[发明专利]一种石墨负极体系锂离子电池的充电方法

说明书

本发明涉及一种石墨负极体系锂离子电池的充电方法，通过设置一个充电倍率递增的多阶段恒流充电初始充电过程，一个充电倍率递减的多阶段恒流充电中间充电过程和一个恒压充电过程。初始充电过程中的各阶段充电倍率随SOC(荷电状态)增大而增大，中间充电过程中的各阶段充电倍率随SOC增大而减小。本发明的充电方法从电化学层面充分考虑了负极石墨颗粒的嵌锂过程和析锂过程，避免了石墨负极晶体结构的破坏和析锂造成的电池容量损失，既能够提高石墨负极体系锂离子电池的循环寿命，又能够缩短20％～80％SOC范围内充电的充电时间。

技术领域

本发明属于电池充电技术领域，具体涉及一种石墨负极体系锂离子电池的充电方法。

背景技术

现有技术中，存在三种锂离子电池充电方法，分别为基于抑制温升的充电方法、基于SOC(电池荷电状态或剩余电量)的充电方法和基于抑制极化电压的充电方法。

其中，基于抑制温升的充电方法实时估算锂离子电池充电各个阶段的温升，将温升最小充电时间最短作为目标来设计充电各个阶段的电流。基于SOC的充电方法认为SOC越低锂离子电池所能承受的最大充电电流越大，即从SOC＝0％到SOC＝100％的整个充电过程中，该充电方法的充电电流随SOC的增大而逐渐减小。基于抑制极化电压的充电方法认为极化电压是限制锂离子电池大电流充电的主要原因，该方法以降低充电时的极化电压为目的，将传统恒流恒压充电中的恒流阶段分成多段恒流充电，各恒流充电阶段中间加入电流为零的停充阶段或者电流为负的短暂放电阶段。

上述锂离子电池的充电方法大部分在制定过程中只考虑了充电过程中的温升、SOC、极化电压等电池的外部参数，很少考虑到锂离子电池内部的电化学特性，尤其针对石墨负极体系锂离子电池，若采用上述方法给电池充电，无法避免石墨负极晶体结构的破坏和析锂造成的电池容量损失，导致电池寿命降低。

发明内容

对于基于抑制温升的充电方法，温度过高(60℃以上)时接近满电状态的锂离子电池正极材料氧化性大大增强，的确有可能氧化电解液放出气体和热量，导致电解液变质电池鼓包甚至热失控。但是在55℃以下，电池的温升反而是有利于锂离子从正极脱嵌、在电解液中扩散和嵌入负极材料内部，即有利于充电过程的进行。这也是为何电池内阻随温度的升高而降低。所以温升不应作为制定充电方法的依据，正确的做法的设定一个较高的温度上限作为安全阈值，仅当电池温度超过该安全阈值时才考虑温度对充电过程的影响。

对于基于SOC的充电方法，随着充电的进行，当锂离子电池SOC超过一定值(20％左右)时，由于随着充电过程的进行负极石墨颗粒中容易嵌锂的位置逐渐减少，锂离子电池可承受的最大充电电流也的确逐渐减小。但是，当锂离子电池电量比较低(SOC约在20％以内)时，石墨负极体系的锂离子电池所能承受的最大充电电流是随SOC的增大而增大的。这需要从石墨负极锂离子电池的电化学特性方面进行解释。负极石墨颗粒是层状结构，当SOC＝0时，石墨颗粒层状结构中含锂量很少，石墨层间距处于最小值。从SOC＝0到SOC等于某一值(约20％)的充电过程中，随着SOC逐渐增大，石墨层中嵌锂量逐渐增多，石墨层间距也逐渐变大；而且随着SOC增大，石墨层间距变大的速度逐渐减小。当SOC超过某一值(约20％)时，石墨层间含锂量足够，石墨层间距基本不再随SOC而变大，处于最大值。因此在很低的SOC下若直接开始大电流快速充电，石墨颗粒表面的石墨层快速嵌锂而导致层间距迅速变大；而石墨颗粒内部的石墨层来不及嵌入足够的锂，石墨层间距仍然很小。这样，石墨颗粒表层和内部之间的应力很大，有可能引起C-C化学键断裂、石墨晶体结构破坏，从而导致可用石墨负极材料的损失。低SOC大电流快速充电导致的石墨晶体结构的破坏可以从石墨负极材料的拉曼光谱中观测得到。