CN101677138A - 一种锂离子电池化成方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池化成方法和装置，该方法是连接正负极对电池进行预充电，在预充电过程中，同时对电池内部保持负压，直至预充电结束下柜封口。该电池化成装置，包括连接电池的正负极导电板和电池夹具，所述正负极导电板与所述电池夹具电连接，所述装置还包括与电池注液孔相连的气管和真空机组，所述气管与所述真空机组连接。本发明化成方法和装置，使电池内部在预充电过程中处于负压，有利于气体的及时排出，提高了化成效率；也有利于减少驻留气体，有效地控制了电池尺寸；还可以确保电芯极组各区域能在短时间内反应均匀，去除了绝缘区域，解决了极片析锂问题，提高了电池性能和生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池，尤其涉及一种锂离子电池化成方法和装置。
背景技术
锂离子电池化成过程，也叫预充过程或首次充电过程，是指将电池在无电状态下充电，使之成为带电的原电池。化成过程因各厂家工艺差异而存在差别，有的化成过程会持续到电池满电后才结束，有的则在固体电解质界面膜(SEI)形成后即完成化成。目前锂离子电池生产中，除钢壳圆柱电池外，多使用注液孔开口化成的方法，其目的是为了使电池内部与外部保持气压平衡，以排出化成过程中电池内部产生的气体。但该方法实施过程中，往往为了防止空气倒吸，会在注液孔处封上胶带，再套上胶套，这就会造成化成过程中电池内部保持一定的正压，无法保证化成过程产生的气体被有效排出，这些驻留气体会形成绝缘区域，致使极组各区域反应不均匀，化成过程不能使产气反应进行完全，从而造成：1)活性材料的利用率降低，电化学性能下降；2)绝缘区域的存在使得分容和循环过程必然会导致部分区域析锂，影响安全性能；3)老化、分容、循环等过程依然可能会有气体产生，电池尺寸容易超标，电池型号越大则越明显；4)无法使用大电流化成，因为大电流化成的产气速度会远大于排气速度，这样就需要很长的化成时间。
发明内容
本发明的第一个目的就是为了弥补上述现有技术的不足，提供一种能够加快排气速度、降低气体驻留从而提高化成效率和质量的锂离子电池化成方法。
本发明的第二个目的是提供使用上述方法进行化成的装置。
本发明的第一个目的是通过以下技术方案予以解决的：
一种锂离子电池化成方法，连接正负极对电池进行预充电，在预充电过程中，同时对电池内部保持负压，直至预充电结束下柜封口。
所述负压保持在0.01MPa≤P＜0.1MPa，其中P为电池内部的气压值。
所述负压在化成过程中分时间段选择相异的气压值。
所述预充电过程根据不同材料体系的产气结果，选取0.15C～1C的容量作为化成容量，所述化成容量为化成产气完成80％时的容量起至标称容量的80％。
所述预充电过程选择的化成电流范围为0.05CA～1CA。
所述化成电流在所述预充电过程中分时间段选择相异的电流值。
所述化成电流为0.05CA～0.2CA，充电10min～60min后，所述化成电流改变为0.2CA～0.6CA，直至预充电过程结束。
本发明的第二个目的是通过以下技术方案予以解决的：
一种锂离子电池化成装置，包括连接电池的正负极导电板和电池夹具，所述正负极导电板与所述电池夹具电连接，所述装置还包括与电池注液孔相连的气管和真空机组，所述气管与所述真空机组连接。
所述气管包括总气管、分气管和支气管，所述支气管一端用于与电池注液孔相连，另一端通过所述分气管与所述总气管相连，所述总气管与所述真空机组连接，所述总气管上设置有第一阀门，所述分气管设置有第二阀门，所述第一阀门上安装有真空规。
上述电池化成装置还包括检测柜，所述检测柜包括至少1个检测层，所述检测层包括至少1个检测工位，所述电池夹具、支气管悬挂设置在所述检测工位上，正负极导电板横置于所述检测工位上，所述电池夹具固持所述正负极导电板，所述分气管设置在所述检测层上。
本发明与现有技术相比的技术效果是：
(1)本发明化成方法和装置，使得电池内部在预充电过程中处于负压，有利于气体的及时排出，提高了化成效率。
