一種能無損探測電極界面的鋰離子電池的制作方法

本發明涉及鋰離子電池領域，具體涉及一種能無損探測電極界面的鋰離子電池。

背景技術：

隨著現代工業社會的發展，對化石燃料的消耗急劇增大，交通運輸對燃油的消耗尤為突出。鋰離子電池作為一種新型的電能儲存載體，以其電壓高、比能量高、安全性好和無污染等優點備受人們關注。大容量方形鋰離子電池的循環壽命是評價動力電池性能的一項重要指標，而其界面性能與循環壽命密切相關。由于電池內部化學體系中存在副反應等因素，鋰離子電池在循環一定周期后，電解液、電解質、功能添加劑等會有一定的損失，從而造成電池的界面性能變差，循環性能下降；副反應產生的廢氣，會使隔膜起皺，使界面惡化，容易產生鋰枝晶，產生安全隱患。

傳統的電池預充工藝是先以少量電池為研究對象，先得到電壓與產氣量的關系，然后在電池批量預充中，統一將電池充到某一電壓下，再將其置于低氣壓環境下進行抽氣。這種抽氣方式的優點在于簡單易行，但從試樣到大批量生產的轉變中，該方式易受電池不同批次、電解液種類以及環境等因素的干擾，難以保證預充形成的固體電解質界面膜（SEI膜）的平行性。并且，電池預充時氣體是逐漸累積的，這會導致隔膜皺卷，進而影響其界面性能，導致鋰枝晶的產生，造成循環衰減以及安全隱患。而且，SEI膜的形成受負極電位的影響更大，若只根據全電池電壓來判斷，可能會受到正極電位等因素的干擾，導致未能在適合負極電位下成膜，影響SEI膜的致密性。此外，傳統電池在使用周期內無法準確監控正負極電位和界面狀況，以及無法在電池出現異常時判斷失效電極，在電池循環后期，也無法通過補液的方式進行適當的維護。

鑒于些，有必要提供一種電池結構，在預充過程中對SEI膜的形成進行更為合理的控制，以及在不同的測試過程（容量、循環、高溫存儲、過充電、過放電）中對鋰離子電池的界面進行監測，以及異常問題快速判斷。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種能無損探測電極界面的鋰離子電池，該電池解決了傳統電池在使用周期內無法準確監控正負極電位和界面狀況，以及在電池循環后期也無法通過補液的方式進行適當維護的問題，能夠無損地對鋰離子電池界面優化，以及出現異常時快速判斷失效電極，還可以在電池循環后期通過補液的方式進行適當的維護，使容量得以部分恢復，可用于儲能領域，以實現電池的梯次利用。

為了達到上述目的，本發明提供了一種能無損探測電極界面的鋰離子電池，該電池包含：具有第一空腔的外殼，設置在外殼內的單體電芯，嵌設在外殼內并處于單體電芯上方的塑料結構件，用于密封該塑料結構件的可拆卸的密封件，以及可拆卸的界面探測部件。

其中，所述的單體電芯與塑料結構件之間電隔絕。

其中，所述的塑料結構件具有第二空腔，該第二空腔與所述的界面探測部件相適配。

其中，所述的塑料結構件和界面探測部件均設有微孔，與第一空腔通過微孔相通。

在使用狀態時，拆卸掉塑料結構件上方的密封件，將界面探測部件固定在塑料結構件的空腔內。

所述的外殼包含：下殼體，蓋合在下殼體上的蓋板，以及分別設置在蓋板兩端的正極連接件和負極連接件。

所述的塑料結構件設置在正極連接件和負極連接件之間。

所述的塑料結構件包含：塑料螺絲，與塑料螺絲相適配的螺母，以及設置在塑料螺絲與蓋板之間的密封墊圈。

所述的螺母和塑料螺絲均具有空腔。其中，螺母的空腔為兩端開口，塑料螺絲的空腔與螺母連接的一端為開口端，另一端為封閉端。

所述的塑料螺絲具有圓柱狀的空腔，該空腔下端的側壁設有內螺紋；所述的界面探測部件下端的側壁設有外螺紋。

所述的塑料螺絲下端的側壁設有若干第一微孔。

所述的界面探測部件下端的側壁設有若干第二微孔，所述的第二微孔與第一微孔的位置相匹配。

所述的密封件為蓋帽。

所述的密封件的上表面不超過電池的蓋板所在的平面。

所述的界面探測部件包含：參比電極，設置在參比電極內的注液/抽氣通道，以及設置在參比電極上的參比電極通道。

本發明提供的能無損探測電極界面的鋰離子電池，解決了傳統電池在使用周期內無法準確監控正負極電位和界面狀況，以及在電池循環后期也無法通過補液的方式進行適當維護的問題，具有以下優點：

