一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法与流程

1.本发明涉及固态锂电池技术领域，特别涉及了一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法。


背景技术：

2.液态电池包括正极、负极、电解液、隔膜及外部件，也被称为“摇椅式电池”，中间是液态电解液，两端是正负两极，锂离子在正负极之间进行重复迁移，从而实现电池能量存储和释放。全固态电池使用电子绝缘性和离子导电性的固态电解质，替代传统隔膜与液态电解液，简化了电池的组成。
3.由于传统电池在低温环境下的性能大幅降低，因此提高室外低温环境下电池的容量保持率和稳定性尤为重要。随着能量与安全需求与传统电池的矛盾日益突出，全固态电池由于使用电子绝缘性和离子导电性的固态电解质，替代传统隔膜与液态电解液，简化了电池的组成，且能量密度高、安全性好而成为下一代最受关注的电化学储能电池之一。因此，该技术正在迅速发展，并在电动汽车、储微网系统、便携式电子设备中得到了研究与应用。但常规全固态电池仍未解决在低温环境下电池容量保持率以及电池倍率较低的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术中传统全固态锂离子电池在低温环境下的容量保持率和倍率性能下降，影响电池性能及寿命，影响电池在低温环境的运用的可靠性的问题，提供了一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法，从正负极材料体系、固态电解质体系、电池结构制作工艺等方面对全固态锂离子电池进行了研究，得到了在低温环境下的电池容量保持率以及电池倍率具有显著提升的全固态锂离子电池。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法，包括下列步骤：s1：分析全固态锂离子电池负极低温性失效的主要因素，得到低温环境下负极材料的选择依据；s2：分析全固态锂离子电池正极低温性失效的主要因素，得到低温环境下正极材料的选择依据；s3：分析低温下固态锂离子电池固态电解质材料体系，对固态电解质在低温条件下性能进行改性，合成固态电解质膜；s4：根据s1-s2的分析结果，选择正极和负极材料，并选择装配方式进行装配，得到应用于低温环境下的全固态锂离子电池。
6.本发明通过对全固态电池关键材料在低温环境下材料性能衰减机理的研究，发现了正极材料、负极材料低温环境下的衰减机理，并提出了对于低温环境下负极材料和正极材料的选择标准和依据；通过有机合成，设计现有固态电解质的聚合物性质，进行固态电解质在低温条件下性能的有效改性；通过设计合理的电池装配方式，提高过电流能力，优化了
电极结构。综上，本发明从正负极材料体系、固态电解质体系、电池结构制作工艺等方面进行了研究，并构建低温电池组系统，适合在低温环境下运用。
7.作为优选，所述步骤s1包括：s1.1：构建石墨半电池交流阻抗等效模型，测量不同温度下石墨负极半电池的交流阻抗；s1.2：根据测量结果，判断电池数据与温度的关系，得到限制石墨半电池低温性能主要因素；s1.3：根据s1.2的分析结果，得到低温环境下负极材料的选择依据。
8.低温下负极对于电池容量保持率会进行限制，石墨是目前应用最广泛的负极材料，其嵌入性锂位置多，容量高，是非常理想的一种锂离子储能电池负极材料，因此本发明可以将石墨类材料作为电池负极进行低温性失效研究。
9.作为优选，所述步骤s2进一步包括：s2.1：利用小倍率恒流充放电检测法检测正极材料电化学性能，分析低温下正极材料活化性能是否影响全固态锂离子电池性能；s2.2：利用正极半电池的电化学阻抗，分析离子传输是否影响全固态锂离子电池性能；s2.3：分析低温下正极材料锂离子扩散系数是否影响全固态锂离子电池性能。
