CN101887994B - 锂离子电池真空化成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池真空化成方法，该方法采用同时具有注液和充电功能的一体化夹具以及同时具有充电和抽真空功能的真空化成装置完成电池的注液及化成工艺，所述真空化成装置对放置在一体化夹具内的电池进行充电，电池通过一体化夹具与真空化成装置之间实现电连接。该真空化成方法提供了密闭可控的微环境，减少电解液的浪费、避免了电解液的溢出损耗以及对电池外壳、夹具或充电设备的腐蚀，有效减小了对环境的污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池的制造加工方法，更具体地，涉及一种锂离子电池真空化成方法。
背景技术
近年来，随着对不可再生能源危机和环境保护的重视，绿色环保的锂离子电池在手机移动电源、电动车、电动工具和电动玩具等方面的应用取得了快速发展。在现有的锂离子电池的制造过程中，锂离子电池注液和化成(即锂离子电池的第一次充电)工艺一般是分开操作的。首先，通常采用倒吸抽真空注液的方式或者利用带有密封圈的夹具进行注液操作。倒吸抽真空注液是将电池倒置于一个底部装有电解液的密闭容器内，然后抽真空，在气压作用下，电解液进入电池内部，从而完成注液过程。而利用带有密封圈的夹具进行注液操作，是在电池的注液孔上方连接电解液容器，而电池的注液孔与电解液容器通过密封圈实现密封，随后往容器内注液，接着抽真空，同样，在气压作用下，电解液进入电池内部完成注液操作。现有的化成设备为密集型多点恒流充电柜，此类化成柜具有256、512或其他数量的充电点，每个充电点包括正极端和负极端，将充电点的正极端和负极端与电池的相应极对接，从而完成化成工艺。现有的生产过程中，锂离子电池化成工艺为开口化成工艺，一般是在将电解液注入电池之后，采用简易胶纸暂时密封注液孔，然后直接在开放的大环境下进行化成工艺。
在化成工艺中电池内部会产生正压力，由于上述化成工艺在开放的环境中进行，因而电池内部所产生的正压力极易造成电解液的外溢，这必然导致电解液的浪费；其次，电解液与外界空气长期接触，空气中的水蒸气与电解液发生反应将会导致电解液变质，若这部分电解液回流到电池内部将会严重影响到电池的各项性能，例如容量、电压等等；另外，由于溢出的电解液直接流到电池外部，可能腐蚀充电设备和电池外壳；再者，挥发到空气中的电解液将会与空气一起形成混合气体，而该混合气体对于长期作业的操作人员是有害的，会引起其皮肤和呼吸系统的不良反应，同时，溢出的电解液和随后形成的混合气体均会造成对环境的污染。
因此，有必要提供一种新型的锂离子电池化成方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种改进的锂离子电池真空化成方法，其可以减少电解液的浪费、防止对设备和电池外壳的腐蚀并且避免电池化成过程中对环境的污染以及对操作人员的不良影响。
本发明的一种技术方案是这样实现的：提供一种锂离子电池真空化成方法，该方法包括：采用同时具有注液和充电功能的一体化夹具完成电池的注液；采用同时具有充电和抽真空功能的真空化成装置完成电池的化成工艺；其中，在化成工艺中，真空化成装置对放置在一体化夹具内的电池进行充电，电池通过一体化夹具与真空化成装置之间实现电连接。
优选的，所述方法包括以下步骤：(1)、第一次抽真空、充气；(2)、抽真空静置；(3)、充电；(4)、第二次抽真空、充气。
优选的，所述真空化成装置包括进、出气孔，利用真空泵经由真空化成装置的进、出气孔来控制真空化成装置内的气压。