（1）本發明的電池能與抽氣裝置連接，并在電池產氣量較大的負極電位下進行抽氣，減少氣泡對電極界面的影響，改善電池的界面性能，減少鋰枝晶的產生，提高電池的循環性能和安全性能。

（2）本發明的電池可無損地對鋰離子電池界面優化，必要時對電池進行補液，使容量得以部分恢復，以提高電池的循環性能，實現電池的梯次利用。

（3）本發明的電池可對正負極界面進行即時監測，出現異常時快速判斷失效電極。

（4）一般認為SEI膜的形成電位在0.8~0.2V（vs. Li⁺/Li，對鋰電位）之間，本發明的電池在監測到負極電位位于此區間時，可適當調整電流密度，以得到更致密的SEI膜，提高電池的循環性能。

附圖說明

圖1為本發明的能無損探測電極界面的鋰離子電池的結構示意圖。

圖2為本發明的塑料結構件的結構示意圖。

圖3為本發明的界面探測部件的結構示意圖。

圖4為本發明的能無損探測電極界面的鋰離子電池在預充及維護狀態時的結構示意圖。

圖5為本發明的電池循環500次后的正負極電位曲線圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發明的技術方案做進一步的說明。

如圖1所示，為本發明的能無損探測電極界面的鋰離子電池的結構示意圖，該電池包含：具有第一空腔的外殼10，設置在外殼10內的單體電芯20，嵌設在外殼10內并處于單體電芯20上方的塑料結構件30，設置在塑料結構件30上方且可拆卸的密封件40，以及可拆卸的界面探測部件50。

其中，外殼10上設有：正極連接件11和負極連接件12。單體電芯20與塑料結構件30之間電隔絕，優選地，塑料結構件30與單體電芯20之間不接觸。塑料結構件30具有第二空腔，且該第二空腔與界面探測部件50相適配。該塑料結構件30和界面探測部件50與第一空腔相通。

在使用狀態時，拆卸掉塑料結構件30上方的密封件40，將界面探測部件50固定在塑料結構件30的空腔內。

上述外殼10包含：下殼體11，以及蓋合在下殼體13上的蓋板14。正極連接件11和負極連接件12分別設置在該蓋板14的兩端。

塑料結構件30設置在正極連接件11和負極連接件12之間，優選地，設置在蓋板14的中部。如圖2所示，為本發明的塑料結構件的結構示意圖，該塑料結構件30包含：塑料螺絲31，與塑料螺絲31相適配的螺母32，以及設置在塑料螺絲31與蓋板14之間的密封墊圈33。其中，螺母32具有兩端開口的空腔，塑料螺絲31具有一開口端和一封閉端的空腔，其與螺母32連接的端部為開口端。螺母32和塑料螺絲31的空腔組成了第二空腔。當螺母32按照設定的力矩旋緊時，密封墊圈33受擠壓發生彈性形變，使得塑料螺絲31與電池的蓋板14緊密接觸，達到密封效果。

其中，上述塑料螺絲31具有圓柱狀的空腔，其內壁設有螺紋。該塑料螺絲31的底端設有若干第一微孔311，具體地，該第一微孔311垂直于空腔軸線，這些微孔可將螺絲內外連通，通過這些微孔，氣體和液體能夠順利地流通。

上述塑料結構件30的材質包括（但不限于）：全氟烷氧基樹脂（PFA）、聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）中的任意一種或兩種以上，優選地，采用PFA。