10.正极是锂离子和电子的传输中心，在低温条件下，将会限制电池充放电速率。选用合适的正极材料对电池在低温环境下使用至关重要。三元正极具有电压高、容量大的电化学性能，是最具潜力一种的正极材料。因此本发明可以选用三元材料作为电池正极进行低温性失效研究。
11.利用正极半电池的电化学阻抗，分析离子传输是否影响全固态锂离子电池性能：比较在25℃和0℃下，三组充电到不同截止电压下的ncm523半电池的电化学阻抗，并计算电化学阻抗参数。在每组电池用0.1c小倍率电流进行不同截止电压的充电前，应进行3圈室温循环。此外，在eis检测前，每组电池都需保持电池开路状态，在测试温度下放置半小时，以便确保电池内外温度一致和开路电压稳定。根据电化学阻抗参数，判断离子嵌入脱出与sei膜锂离子传输是否影响电池低温性能。
12.分析低温下正极材料锂离子扩散系数是否影响全固态锂离子电池性能包括计算锂离子扩散系数，检测ncm523不同温度下晶格收缩情况。
13.作为优选，所述步骤s2.1进一步包括：s2.1.1：对正极半电池进行室温循环，检测其在不同温度下的充放电曲线，判断低温是否影响全固态锂离子电池放电容量；s2.1.2：在室温下对正极半电池进行预活化，并根据预活化圈数对正极半电池进行编号；s2.1.3：分析低温下预活化圈数对于放电容量的影响。
14.小倍率恒流充放电检测正极材料电化学性能，存在足够脱嵌锂时间，充分反映电池容量、电压等性能，是一种常用检测方法。每次温度改变时，电池静放半小时，确保电池内外温度一致。拼装5组扣式半电池，并根据室温预活化圈数进行编号，进行0℃低温检测前，先进行1圈25℃室温循环。
15.作为优选，所述步骤s3进一步包括：s3.1：分析peo基固态聚合物的电解质在低温下的链段移动能力；
s3.2：通过有机合成，对peo端基进行改性，将peo的柔性链段与刚性链段相结合，得到peo-bta；s3.3：将经过litfsi混合生产的peo-bta spe作为固态电解质膜。
16.传统的peo基固态聚合物电解质膜，在低温下呈结晶态，链段移动能力较差，通过有机合成，并合理设计peo分子结构生产的聚合物基质，是保持固态电解质在低温条件下性能的有效改性方法。具体的，对peo端基进行改性，并通过有机合成，在分子链两端结合活性基端(-o-(cs)-nh-(ch2ch2o)2-ch2ch2nh2)合成peo-bta，得到具有机械性能和电化学性能的聚合物基体。选择有机合成方法，通过改性peo活性端基(-oh)，得到的peo-bta spe，具有良好可塑性、机械特性以及电气特性。
17.作为优选，所述方法还包括：s5：在不同环境温度下对得到的应用于低温环境下的全固态锂离子电池的性能进行测试，并与常规现有全固态锂离子电池在低温环境电池的化学特性进行实验对比。
18.在测试温度时，可以采用mq-dt50高低温试验箱来精准控制和模拟，并采用land ct2001a电池测试系统测试其在-40℃～60℃不同环境温度下的性能，与市面上的常规全固态电池进行比较。
19.作为优选，所述步骤s5进一步包括：在户外低温环境下检测电池性能，并在检测电池性能前先进行室温循环，预活化电池性能，调整电池内部温度。
20.在调整电池内部温度之后再进行低温试验，同时软包电池有自加热部件。
21.作为优选，所述步骤s1.2中，所述电池数据与温度的关系包括：电池内阻与温度的关系、sei电阻与温度的关系以及电荷转移电阻与温度的关系。
22.根据阻抗与温度的变化关系，判断电解质、sei膜的离子电导率以及锂离子在石墨和电解质界面之间的电荷转移过程是否是低温下全固态锂离子电池性能急剧下降的主要原因。
23.作为优选，所述步骤s4中，采用叠片异端出极耳方式对全固态锂离子电池进行装配。
24.采用更宽的极耳，降低内阻，并降低电池倍率放电的温升，从而增加过电流的能力。
