CN102035026A - 用于制造锂离子二次电池的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于制造锂离子二次电池的方法，该方法能够通过改进多个制造过程中的电池形成过程来增加电池的容量。该用于制造锂离子二次电池的方法包括：在室温下对电池执行室温老化过程，其中该电池内注有电解液；对经室温老化的电池执行预充电过程；以及在高于所述室温的温度下对经预充电的电池执行高温老化过程。

Description

用于制造锂离子二次电池的方法
技术领域
示例实施例涉及用于制造锂离子二次电池的方法。
背景技术
锂离子二次电池是一种利用有机电解液因而所呈现出的放电电压比利用现有碱性水溶液的电池的放电电压的两倍还高的电池。
锂离子二次电池通过包括电极板生产过程、组装过程和电池形成过程在内的一系列过程被制造出来。电池形成过程是通过对组装后的电池执行诸如充电、老化和放电的一系列过程而使电池结构稳定和可使用的过程。
便携式电子设备的尺寸变得越来越小，但功能却在进一步增加。因此，需要增加这种便携式电子设备中使用的电池的容量。
发明内容
实施例致力于一种用于制造锂离子二次电池的方法，该方法基本克服了由现有技术的限制和缺点引起的一个或更多问题。
因此，实施例的一个特征在于提供一种制造锂离子二次电池的方法，该方法能够通过改进多个制造过程中的电池形成过程来增加电池的容量。
以上和其它特征和优点中的至少一个可以通过提供一种用于制造锂离子二次电池的方法来实现，该方法包括：在室温下对电池执行室温老化过程，其中该电池内注有电解液；对经室温老化的电池执行预充电过程；以及在高于所述室温的温度下对经预充电的电池执行高温老化过程。
所述室温老化过程中的老化时间可以是22个小时至26个小时。
所述预充电过程可以在以下条件下被执行：充电电压是2.0V至2.4V，充电电流是0.045C至0.055C，充电时间是5分钟至7分钟。
所述高温老化过程可以包括：在以下条件下执行第一老化过程：老化温度是40℃至50℃，并且老化时间是43个小时至53个小时；以及在以下条件下执行第二老化过程：老化温度是70℃至80℃，并且老化时间是2.3个小时至2.8个小时。
该方法可以进一步包括：在所述室温老化过程之后，执行除气过程以从所述电池的内部去除气体。
该方法可以进一步包括：在所述高温老化过程之后，执行加压过程以对所述电池加压。
附图说明
通过参照附图详细描述示例性实施例，以上和其它特征和优点对本领域普通技术人员将变得更加明显，在附图中：
图1示出根据实施例的电池形成过程的流程图。
图2是示出在实施例2和对比例2中制造的电池的容量分布的频率/容量曲线图。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图对示例实施例进行更全面的描述，不过，这些示例实施例可以以不同的形式被具体实现，而不应该被解释成局限于此处所列出的实施例。相反，所提供的这些实施例是为了使本公开内容全面和完整，并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。
在附图中，层和区域的尺寸可能为了图示清楚而被放大。还将理解的是，在一层或一元件被称为在另一层或另一基板“之上”时，它可以直接在该另一层或另一基板上，或者也可以存在中间层。进一步，将理解的是，在一层被称为在另一层“之下”时，它可以直接在该另一层之下，或者也可以存在一个或多个中间层。另外，也将理解的是，在一层被称为在两层“之间”时，它可以是这两层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。相同的附图标记始终表示相同的元件。
下文中，将参照附图对实施例进行详细描述。
图1示出根据实施例的形成过程的流程图。
参照图1，根据该实施例的电池形成过程可以包括室温老化过程S10、除气过程S20、预充电过程S30、高温老化过程S40、加压过程S50、形成过程S60、第三老化过程S70、第四老化过程S80、第二完全放电过程S90以及半充电过程S100。
室温老化过程S10是通过将电池单独放置来稳定该电池的过程，其中该电池内注有电解液。