优选的，电池真空化成的环境为-0.01Mpa至-0.10MPa之间的负压状态。
优选的，电池真空化成的环境为大约-0.05MPa或以下。
优选的，充电电流在0.05C至1.5C之间，充电时间在2至300min之间。
优选的，所述方法中采用的一体化夹具包括底座、安装于底座上的电池固定槽以及设置在底座上的正、负极充电端、与电池固定槽枢转连接的电解液装载容器，电解液装载容器与电池固定槽的内部相通，在电解液装载容器的底部表面上朝向电池固定槽的内部设置有正、负极充电探针。
优选的，所述方法中采用的真空化成装置包括密闭且可抽真空的箱体、设置在箱体的内部空间中的电池固定支架、设置于箱体中的至少一对正、负极充电端子以及对箱体的内部空间进行封闭的活动门，所述进、出气孔设置在箱体的内部空间中。
优选的，通过真空管道将电池化成所产生的混合气体抽走并进行无害化处理。
优选的，充气所用到的气体包括干燥空气、氮气或氩气。
本发明的有益效果是：(1)、采用本方法既能对电池进行真空注液，同时还可以与恒流充电设备相对接，对电池进行充电，一次装配即可完成注液及化成两个工艺，简化了生产过程，降低了生产成本，提高了生产效率；(2)、本方法采用密闭的真空化成装置提供密闭可控的微环境，其真空环境能够有效提高电池排气的效率，并且有效屏蔽了外部环境的水份及其它杂质在化成过程中对电池造成的负面影响，有效避免了水分对电解液导电盐以及负极活性物表面钝化膜的有害作用，降低了化成工艺对环境湿度的要求，有效提高成品电芯各项性能的一致性；(3)、本发明的方法使得整个充电过程在密闭的真空环境中进行，可以达到0到-95Kpa的真空度，替代了以往锂离子电池制造过程中所采用的开口化成，电池注液孔与一体化夹具的电解液装载容器3相对接，充电过程中电池排出的电解液将上浮至一体式夹具的电解液装载容器3中，有效解决了腐蚀性电解液泄漏的问题，避免了电解液的溢出损耗，可以防止对电池外壳、夹具或充电设备的腐蚀并减少电解液的浪费；(4)、除使用精密计量泵将电解液注入该一体化夹具的操作之外，其余的操作都是在封闭的微环境中进行，因此大大降低了电解液挥发的可能，而在化成结束后，电池化成所产生的混合气体可以统一通过真空管道抽走并进行无害化处理，可避免排出的混合气体对生产环境的污染，最大限度地减少了电解液挥发和充电排出的混合气体对操作人员和环境的负面影响，使得整个生产过程更环保清洁。
以下结合附图和实施方式，来进一步说明本发明，但本发明不局限于这些实施方式，任何在本发明基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求书中所要求保护的范围。
附图说明
图1是本发明所采用的一种实施方式的一体化夹具的示意图，表示了该一体化夹具的打开状态。
图2是本发明所采用的一种实施方式的一体化夹具的示意图，表示了该一体化夹具的闭合状态。
图3是本发明所采用的一种实施方式的锂离子电池真空化成装置的示意图。
具体实施方式
本发明是对传统锂离子电池制造方法中的注液和化成工艺流程的改进。本发明采用同时具有注液和充电功能的一体化夹具以及同时具有充电和抽真空功能的真空化成装置，以取代常规的锂离子电池制造过程中所采用的开口化成工艺。