25.因此，本发明具有如下有益效果：1、对全固态电池关键材料在低温环境下材料性能衰减机理的研究，发现了正极材料、负极材料低温环境下的衰减机理，并提出了对于低温环境下负极材料和正极材料的选择标准和依据；2、通过peo的活性端基(-oh)，对peo进行改性，得到了具有机械性能和电化学性能的聚合物基体，提高了固态电解质膜在低温环境下的机械性和离子电导率，适合低温环境的运用；3、采用叠片异端出极耳方式对全固态锂离子电池进行装配，降低了电池内阻，并降低了电池倍率放电的温升，增加了电池过电流的能力；4、本发明通过合理设计与选材设计出适用于低温条件下的全固态电池，相较于常规现有全固态电池的电池容量保持率得到了明显的提升，并且在电池倍率性能等方面存在优势。
附图说明
26.图1为本发明方法的具体操作流程图。
27.图2是实施例一中典型石墨负极半电池交流阻抗等效模型图。
28.图3是实施例一中不同温度下石墨负极半电池阻抗的变化曲线图。
29.图4是实施例一中不同温度下石墨负极半电池充电容量的变化曲线图。
30.图5是实施例一中扣式电池不同温度、不同电压下的充放电曲线图。
31.图6是实施例一中三元正极不同温度的循环性能图。
32.图7是实施例一中扣式半电池预活化不同圈数后的正极循环性能图。
33.图8是实施例一中不同温度、电压的电阻抗和锂离子扩散系数表。
34.图9是实施例一中不同温度下的晶格参数示意表。
35.图10是实施例一中peo-bta spe和peo spe的阻抗。
具体实施方式
36.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：如图1所示的实施例中，可以看到一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法，其操作流程为：步骤一，分析全固态锂离子电池负极低温性失效的主要因素，得到低温环境下负极材料的选择依据；步骤二，分析全固态锂离子电池正极低温性失效的主要因素，得到低温环境下正极材料的选择依据；步骤三，分析低温下固态锂离子电池固态电解质材料体系，对固态电解质在低温条件下性能进行改性，合成固态电解质膜；步骤四，选择正极和负极材料，并选择合理的装配方式进行装配，得到应用于低温环境下的全固态锂离子电池。
37.现有技术中低温环境下提升全固态电池的充电容量和稳定性的方法有：电池自加热设计；通过电池材料纳米化，改善电池的使用特性；对固态电解质体系电池的开发等方式。
38.而本发明针对全固态电池充放电原理，对全固态电池的失效机制和高低温性能进行研究，本发明研究的低温范围为低于常温的户外环境。通过合理设计与选材设计出适用于低温条件下的全固态电池，本发明设计的全固态电池在相同低温环境下相较于常规现有全固态电池的电池容量保持率得到了明显的提升，并且在电池倍率性能等方面存在优势。
39.下面通过具体的例子，进一步说明本技术的技术方案。
40.第一步(负极对全固态电池低温性失效影响分析)：分析全固态锂离子电池负极低温性失效的主要因素，得到低温环境下负极材料的选择依据。
41.石墨是目前应用最广泛的负极材料，其嵌入性锂位置多，容量高，是非常理想的一种锂离子储能电池负极材料，因此本实施例将石墨类材料作为电池负极，分析全固态锂离子电池负极低温性失效的主要因素。
42.典型石墨负极半电池交流阻抗等效模型如图2所示，其中re是电池系统内阻，包括电解液、电极及隔膜内阻；rf、cf分别是sei电阻、电容；rct、cdl分别是电荷转移电阻及相关双层电容；w为warburg阻抗，由锂离子半无限分散产生。
43.为研究石墨负极半电池在低温下容量衰减的原因，本实施例测量了不同温度下石墨负极半电池的交流阻抗，测量结果如图3所示(图3为不同温度下re，rf，rct的变化曲线)：三种电阻阻值均随温度降低而增大。
44.如图3所示，随着温度的降低，re和rf以大致相同的速率增加，并且其增长趋势是
连续的，不表现低温下容量显著下降时所反映的突然增加。由此可得：电解质和sei膜的离子电导率并不是低温下电池性能急剧下降的主要原因。rct的增长速率相对于re和rf都要快得多，并且温度越低，越占主要因素。可知，限制石墨半电池低温性能主要原因是锂离子在石墨和电解质界面之间的电荷转移过程。