在锂离子二次电池中，在高温下可能会使电解液分解反应加速和充/放电容量减小。因此，老化可能主要在室温下被执行。除气过程S20可以被执行以去除在高温下所产生的气体。
室温老化过程S10可以被执行大约22个小时至大约26个小时。如果室温老化被执行小于22个小时，则电解液无法被均匀渗透。因此，固态电解质界面(SEI)层可能无法在预充电过程S30中被均匀形成。另一方面，如果室温老化被执行大于26个小时，则可能会拖延制造过程。
经室温老化的电池的内阻/开路电压(IR/OCV)可以利用具有大约0.001或更小的分辨率的万用表来测量。具有焊接故障和异常电解液渗透的电池可以根据测量值被挑出来。
除气过程S20是去除在室温老化过程S10期间所产生的气体的过程。
在室温老化过程S10期间所产生的气体可能会导致电池膨胀。因此，可以执行除气过程S20以去除气体。
预充电过程S30是在负电极上形成SEI层的过程。
SEI层是在电池的离子迁移率高时所形成的绝缘体。一旦SEI层被形成，它就在电池充电期间防止锂离子与其它材料在负电极处反应。另外，SEI层执行离子隧道功能。也就是说，SEI层仅允许锂离子通过。离子隧道效应防止负电极的结构由于与锂离子一起移动的高分子量有机溶剂与负电极的反应而被毁坏。也就是说，在SEI层形成时，锂离子不会与负电极或其它材料产生副反应。因此，锂离子的量可以被可逆地维持。而且，由于有机溶剂与锂离子一起被注入，因此防止了负电极结构被毁坏。因此，锂离子聚合物二次电池的充/放电被可逆地维持，从而延长了电池的寿命。由于即使在电池被放置在高温下或者反复充/放电的情况下SEI层也不容易被毁坏，因此在电池被放置在高温下时厚度很少增加，并且电池的初始充电容量被维持。因此，通过预充电形成的SEI层确保了电池的容量。
也就是说，预充电通过在高温充电之前执行充电而产生副反应气体，因此，未充电区域减少。这样以来，未充电区域的实际可逆容量可能会增加。
在预充电中，电池在电池容量的大约10％到40％的范围内被充电。
预充电过程S30可以在以下条件下被执行：充电电压是大约2.0V到大约2.4V，并且充电电流是大约0.045C到0.055C。在这样的充电条件下，充电时间是大约5分钟到大约7分钟。如果预充电在充电电压低于2.0V或者充电电流低于0.045C的条件下被执行，则SEI层就不会被充分形成，并且要花费很长的时间对电池预充电。因此，这不适于批量生产。另一方面，如果预充电在充电电压是2.4V或者充电电流是0.055C的条件下被执行，则必需以高速率对电池充电以确保预定的容量。结果，电池可能被施以过载，并且可能容易产生过电压。而且，SEI层可能无法被均匀形成，并且电池可能会容易变形。
高温老化过程S40是在高于室温的温度下对经预充电的电池执行老化的过程。
在高温下的老化由于热能和电化学能而进一步使SEI层稳定，并且使SEI层以均匀厚度重新形成而没有局部偏差。如上所述，即使被放置在高温下或循环被重复的情况下，SEI层也不容易被毁坏。在电池被放置在高温下时厚度很少增加，并且电池的初始充电容量被维持，从而确保了电池的容量。
在这种情况下，高温老化可以被划分成第一老化和第二老化。
第一老化可以在大约40℃到大约50℃的温度下被执行。第一老化可以改进未充电区域、改进完全充电厚度，并且使SEI层稳定。在第一老化温度低于40℃时，热能不足以使SEI层稳定。而在第一老化温度高于50℃时，SEI层可能会被毁坏，因为这时SEI层在非稳定状态下暴露于高温。
第一老化时间可以根据活性材料、电解液、其它材料的种类或电池的类型来适当调整。例如，在负电极活性材料是KPL3、负电极活性材料的溶剂是净化水、负电极活性物质的粘合剂是SBR+CMC、正电极活性材料是KD10、正电极活性材料的粘合剂是PVdF并且正电极活性材料的导电材料是Solef6020的条件下，第一老化时间可以是大约43小时到大约53小时。
第二老化可以在大约70℃到大约80℃的温度下被执行。第二老化可以加速单体的热聚合，使电解液渗透，并且改进膨胀特性，而不使电池的性能下降。在第二老化温度低于70℃时，膨胀减小效应是轻微的。而在第二老化温度高于80℃时，电解液的蒸发可能会导致外部壳体损坏或者电池爆炸。