图1表示了本发明所采用的一体化夹具的一种实施方式，其中该一体化夹具处于打开状态。该一体化夹具包括底座1、安装于底座1上的电池固定槽2、与电池固定槽2枢转连接的电解液装载容器3。其中，电池固定槽2与电解液装载容器3通过旋转轴4连接在一起，电解液装载容器3可以相对于电池固定槽2围绕旋转轴4转动，电解液装载容器3与电池固定槽2的内部相通，允许电解液从电解液装载容器3中流向电池固定槽2。另外，在电解液装载容器3的两端分别设置有锁定装置5，通过锁定装置5将电解液装载容器3与电池固定槽2扣合连接在一起。在图1-2所示的实施方式中，锁定装置5采用锁定钩的形式，然而本领域技术人员可以根据需要采用其他形式的锁定装置5来实现锁定功能，同样，可以将锁定装置5设置在电解液装载容器3的其他位置上，或者仅在电解液装载容器3的一个端部上设置锁定装置5。电池固定槽2的中心设置有容置空间21，在使用过程中待注液和化成的锂离子电池放置在容置空间21中，在图1所示的实施方式中，容置空间21为方形，可以同时容置多个锂离子电池，尤其适于方型锂离子电池的制备。在其他的实施方式中，容置空间21也可以具有其他需要的形状。底座1的一端在靠近电池固定槽2的位置上设置有正、负极充电端6，而电解液装载容器3朝向电池固定槽2的底部表面上设置有若干具弹性的正、负极充电探针7，充电过程中，锂离子电池的电极与该正、负极充电探针7相接合从而完成充电。在电解液装载容器3朝向电池固定槽2的表面上还设置有若干密封胶圈8，以实现电解液装载容器3与电池注液孔之间的密封连接。
图3表示了本发明所采用的锂离子电池真空化成装置的一种实施方式。该真空化成装置密封性好且兼具抽真空和充电功能，可以与上述一体化夹具对接，可以保证在-0.01Mpa至-0.10MPa的低气压条件下完成锂离子电池的化成工艺。该真空化成装置包括密闭且可抽真空的箱体91、设置在箱体91内部空间911中的电池固定支架93、设置于箱体91中的若干恒流正、负极充电端子92、对箱体91的内部空间911进行封闭的活动门94。在本实施方式中，箱体91采用金属制成，也可以根据需要采用其他材料来制造箱体91，箱体91可根据需要设置多个内部空间911。在箱体91的内部空间911中设置进、出气孔9111。活动门94面向箱体91内部空间911的表面上，围绕活动门94的四周设置密封胶圈941，在活动门94关闭时，密封胶圈941可实现箱体91与活动门94之间的密封，从而在箱体91中形成密闭的内部空间911。
利用本发明对锂离子电池进行注液和化成的工艺如下：首先通过制浆、涂布、制片(即制造正、负极片)以及装配的程序生产出常规的锂离子电池，例如通过常规方式将电池正、负极以及隔膜卷绕后的芯子装配到电芯外壳内并焊接、真空烘烤，然后将装配好并经过真空烘干的干电芯，按照一定的方向放入处于打开状态的锂离子电池注液及化成的一体化夹具中，即电池放置于电池固定槽2内，而电池的正、负极片向上朝向电池固定槽2的容置空间21的开口侧，随后围绕旋转轴4旋转电解液装载容器3，以使其与电池固定槽2相扣接从而实现该一体化夹具的合拢，然后通过锁定装置5将电解液装载容器3与电池固定槽2锁定连接在一起。此时该一体化夹具的负极充电探针与电池负极端子相接触，而该一体化夹具的正极充电探针与除负极端子以外的电池外壳(包括盖帽)相接触，一体化夹具的密封胶圈8与电池的注液孔相对应，且密封胶圈8紧密压住电池注液孔的外圈，保证电池注液孔与电解液装载容器3之间的密封连接，并且电池的内部通过该密封胶圈8与电解液装载容器3相连通。
该一体化夹具锁定之后即可向电解液装载容器3内注入有机电解液，通常采用精密计量泵将一定量的电解液注入该一体化夹具的电解液装载容器3中。然后打开真空化成装置的活动门94，将注液后的单个或多个一体化夹具整体放入密闭且可抽真空的真空化成装置内，搁置于箱体91内部的固定支架93上，使得该一体化夹具的正、负极充电端6与真空化成装置的正、负极充电端子92相对接，并通过底座1将该一体化夹具固定在该真空化成装置内。
