多种不同体系的锂离子电池。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明方法的等效替换及辅助步骤的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
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