(2)预充电过程保持负压，有利于在老化、分容、循环等过程所产生气体的持续排出，减少驻留气体，有效地控制了电池尺寸。
(3)及时排除电芯极组内部的气体，可以确保电芯极组各区域能在短时间内反应均匀，去除了绝缘区域，解决了极片析锂问题，提高了电池性能和生产效率。
附图说明
图1本发明实施例的电池化成装置结构示意图；
图2实施例1的容量保持率比较图；
图3实施例2的容量保持率比较图；
图4实施例3的容量保持率比较图；
图5实施例4的容量保持率比较图；
图6实施例5的容量保持率比较图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明实现锂离子电池化成的方法，是将气管与电池注液孔相连，对注液孔周围进行密封处理，该气管与真空机组相连。启动真空机组对系统进行排气，真空机组将排出化成过程中电池内产生的气体，并使电池内部处于负压，连接电池正负极对电池进行预充电。在整个预充电过程中，电池内部保持负压，直至预充电结束下柜封口。作为优选方式，电池内部的气压保持在0.01MPa≤P＜0.1MPa范围内，其中，P为电池内部的气压值。更优的方式其气压保持在0.03MPa≤P＜0.08MPa。预充电过程中可以一直选取上述范围中的某一压强，也可以根据特殊需要，不同时间段选取不同的压强大小。
本发明化成方法的具体实施方式，可以根据不同材料体系的产气测试结果，选取0.15C～1C的容量作为化成容量，例如钴酸锂正极体系，当化成时，充入0.15C容量时，产气即完毕，而若是镍钴酸锂正极体系，则需要充入0.8C容量，产气才接近结束。以电池以5小时率放电时的标称容量为1000mAh为例，则可选150mAh～1000mAh作为化成时需要充进的容量；优选的化成容量为化成产气完成80％时的容量起至标称容量的80％。这样，电池在化成过程中产气完成，在之后的工作中不再产气，避免造成析锂和电池鼓胀等不利现象。
本发明化成方法的具体实施方式，可以选择0.05CA～1CA中的任一个倍率大小的电流作为化成电流，也可以是其中两个或两个以上倍率大小的电流的组合作为化成电流。例如电池以5小时率放电时的标称容量为1000mAh，可选50mA～1000mA中的任一大小的电流作为化成电流，也可以是其中两个或两个以上大小的电流进行前后组合作为化成电流；优选的电流大小化成方式为两种电流大小组合搭配方式，先以0.05CA～0.2CA的电流充电10min～60min，再以0.2CA～0.6CA的电流预充至结束。锂离子电池在化成初始阶段，存在SEI的形成过程，为了促进形成稳定的SEI，初始阶段使用小电流，之后可以使用较大电流。可以依据不同材料体系的导电特性和工艺特性，选择电流大小。
根据所选的化成容量、化成搭配电流，可以确定出需要的化成时间。
采用上述化成方法的电池化成装置，如图1所示，包括检测柜1、电池夹具2、连接电池的正负极导电板(图未示)、气管和真空机组(图未示)。检测柜1包括多个检测层，每个接测层包括多个检测工位，每个检测工位上悬挂安装有电池夹具2，电池夹具2将电池8固定住。电池夹具固持正负极导电板并与之点连接，连接电池的正负极以提供化成电流。气管设置在检测柜1中，气管的一端连接电池8的注液孔，另一端连接真空机组。
气管包括总气管6、分气管4和支气管3，支气管3悬挂设置在检测工位上，一端与电池8的注液孔相连，另一端通过悬置在检测层上的分气管4与总气管6相连。总气管6连接至真空机组。总气管6和分气管4可以采用不锈钢管、PVC管、PP管或PE管的任意一种。支气管3是可移动管，优选使用软体聚合物管。总气管6上设置有第一阀门7，分气管4上设置有第二阀门5，调节这些阀门可以控制排气的速度，从而控制电池8中的真空状态。第一阀门7上还设置有测量气压值的真空规。
以下结合具体的实施例进一步说明本发明的锂离子电池化成方法和装置。