45.而锂离子在石墨和电解质界面之间的电荷转移过程包括脱出过程与嵌入过程。
46.对脱出过程，本实施例进行了以下比较，得到如图4的结果：图4为不同温度，石墨电池在0.1ma/cm2电流密度下首次放电至0.002v后，充电容量随温度变化曲线。图4中显示，-20℃、-30℃的锂离子脱出容量分别为25℃的94％和88％，由此可以看出，锂离子脱出过程受温度影响较小。
47.因此，可以得到，锂离子的嵌入过程是限制石墨半电池低温性能的主要原因。
48.分析得到全固态锂离子电池负极低温性失效的主要因素(即低温下负极对于电池容量保持率的限制原因)后，即可得到低温环境下负极材料的选择依据，从而选择合适的负极材料，适合的负极材料对于全固态锂离子电池低温性能的影响非常重要。
49.第二步(正极对全固态电池低温性失效影响分析)：分析全固态锂离子电池正极低温性失效的主要因素，得到低温环境下正极材料的选择依据。
50.正极是锂离子和电子的传输中心，在低温条件下，将会限制电池充放电速率，选用合适的正极材料对电池在低温环境下使用至关重要。三元正极具有电压高、容量大的电化学性能，是最具潜力一种的正极材料，因此本实施例选用三元材料作为电池正极进行低温性失效研究。
51.1、利用小倍率恒流充放电检测正极材料电化学性能。
52.该方法存在足够脱嵌锂时间，充分反映电池容量、电压等性能，是一种常用检测方法。本实施例采用ncm523正极材料，对扣式电池进行了2圈室温循环，检测其在不同温度下0.1c、2.0—4.8v间充放电曲线；每次温度改变时，电池静放半小时，确保电池内外温度一致，检测结果如图5所示。可得到在曲线上，室温与低温充电之间存在着差异：温度不到10℃时，接近4.7v时的ncm523活化平台消失，三元正极放电容量与放电电压都随着检测温度的下降而下降，低温下极化的加重导致电压下降。
53.图6表示三元正极的循环性能，其参数是0.1c(0.1c是恒流充放电的倍率；1h充满理论容量为1c，0.1c就是10小时充满)、2.0-4.8v，温度分别在25℃、10℃、0℃、-5℃下，测得的数据。由图6可得，随着温度降低，三元正极可逆放电容量由25℃的235mahg-1、10℃的175mahg-1降至0℃的78mahg-1和-5℃的55mahg-1，可得温度对循环过程的放电容量影响较大。
54.本实施例通过室温下使ncm523预活化一定循环圈数，提升低温下正极性能。具体为：拼装5组扣式半电池，并根据室温预活化圈数进行编号，即样品25-1为该组电池，进行0℃低温检测前，先进行1圈25℃室温循环。结果如图7所示，可知，不曾室温下预活化的放电容量仅78mahg-1，而进行1圈室温预活化，放电容量增加到122mahg-1，证明正极低温性能可通过室温预活化提高。正极0℃放电容量随室温预活化次数增加，增幅变缓，表明ncm523第1圈的活化对放电容量的增幅起主要原因。且，进行5圈室温循环，继续增加预活化圈数，几乎不再增加放电容量，表明第5圈已完成ncm523在室温条件下的活化，放电容量由78mahg-1增至135mahg-1。
55.以上说明在低温充放电过程中，正极材料未充分活化，导致极化加重，容量没有得到充分利用，是导致放电容量降低的一个原因。然而，与25℃时的235mahg-1，仍有较大差距，表明除了ncm523失活外，还有其他因素限制正极在低温下的容量保持率。
56.2、利用电化学阻抗检测正极材料低温失效影响因素。
57.为探究其他因素，本实施例比较了在25℃和0℃下，三组充电到不同截止电压下的ncm523半电池的电化学阻抗，并用模拟得到了电化学阻抗参数，如图8所示。在进行eis检测前，每组电池用0.1c小倍率电流进行不同截止电压的充电前，应进行3圈室温循环，3.0v、4.0v、4.7v分别对应soc0％、soc50％、soc100％。此外，在is检测前，每组电池都需保持电池开路状态，在测试温度下放置半小时，以便确保电池内外温度一致和开路电压稳定。