密封件40為蓋帽，其用于密封塑料結構件30，該密封件40的上表面不超過電池的蓋板14所在的平面。

如圖3所示，為本發明的界面探測部件的結構示意圖，界面探測部件50包含：參比電極51，設置在參比電極51內的注液/抽氣通道52，以及設置在參比電極51上的參比電極通道53。該界面探測部件50的底端的外壁設有螺紋，并且設有若干第二微孔54，具體地，該第二微孔54設置在參比電極51和注液/抽氣通道52的底端。該第二微孔54與第一微孔311的微孔位置相匹配，通過第二微孔54和第一微孔311可以將界面探測部件50和塑料結構件30與電池內部的空間連通。

上述參比電極51為金屬電極，其包括（但不限于）：鋰電極、鉑電極和銀電極中的任意一種，優選地，參比電極51為鋰電極。

上述注液/抽氣通道52能與抽氣裝置連接，進行抽氣，以減少氣泡，防止氣體累積影響電極界面，從而改善電池的界面性能。在對電池的維護過程中，可通過注液/抽氣通道52加入電解液，使電池容量得以部分恢復，以提高電池的循環性能，實現電池的梯次利用。

如圖4所示，為本發明的能無損探測電極界面的鋰離子電池在使用狀態時的結構示意圖，在預充或者維護時，將密封件40拆卸掉，將界面探測部件50插入塑料螺絲31的圓柱狀的空腔內，參比電極通道53與檢測裝置（如萬用表）連接，將正極連接件11與參比電極通道53電連接，能檢測電池的正極電位，將負極連接件12和參比電極通道53電連接，能檢測電池的負極電位，采集電池正極和負極電位。將界面探測部件50的注液/抽氣通道52與抽氣裝置相連，并對電池進行充電，實時監測負極電位。當負極電位達到某一特定電壓（此電壓下電池產氣量較大），暫停充電，啟動抽氣裝置對電池進行抽氣，以減少氣泡，防止氣體累積影響電極界面，從而改善電池的界面性能，減少鋰枝晶的產生，以提高電池的安全性能。抽氣完畢后，繼續充電，觀察整個過程中正、負極電位是否有異常，防止過充而使負極析鋰，直到電池的電壓被充到截止電壓為止。將界面探測部件50從塑料螺絲31內取出，焊接密封件40，保證電池的密封性。上述監測過程是無損的，且電池在維護后可再次通過密封件40進行密封。

實施例1

以方形鋁殼電池為研究對象，電池正極采用磷酸鐵鋰，電池負極采用石墨，塑料螺絲31采用M12型，密封墊圈33采用硅橡膠墊圈，在電池焊接前將方形鋁殼電池，即單體電芯20，放置于外殼10內。擰緊塑料螺絲31以保證電池密封性，并安裝好界面探測部件50。上述部件安裝好后，用安捷倫的采壓線連接電池的正極連接件11和參比電極通道53，可采集正極電位，連接負極連接件12和參比電極通道53，可采集負極電位。將界面探測裝置的注液/抽氣通道52與抽氣裝置相連，并對電池進行充電，實時監測負極電位，當負極電位分別達到0.2V、0.15V、0.10V時，此時電池產氣量較大，暫停充電，啟動抽氣裝置對電池進行抽氣，防止氣體累積影響電極界面，抽氣完畢后繼續充電，觀察整個過程中正、負極電位是否有異常，防止過充而使負極析鋰，直到全電池電壓充到3.65V為止，將界面探測裝置取出，并焊接密封件40以保證電池的密封性。

實施例2

將實施例1的電池循環使用500次后，將密封件40（即蓋帽）打開，重新連接界面探測部件50，監測循環500次后的正負極電位曲線，并與循環前的正負極電位曲線進行對比，可以判斷失效的電極。如圖5所示，為本發明的電池循環500次后的正負極電位曲線圖，電池在循環500次后，不僅容量變低，且正極和負極的電位平臺均發生了變化。對于循環后的負極，其充放電的電位平臺始終較低，說明負極表面富鋰，很可能有鋰枝晶的產生；對于循環后的正極，其充電電位升高，放電電位降低，表明電化學極化增加，正極電位降低是導致放電終止的主要原因，這可能是因為電解液副產物的遷移到正極使正極變壞。

綜上所述，本發明提供的能無損探測電極界面的鋰離子電池，該電池能對正負極界面進行即時監測，出現異常時快速判斷失效電極，而且還能無損地對鋰離子電池界面優化，必要時對電池進行補液，使容量得以部分恢復，以提高電池的循環性能，實現電池的梯次利用。

盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。