一种电池充放电加压试验系统及方法
本发明属于电池测试领域，具体涉及一种电池充放电加压试验系统及方法。
背景技术：
1、硅材料因其具有较高的理论比容量(3600mah/g)、较低的嵌锂电位(0.3v～0.4v)等优点而备受研究人员的关注，应用前景十分光明。然而，硅电极在充放电过程中存在极大的体积膨胀，导致电极材料破裂和粉碎，使得活性物质颗粒与相邻的颗粒、导电粘结域或集流体失去电接触，并会导致固体电解质膜的重复生长和不稳定固体电解质膜的形成，从而大幅度降低硅基电池的循环性能，成为阻碍其进一步商业化的缺陷。
2、目前，已经有研究者证明，通过对电池施加宏观轴向外部载荷，可以有效调控电池内部硅电极材料的力学状态，抑制充放电循环过程中电极材料过大的体积膨胀，以及体积膨胀引起的种种弊端，以改善硅电极电池的电化学性能。然而，目前的研究设备采用固定位移式的加压方式，只能在充电和放电阶段施加恒定大小的外部载荷，而根据zhang等人研究[1]，硅电极活性物质颗粒在嵌锂和脱锂过程中，中心和表面处存在不同方向的环向应力，现有外部载荷加载方式无法满足根据硅电极活性物质颗粒充电和放电时不同的应力状态，分别施加不同大小外部载荷以调控内部状态的需求。
3、综上，现有技术存在如下问题：(1)硅电极材料对外部载荷范围的敏感度要求较高，通常在0.1～1.0mpa范围内，现有的试验设备通过手动固定对电池的挤压位移以施加外部载荷，但施加方式难以满足高精度要求；(2)硅电极活性物质颗粒在嵌锂和脱锂过程中，中心和表面处存在不同方向的环向应力，在充电和放电阶段施加不同的外部载荷对电池的循环性能会产生不同影响，但现有的外部载荷施加方式无法实现在充电和放电过程中切换外部载荷大小；(3)在多次嵌锂和脱锂循环后，硅电极材料的力学性质会发生塑性变化，因此所需施加的外部载荷需要相应地衰减或增加。然而，现有的试验设备无法实现外部载荷随循环次数增加而改变的功能。
4、因此，需要设计一种针对硅电极锂离子电池，并能实现在充放电循环中不同阶段施加不同大小外部载荷的试验装置，用来进一步提高硅电极锂离子电池的循环性能。
5、[1]zhang k.,zhang y.,zhou j.,et al.astress-based charging protocolfor silicon anode in lithium-ion battery:theoretical and experimental studies(2020)journal of energy storage,32,art.no.101765
技术实现思路
1、本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种电池充放电加压试验系统及方法。
2、本发明提供了一种电池充放电加压试验系统，具有这样的特征，包括：控制装置，用于设定电参数条件的试验矩阵；电池测试装置，与控制装置和试验件连接，接收试验矩阵从而对试验件施加可调的电参数并实时测量、记录以及存储试验件的电参数的数据变化后将试验件的电参数的数据变化传输至控制装置；以及原位加载装置，与电池测试装置连接，根据试验矩阵对试验件施加预设可调的轴向外部荷载。
3、在本发明提供的电池充放电加压试验系统中，还可以具有这样的特征：其中，电池测试装置包括：测试装置主体；主控电路，设于测试装置主体上，与控制装置和试验件连接，接收试验矩阵从而对试验件施加可调的电参数并实时测量试验件的电参数的数据变化；以及存储电路，与控制装置和主控电路连接，记录以及存储试验件的电参数的数据变化后将试验件的电参数的数据变化传输至控制装置。
4、在本发明提供的电池充放电加压试验系统中，还可以具有这样的特征：其中，原位加载装置包括：机身主体，包括底座和设置于底座上的带有上下底面的空腔；试验通道，设置于底座上且位于空腔中，用于固定住试验件并向试验件施加轴向外部荷载；以及控制模块，设置于底座上，与试验通道和主控电路连接，用于根据试验矩阵控制轴向外部荷载的大小。
5、在本发明提供的电池充放电加压试验系统中，还可以具有这样的特征：其中，试验通道包括：活塞杆，竖直方向设置于底座上，位于空腔内底部且可上下移动；试验凹槽，为凹设于活塞杆上表面且开口朝上的凹槽，用于支撑试验件并固定；力传感器，设置于空腔内顶部且位于试验凹槽正上方，力传感器底部凸设有与试验件相匹配的挤压头，当活塞杆驱动试验凹槽内固定的试验件上下位移时，挤压头对试验件产生轴向外部荷载并由力传感器测得实际值；以及充放电接头，数量为2，分别设置于活塞杆与力传感器上，均与主控电路连接。
6、在本发明提供的电池充放电加压试验系统中，还可以具有这样的特征：其中，控制模块包括：操作面板，用于设定轴向外部荷载的大小；和反馈信号输入电路，与操作面板、活塞杆以及主控电路连接，用于接收操作面板的设定的轴向外部荷载的值并根据试验矩阵对活塞杆上下移动的距离进行控制，反馈信号输入电路还与力传感器连接，用于确保施加于试验件上的轴向外部荷载与预设值相同。
7、在本发明提供的电池充放电加压试验系统中，还可以具有这样的特征：试验通道还包括隔离层，数量为2，分别设置于活塞杆与试验凹槽之间，以及力传感器与挤压头之间，控制模块还包括：紧急制动按钮，设置于底座上且与活塞杆连接，用于紧急制动活塞杆的上下位移；和启停按钮，设置于底座上且与活塞杆连接。