58.图8可知，在相同的电压条件下，电池电化学阻抗在0℃时要大于25℃时。以4.0v为例，电解液阻抗rb在0℃为1.7ω，sei膜阻抗rsei在0℃为510.9ω，电荷转移阻抗rct在0℃为3.3kω，相比于电池在25℃时的电解液阻抗rb为2.1ω、sei膜阻抗rsei为80.7ω和电荷转移阻抗rct为0.3kω，sei膜阻抗提高到6.3倍，电荷转移阻抗提高到11倍，由此可得，离子嵌入脱出与sei膜锂离子传输变差共同对电池低温性能产生了影响。
59.3、分析锂离子迁移速率对正极材料低温失效影响。
60.进一步研究，本实施例计算了li+的扩散系数，扩散系数相关公式如下：dli
+
＝r2t2/2a2n4f4c2σ2式中：r为气体常数，t为开尔文温度，a为正极极片表面积，n为反映转移过程li+摩尔数，f为阿伏伽德罗常数，c为正极晶体内部的li+浓度，σ为warburg系数。(t是温度，k是开氏度，t/k就是指只要温度数据，不要单位)利用eis阻抗谱warburg扩散斜线取点，通过公式z
′
＝rb+r
ct
+σω-1/2
作“z
’‑
ω-1/2”曲线，得到σ系数代入扩散系数相关公式，得到li+扩散系数dli
+
，结果见图8。由此可得，检测温度由25℃降至0℃时，电池中的锂离子扩散系数dli
+
明显下降达到1～2个数量级。
61.li+在晶体中的扩散系数不仅与温度有关，还受扩散通道影响。扩散通道受晶胞体积的影响，因此热胀冷缩导致低温下晶格的高度收缩，从而极大阻碍li+在晶格中电能传输。本实施例详细检测了ncm523不同温度下晶格收缩情况，分析了xrd中20-21
°
和44-45
°
之间的两个衍射峰，前者对应020晶面，后者由133和104晶面共同组成。并采用revietld拟合的晶格参数，如图9所示(锂过渡金属氧化物xli2mno3
·
(1-x)limo2(m＝ni,co或mn)0《x《1，三维空间中的晶格一般有3个晶格常数，分别用a,b和c来表示，(c2/m)(r3m)为组分的空间群结构类型)。
62.综上所述，正极材料低温电化学性能衰减的主要原因是低温下电极材料的晶格收缩，致使锂离子嵌入脱出困难，同时sei膜和体相中的li+迁移速率也受低温影响。
63.第三步(低温下固态电解质材料体系的分析)：分析低温下固态锂离子电池固态电解质材料体系，对固态电解质在低温条件下性能进行改性，合成固态电解质膜。
64.peo基固态聚合物的电解质有稳定的物理和电化学性能，是目前全固态锂电池体系在电动汽车商业化应用。但由于其在低温下呈结晶态，链段移动能力较差，通过有机合成，并合理设计peo分子结构生产的聚合物基质，是保持固态电解质在低温条件下性能的有效改性方法。
65.通过peo的活性端基(-oh)，可以对其进行改性，将柔性链段与刚性链段相结合，可
以制备出具有机械性能和电化学性能的聚合物基体。本实施例选择对peo端基进行改性，并通过在分子链两端结合活性基端(-o-(cs)-nh-(ch2ch2o)2-ch2ch2nh2)合成peo-bta，并经过litfsi混合生产的peo-bta spe作为本实施例固态电解质膜。
66.如图10所示，通过eis的测试可知，peo改性得到的peo-bta spe固态电解质膜在室温下的离子电导率高达1.2
×
10-4scm-1，相较于纯peo spe固态电解质膜的离子电导率7.8
×
10-6scm-1，提高2个数量级，更适应低温环境下全固态电池的应用。
67.本实施例选择有机合成方法，通过改性peo活性端基(-oh)，得到的peo-bta spe，具有良好可塑性、机械特性以及电气特性。
68.第四步：根据第一步和第二步的分析结果，选择正极和负极材料，并选择合理的装配方式进行装配，得到应用于低温环境下的全固态锂离子电池。
69.根据研究结果和全固态电池制备工艺确定性能优良且匹配性良好的固态电解质和电极材料体系。
70.1、选择负极材料。