随后关闭活动门94，使密封胶圈941与真空化成装置的箱体91紧密闭合，在箱体91内形成密闭的内部空间911，即可对容置在电池固定槽2内的电池进行真空注液和化成操作，其步骤包括：(1)、第一次抽真空、充气；(2)、抽真空静置；(3)、充电；(4)、第二次抽真空、充气。充气所用到的气体包括干燥空气、氮气或氩气等，利用真空泵经由真空化成装置的进、出气孔9111来控制真空化成装置内的气压，例如大约-0.05MPa或以下。第一次抽真空、充气的步骤将电解液装载容器3中的电解液注入电池中，随后的抽真空静置步骤使整个环境达到负压状态，例如使其恒定在-0.01Mpa至-0.10MPa之间，之后开始对电池进行充电，通过与真空化成装置的正、负极充电端子92相连接的恒流源对锂离子电池进行化成，例如充电电流在0.05C～1.5C之间，充电时间在2至300min之间。在充电结束后进行第二次抽真空、充气的步骤，通过进、出气孔9111放入干燥空气、氮气或氩气。充电过程中排出的气体和电解液上浮至一体化夹具的电解液装载容器3中，随着充电时间的延长，电芯内部的排气速度降低，上浮至该一体化夹具中的电解液回流入电芯内部，最后采用真空泵在常压或者低气压条件下将挥发出的腐蚀性有机电解液以及化成所产生的混合气体等抽出真空化成装置，并统一进行无害化过滤处理。
最后，在完成整个注液及化成工艺之后，打开活动门94，将一体化夹具从真空化成装置内取出，卸下该一体化夹具内的电池，并按照常规方式采用金属球封闭电池的注液孔，例如在常压或者真空度-0.01Mpa至-0.10Mpa的条件下用金属球封闭注液孔，对封口后的电池进行高温老化或继续补充电后进行高温老化，直至最终完成电池整个制造过程。
实施方式1
将激光焊接装配后的503048A电芯先经过真空烘烤，随后装入本发明所采用的一体化夹具内，闭合该一体化夹具，使得一体化夹具的负极充电探针与电池负极端子相接触，而该一体化夹具的正极充电探针与除负极端子以外的电池外壳(包括盖帽)相接触，一体化夹具的密封胶圈8与电池的注液孔相对应，且密封胶圈8紧密压住电池注液孔的外圈，保证电池注液孔与电解液装载容器3之间的密封。然后向一体化夹具的电解液装载容器3内注入2.2g体积比EC∶EMC∶DMC＝1∶1∶1且LiPF6浓度为1mol/L的锂离子有机电解液，随后将装有电池以及有机电解液的一体化夹具装入本发明所采用真空化成设备内，一体化夹具的正、负极充电端6和真空化成设备的正、负极充电端子92一一对应，将真空化成设备内的气压抽空到-0.10Mpa，再输入纯度大于99.999％的氮气并将真空度恒定在-0.04至-0.06MPa内，使用1倍率电流预充20min后放入氮气，化成完成。最后，将一体化夹具从真空化成设备内取出，并从一体化夹具中卸下电池，采用钢珠封闭电池的注液孔，电池经过常温陈化5天后分选容量、内阻和厚度，并测试1倍率充放电循环性能，电池的主要性能如表1。
实施方式2
本实施方式采用与实施方式1不同大小的电流执行不同时长的充电工艺，而其他操作方式与实施方式1相同。将真空化成设备内的气压抽空到-0.10MPa后放入纯度大于99.999％的氮气并将真空度恒定在-0.04至-0.06MPa内，使用0.5倍率电流预充40min后放入氮气，化成完成，本实施方式所制成的电池的主要性能如表1。
表1两个实施方式所制成的电芯的主要性能电芯主要性能表