8、在本发明提供的电池充放电加压试验系统中，还可以具有这样的特征：其中，试验件为cr2032纽扣电池。
9、本发明还提供了一种电池充放电加压试验方法，具有这样的特征，使用了前述任意一项的电池充放电加压试验系统，包括以下步骤：s10，通过控制装置预设电参数条件的试验矩阵，并通过操作面板预设轴向外部荷载；s20，将试验件放入试验凹槽中，开启电池充放电加压试验系统；s30，控制装置通过软件向主控电路发出充放电循环的启动信号；s40，主控电路接收到启动信号后，根据试验矩阵，通过充放电接头对试验件施加可调的电参数并实时测量试验件的电参数的数据变化；s50，存储电路将主控电路测量得到的试验件的电参数的数据变化记录存储后传输至控制装置；s60，主控电路接收到启动信号后，向反馈信号输入电路发出充电或放电阶段的开始信号；s70，反馈信号输入电路控制活塞杆上下位移，并配合力传感器确保施加于试验件上的轴向外部荷载的实际值和预设值相同；s80，主控电路测量的试验件电压或容量达到上下限截止电压或容量条件时，会结束当前的充电或放电流程并记录次数，当次数未达到预先设定次数时，向反馈信号输入电路发送阶段切换信号；s90，反馈信号输入电路接收到阶段切换信号后根据预设轴向外部荷载控制活塞杆的位移距离从而改变对试验件的压力，随后主控电路对试验件施加不同的电参数再重复步骤s30～步骤s90直至主控电路记录的充电或放电循环次数达到预定次数；s100，主控电路记录的充电或放电循环次数达到预定次数时，停止充放电循环，并在控制装置中记录，最后结束测试。
10、在本发明提供的电池充放电加压试验方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤s10中，预设电参数条件的试验矩阵包括充放电电流、电压及循环次数。
11、在本发明提供的电池充放电加压试验方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤s40中，测量试验件的电参数的数据变化包括试验件的电压和电容数据。
12、发明的作用与效果
13、根据本发明所涉及的电池充放电加压试验系统及方法，因为电池充放电加压试验系统包括：控制装置，用于设定电参数条件的试验矩阵；电池测试装置，与控制装置和试验件连接，接收试验矩阵从而对试验件施加可调的电参数并实时测量、记录以及存储试验件的电参数的数据变化后将试验件的电参数的数据变化传输至控制装置；以及原位加载装置，与电池测试装置连接，根据试验矩阵对试验件施加预设可调的轴向外部荷载。
14、所以，本发明的电池充放电加压试验系统及方法可以实现在试验件充放电循环中不同阶段施加不同大小外部载荷，从而进一步提高硅电极锂离子电池的循环性能。
技术特征：
1.一种电池充放电加压试验系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的电池充放电加压试验系统，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的电池充放电加压试验系统，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的电池充放电加压试验系统，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的电池充放电加压试验系统，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的电池充放电加压试验系统，其特征在于：
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的电池充放电加压试验系统，其特征在于：
8.一种电池充放电加压试验方法，其特征在于，使用了权利要求1～7中任意一项所述的电池充放电加压试验系统，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的电池充放电加压试验方法，其特征在于：
10.根据权利要求8所述的电池充放电加压试验方法，其特征在于：
技术总结
本发明提供了一种电池充放电加压试验系统及方法，属于电池测试领域。电池充放电加压试验系统包括：控制装置，用于设定电参数条件的试验矩阵；电池测试装置，与控制装置和试验件连接，接收试验矩阵从而对试验件施加可调的电参数并实时测量、记录以及存储试验件的电参数的数据变化后将试验件的电参数的数据变化传输至控制装置；以及原位加载装置，与电池测试装置连接，根据试验矩阵对试验件施加预设可调的轴向外部荷载。本发明的电池充放电加压试验系统及方法可以实现在试验件充放电循环中不同阶段施加不同大小外部载荷，从而进一步提高硅电极锂离子电池的循环性能。
技术研发人员：张锴,何亿南,周俊武,袁清,田甜,王欣杨,史超逸
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23