实施例1：电池型号为423450A，正极材料使用钴酸锂，化成过程中先以0.2CA恒流充电15min，再以0.6CA恒流充电10min，整个化成时间为25min，充电容量为标称容量的20％。整个化成过程，管道抽气压强恒定为0.05MPa。使用上述化成方法的电池，在0.2CA恒流放电时钴酸锂的比容量为147.5mAh/g，在1CA恒流放电时钴酸锂的比容量为146.0mAh/g，常温下循环300次后，容量保持率达到87.4％。而使用目前常规化成方法以0.1CA恒流充电390min，在0.2CA恒流放电时钴酸锂的比容量只有146.3mAh/g，在1CA恒流放电时钴酸锂的比容量只有143.8mAh/g，常温下1CA循环300次后，容量保持率达到82.6％，如图2所示，粗线为采用本实施例方法时的容量保持率曲线，细线为采用现有方法时的容量保持率曲线。
实施例2：电池型号为423048A，正极材料使用钴酸锂和镍钴锰酸锂的混合体系，先以0.1CA恒流充电30min，然后以0.3CA恒流充电30min，再以0.5CA电流充电12min，整个化成时间为72min，充电容量为标称容量的30％。前60min预充时，管道抽气压强恒定为0.05MPa，后12min恒流充电时，抽气压强恒定为0.08MPa。使用上述化成方法的电池，在0.2CA恒流放电时正极活性物质的比容量为149.7mAh/g，在1CA恒流放电时正极活性物质的比容量为145.8mAh/g，常温下1CA循环300次后，容量保持率达到88.9％。而使用目前常规化成方法以0.1CA恒流充电390min，在0.2CA恒流放电时正极活性物质的比容量只有148.8mAh/g，在1CA恒流放电时正极活性物质的比容量只有143.6mAh/g，常温下循环300次后，容量保持率达到85.5％，如图3所示，粗线为采用本实施例方法时的容量保持率曲线，细线为采用现有方法时的容量保持率曲线。
实施例3：电池型号为053048A，正极材料使用锰酸锂和镍钴锰酸锂的混合体系，先以0.1CA恒流充电30min，然后以0.3CA恒流充电30min，再以0.6CA电流充电30min，整个化成时间为90min，充电容量为标称容量的50％。前60min充电时，管道抽气压强恒定为0.04MPa，后20min充电时，抽气压强恒定为0.08MPa。使用上述化成方法的电池，在0.2CA恒流放电时正极活性物质的比容量为129.5mAh/g，在1CA恒流放电时正极活性物质的比容量为126.4mAh/g，常温下1CA循环300次后，容量保持率达到85.1％。而使用目前常规化成方法以0.1CA预充390min，在0.2CA恒流放电时正极活性物质的比容量只有128.1mAh/g，在1CA恒流放电时正极活性物质的比容量只有124.5mAh/g，常温下循环300次后，容量保持率达到81.9％，如图4所示，粗线为采用本实施例方法时的容量保持率曲线，细线为采用现有方法时的容量保持率曲线。
实施例4：电池型号为103450A，正极材料使用钴酸锂和镍钴酸锂的混合体系，先以0.2C恒流充电15min，然后以0.3CA恒流充电30min，再以0.6CA恒流充电30min，整个化成时间为75min，充电容量为标称容量的50％。前45min充电时，管道抽气压强恒定为0.03MPa，后30min充电时，抽气压强恒定为0.06MPa。使用上述化成方法的电池，在0.2CA恒流放电时正极活性物质的比容量为156.8mAh/g，在1CA恒流放电时正极活性物质的比容量为151.5mAh/g，常温下1CA循环300次后，容量保持率达到85.6％，满电负极片表面无明显析锂现象，并统计封口后、老化后、分容后、高温清洗后的电池寸，结果均正常。而使用上述同样的化成工步，但化成过程不抽气，但在0.2CA恒流放电时正极活性物质的比容量只有153.1mAh/g，在1CA恒流放电时正极活性物质的比容量只有146.5mAh/g，常温下循环300次后，容量保持率达到82.6％。常规化成方法，从老化起各阶段尺寸较化成封口后尺寸增长明显大于本发明法的尺寸结果，如表1和图5所示，图5中粗线为采用本实施例方法时的容量保持率曲线，细线为采用现有方法时的容量保持率曲线。可见本发明方法有利于控制了电池尺寸，尤其有效于控制较大型号电池的尺寸。