本发明具有以下优点：(1)、采用本方法既能对电池进行真空注液，同时还可以与恒流充电设备相对接，对电池进行充电，一次装配即可完成注液及化成两个工艺，简化了生产过程，降低了生产成本，提高了生产效率；(2)、本方法采用密闭的真空化成装置提供密闭可控的微环境，其真空环境能够有效提高电池排气的效率，并且有效屏蔽了外部环境的水份及其它杂质在化成过程中对电池造成的负面影响，有效避免了水分对电解液导电盐以及负极活性物表面钝化膜的有害作用，降低了化成工艺对环境湿度的要求，有效提高成品电芯各项性能的一致性；(3)、本发明的方法使得整个充电过程在密闭的真空环境中进行，可以达到0到-95Kpa的真空度，替代了以往锂离子电池制造过程中所采用的开口化成，电池注液孔与一体化夹具的电解液装载容器3相对接，充电过程中电池排出的电解液将上浮至一体式夹具的电解液装载容器3中，有效解决了腐蚀性电解液泄漏的问题，避免了电解液的溢出损耗，可以防止对电池外壳、夹具或充电设备的腐蚀并减少电解液的浪费；(4)、除使用精密计量泵将电解液注入该一体化夹具的操作之外，其余的操作都是在封闭的微环境中进行，因此大大降低了电解液挥发的可能，而在化成结束后，电池化成所产生的混合气体可以统一通过真空管道抽走并进行无害化处理，可避免排出的混合气体对生产环境的污染，最大限度地减少了电解液挥发和充电排出的混合气体对操作人员和环境的负面影响，使得整个生产过程更环保清洁。
应当注意，本发明的锂离子电池真空化成方法并不限于根据上述具体步骤所限定的方法。本发明的范围由权利要求书限定。
Claims (9)
1.一种锂离子电池真空化成方法，其中，所述方法包括：
采用同时具有注液和充电功能的一体化夹具完成电池的注液；
采用同时具有充电和抽真空功能的真空化成装置完成电池的化成工艺；
其中，在所述化成工艺中，所述真空化成装置对放置在一体化夹具内的电池进行充电，电池通过一体化夹具与真空化成装置之间实现电连接；
其中，所述方法中采用的一体化夹具包括底座、安装于底座上的电池固定槽以及设置在底座上的正、负极充电端、与电池固定槽枢转连接的电解液装载容器，电解液装载容器与电池固定槽的内部相通，在电解液装载容器的底部表面上朝向电池固定槽的内部设置有正、负极充电探针。
2.如权利要求1所述的锂离子电池真空化成方法，其中，所述方法包括以下步骤：（1）、第一次抽真空、充气；（2）、抽真空静置；（3）、充电；（4）、第二次抽真空、充气。
3.如权利要求2所述的锂离子电池真空化成方法，其中，所述真空化成装置包括进、出气孔，利用真空泵经由真空化成装置的进、出气孔来控制真空化成装置内的气压。
4.如权利要求3所述的锂离子电池真空化成方法，其中，电池真空化成的环境为-0.01MPa至-0.10MPa之间的负压状态。
5.如权利要求4所述的锂离子电池真空化成方法，其中，电池真空化成的环境为-0.05MPa。
6.如权利要求1至5之一所述的锂离子电池真空化成方法，其中，充电电流在0.05C至1.5C之间，充电时间在2至300 min之间。
7.如权利要求3至5之一所述的锂离子电池真空化成方法，其中，所述方法中采用的真空化成装置包括密闭且可抽真空的箱体、设置在箱体的内部空间中的电池固定支架、设置于箱体中的至少一对正、负极充电端子以及对箱体的内部空间进行封闭的活动门，所述进、出气孔设置在箱体的内部空间中。
8.如权利要求1所述的锂离子电池真空化成方法，其中，通过真空管道将电池化成所产生的混合气体抽走并进行无害化处理。
9.如权利要求2所述的锂离子电池真空化成方法，其中，充气所用到的气体包括干燥空气、氮气或氩气。
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