71.新型负极材料中间相碳微球(mg11)，颗粒为球状，粒径大小为7.71μm到15.5μm，分布集中，比表面积大，具有不饱和碳原子构成的三维纳米孔和纳米通道，并与sei膜形成溶剂化的锂离子，通过化学键吸附提高了sei膜的稳定性。mg11低温下具有低阻抗，同时纳米孔和纳米通道可阻止其他分子通过，避免了由于固态电解质嵌入导致的电极自分解，提高了低温与倍率性能。因此本实施例选用中钢碳素的mg11碳微球作为负极材料，wra268作为负极的粘结剂配合使用，降低电池的rct值，提升低温下电池容量保持率。
72.2、选择负极材料。
73.锂离子传输通道顺畅、内部结构及电极-电解液界面稳定的提高可通过合理地选择正极材料的粒径、形状、包覆或混合改性，同时采用预活化手段。桑顿sncm523和当升encm523两种三元材料是目前低温性能比较好的，有比较适宜的结构和形貌。但在低温下，(当升)encm523比(桑动)sncm523具有更高的容量保持率，因此，本实施例选用encm523为正极材料。
74.3、选择电池装配方式。
75.目前电池装配多为卷绕同端出极耳方式，由于连接条厚度较薄，限制了电池的放电电流、并且卷芯装配中极耳较多，电池一致性难以保障。故本实施例采用叠片异端出极耳方式进行装配，采用更宽的极耳，降低内阻，并降低电池倍率放电的温升，从而增加过电流的能力。
76.本实施例选用的电池材料配合相对应的电池制备工艺，组装成16ah的低温电池组。
77.本实施例通过对全固态电池关键材料在低温环境下材料性能衰减机理的研究，发现了正极材料、负极材料低温环境下的衰减机理，并提出了对于低温环境下石墨类负极材料和正极三元材料的选择标准和依据；通过研究对peo活性端基进行改性的方式，合成的固态电解质膜，低温下机械性和离子电导率良好，适合低温环境的运用；通过采用叠片异端出极耳的方式，采用更宽极耳，提高过电流能力，优化了电极结构。综上，本实施例从正负极材料体系、固态电解质体系、电池结构制作工艺等方面进行了研究，并构建低温电池组系统，适合在低温环境下运用。
78.实施例二：本实施例在实施例一的基础上，还包括：第五步：在不同环境温度下对得到的应用于低温环境下的全固态锂离子电池的性能进行测试，并与常规现有全固态锂离子电池在低温环境电池的化学特性进行实验对比。
79.本实施例的测试温度通过mq-dt50高低温试验箱来精准控制和模拟，并采用land ct2001a电池测试系统测试其在-40℃～60℃不同环境温度下的性能，并与市面上的常规全固态电池进行比较。在进行户外低温环境下检测电池性能前，电池先进行室温循环5次，来预活化电池性能，调整电池内部温度，之后进行低温实验，同时软包电池有自加热部件。
80.通过将本实施例设计的全固态电池和常规现有全固态电池在低温条件电池的化学特性进行实验对比，说明本实施例设计的全固态电池在相同低温环境下相较于常规现有全固态电池的电池容量保持率得到了明显的提升，并且在电池倍率性能等方面存在优势。
81.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

技术特征：
1.一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：分析全固态锂离子电池负极低温性失效的主要因素，得到低温环境下负极材料的选择依据；s2：分析全固态锂离子电池正极低温性失效的主要因素，得到低温环境下正极材料的选择依据；s3：分析低温下全固态锂离子电池固态电解质材料体系，对固态电解质在低温条件下性能进行改性，合成固态电解质膜；s4：根据s1-s2的分析结果，选择正极和负极材料，并选择装配方式进行装配，得到应用于低温环境下的全固态锂离子电池。2.根据权利要求1所述的一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法，其特征在于，所述步骤s1包括：s1.1：构建石墨半电池交流阻抗等效模型，测量不同温度下石墨负极半电池的交流阻抗；s1.2：根据测量结果，判断电池数据与温度的关系，得到限制石墨半电池低温性能主要因素；s1.3：根据s1.2的分析结果，得到低温环境下负极材料的选择依据。