表1两种方法200pcs电池比较
实施例5：电池型号为277082S，正极材料使用磷酸铁锂，先以0.1CA恒流充电60min，然后以0.5CA恒流充电30min，整个化成时间为90min，充电容量为标称容量的35％。整个化成过程，管道抽气压强恒定为0.04MPa。使用上述化成方法的电池，在1CA恒流放电时磷酸铁锂的比容量为125.8mAh/g，在5C恒流放电时磷酸铁锂的比容量为119.7mAh/g，常温下1CA充电3CA放电循环500次后，容量保持率达到95.97％。而使用目前常规化成方法，在1CA恒流放电时正极活性物质的比容量只有122.7mAh/g，在3CA恒流放电时正极活性物质的比容量只有115.6mAh/g，常温下1CA充电3CA放电循环500次后，容量保持率达到93.79％，如图6所示，粗线为采用本实施例方法时的容量保持率曲线，细线为采用现有方法时的容量保持率曲线。
可见，使用本发明的化成方法可以缩短预充时间，提高生产效率，并有效地提高了电池性能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种锂离子电池化成方法，连接正负极对电池进行预充电，其特征在于：在预充电过程中，同时对电池内部保持负压，直至预充电结束下柜封口。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池化成方法，其特征在于：所述负压保持在0.01MPa≤P＜0.1MPa，其中P为电池内部的气压值。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池化成方法，其特征在于：所述负压在化成过程中分时间段选择相异的气压值。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的锂离子电池化成方法，其特征在于：所述预充电过程根据不同材料体系的产气结果，选取0.15C～1C的容量作为化成容量，所述化成容量为化成产气完成80％时的容量起至标称容量的80％。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的锂离子电池化成方法，其特征在于：所述预充电过程选择的化成电流范围为0.05CA～1CA。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池化成方法，其特征在于：所述化成电流在所述预充电过程中分时间段选择相异的电流值。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池化成方法，其特征在于：所述化成电流为0.05CA～0.2CA，充电10min～60min后，所述化成电流改变为0.2CA～0.6CA，直至预充电过程结束。
8.一种锂离子电池化成装置，包括连接电池的正负极导电板和电池夹具(2)，所述正负极导电板与所述电池夹具(2)电连接，其特征在于：还包括与电池注液孔相连的气管和真空机组，所述气管与所述真空机组连接。
9.根据权利要求8所述的电池化成装置，其特征在于：所述气管包括总气管(6)、分气管(4)和支气管(3)，所述支气管(3)一端用于与电池注液孔相连，另一端通过所述分气管(4)与所述总气管(6)相连，所述总气管(6)与所述真空机组连接，所述总气管(6)上设置有第一阀门(7)，所述分气管(4)上设置有第二阀门(5)，所述第一阀门(7)上安装有真空规。
10.根据权利要求9所述的电池化成装置，其特征在于：还包括检测柜(1)，所述检测柜(1)包括至少1个检测层，所述检测层包括至少1个检测工位，所述电池夹具(2)、支气管(3)悬挂设置在所述检测工位上，正负极导电板横置于所述检测工位上，所述电池夹具(2)固持所述正负极导电板，所述分气管(4)设置在所述检测层上。
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