3.根据权利要求1所述的一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法，其特征在于，所述步骤s2进一步包括：s2.1：利用小倍率恒流充放电检测法检测正极材料电化学性能，分析低温下正极材料活化性能是否影响全固态锂离子电池性能；s2.2：利用正极半电池的电化学阻抗，分析离子传输是否影响全固态锂离子电池性能；s2.3：分析低温下正极材料锂离子扩散系数是否影响全固态锂离子电池性能。4.根据权利要求3所述的一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法，其特征在于，所述步骤s2.1进一步包括：s2.1.1：对正极半电池进行室温循环，检测其在不同温度下的充放电曲线，判断低温是否影响全固态锂离子电池放电容量；s2.1.2：在室温下对正极半电池进行预活化，并根据预活化圈数对正极半电池进行编号；s2.1.3：分析低温下预活化圈数对于放电容量的影响。5.根据权利要求1所述的一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法，其特征在于，所述步骤s3进一步包括：s3.1：分析peo基固态聚合物的电解质在低温下的链段移动能力；s3.2：通过有机合成，对peo端基进行改性，将peo的柔性链段与刚性链段相结合，得到peo-bta；s3.3：将经过litfsi混合生产的peo-bta spe作为固态电解质膜。6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法，其特征在于，所述方法还包括：s5：在不同环境温度下对得到的应用于低温环境下的全固态锂离子电池的性能进行测试，并与常规现有全固态锂离子电池在低温环境电池的化学特性进行实验对比。
7.根据权利要求6所述的一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法，其特征在于，所述步骤s5进一步包括：在户外低温环境下检测电池性能，并在检测电池性能前先进行室温循环，预活化电池性能，调整电池内部温度。8.根据权利要求2所述的一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法，其特征在于，所述电池数据与温度的关系包括：电池内阻与温度的关系、sei电阻与温度的关系以及电荷转移电阻与温度的关系。9.根据权利要求1或2或3或5所述的一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法，其特征在于，所述步骤s4中，采用叠片异端出极耳方式对全固态锂离子电池进行装配。

技术总结
本发明公开了一种应用于低温环境下的全固态锂离子电池设计方法，克服现有技术中全固态锂离子电池在低温环境下的容量保持率和倍率性能下降的问题，包括：分析全固态锂离子电池负极低温性失效的主要因素，得到低温环境下负极材料的选择依据；分析全固态锂离子电池正极低温性失效的主要因素，得到低温环境下正极材料的选择依据；对固态电解质在低温条件下性能进行改性，合成固态电解质膜；选择正极和负极材料，并选择装配方式进行装配，得到应用于低温环境下的全固态锂离子电池。从正负极材料体系、固态电解质体系、电池结构制作工艺对全固态锂离子电池进行研究，得到了在低温环境下的电池容量保持率以及电池倍率具有显著提升的全固态锂离子电池。的全固态锂离子电池。的全固态锂离子电池。


技术研发人员：顾伟 曹征领 岳灵平 刘平平 周政 许大令 殷志敏 张云峰
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司湖州供电公司
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/8/21