第二老化时间可以根据活性材料、电解液、其它材料的种类或电池的类型来适当调整。例如，在负电极活性材料是KPL3、负电极活性材料的溶剂是净化水、负电极活性材料的粘合剂是SBR+CMC、正电极活性材料是KD10、正电极活性材料的粘合剂是PVdF并且正电极活性材料的导电材料是Solef6020的条件下，第二老化时间可以是大约2.3小时到大约2.8小时。
加压过程S50是对经高温老化的电池加压的过程。
加压过程S50可以在以下条件下被执行：在大约680kgf到大约820kgf的范围内施加压力，并且加压时间是大约4秒到大约6秒。在利用袋作为外壳的锂离子聚合物电池的情况下，在执行电池形成过程时所产生的气体可能会导致厚度膨胀。因此，单电池厚度可以通过加压得到改进，以满足用户说明书中所描述的单电池厚度。
形成过程S60是通过对经加压的电池反复充/放电来形成电池的过程。形成过程S60可以包括：在以下条件下所执行的充电过程：充电电流是大约0.18C到大约0.22C，充电电压是大约3.8V到大约4.6V，并且充电时间是大约54分钟到大约66分钟；在以下条件下所执行的完全充电过程：充电电流是大约0.63C到大约0.77C，并且充电电压是大约3.8V到大约4.6V；以及在以下条件下的切断充电过程：充电电流是大约0.09C到大约0.11C；在以下条件下所执行的第一完全放电过程：放电电流是大约0.9C到大约1.1C，并且放电电压是大约2.5V到大约2.9V；以及在以下条件下所执行的辅助充电过程：充电电流是大约0.9C到大约1.1C，充电电压是大约3.8V到大约4.6V，并且充电时间是大约4.5分钟到大约5.5分钟。
第三老化过程S70是在室温下对所形成的电池执行老化的过程。在这种情况下，第三老化可以在以下条件下被执行：老化时间是大约11个小时到大约13个小时，并且老化温度是室温。第三老化可以在辅助充电之后使电池的电压稳定。
电池在第三老化之后的IR/OCV可以利用具有0.001或更小的分辨率的万用表来测量。在稍后描述的第四老化之后测量电池的IR/OCV时，ΔV的基准电压被提供。在此时所测量的OCV被称作OCV2。
第四老化过程S80是在第三老化之后在室温下对电池执行老化的过程。第四老化可以在以下条件下被执行：老化时间是大约6天到大约8天，并且老化温度是室温。通过第四老化可能会产生细微的(fine)短路电压。
电池在第四老化之后的IR/OCV可以利用具有0.001或更小的分辨率的万用表来测量。可以将发生细微短路和/或IR检测的电池挑出来。所测量的OCV被称作OCV3。ΔV＝OCV2-OCV3。利用ΔV可以挑出具有细微短路的电池。
第二完全放电过程S90是在第四老化之后使电池完全放电的过程。第二完全放电可以在以下条件下被执行：放电电流是大约0.9C到大约1.1C，并且放电电压是大约2.5V到大约2.9V。
半充电过程S100是在第二完全放电之后将电池充电到大约50％容量的过程。半充电可以在以下条件下被执行：充电电流是大约0.9C到大约1.1C。此时，电池可以被充电到用户的出厂要求电压。
经半充电的电池的IR/OCV可以利用具有0.001或更小分辨率的万用表来测量。此时，满足用户的出厂要求的电池可以被挑出来。
以下将描述实施例和对比例。不过，以下列出的实施例仅仅是示例性的，本发明不局限于这些实施例。
(实施例1)
首先，经历电池形成过程的电池如下。该电池是锂离子聚合物电池。电解液是凝胶型，并且以薄膜型形成。电池的厚度、宽度和高度分别是大约0.137mm、大约41mm和大约67mm。额定电压是大约3.7V，并且额定容量是大约1,230mAh。
负电极活性材料是大约97.5％的KPL3，负电极活性材料的溶剂是净化水，负电极活性材料的粘合剂是大约1.5％的丁苯橡胶(SBR)+大约1％的CMC，而负电极活性材料的导电材料并未出现。正电极活性材料是大约96％的KD10，正电极活性材料的粘合剂是大约2％的聚偏氟乙烯(PVDF)，并且正电极活性材料的导电材料是大约2％的Solef6020。高强度聚合物凝胶(HSPG)被添加到电解液中。
电池形成过程按照如下方式被执行。
首先，在室温下执行室温老化大约24个小时。IR/OCV利用具有0.001或更小分辨率的万用表来测量，并且具有焊接故障和异常电解液渗透的电池被挑出来。
在真空中执行除气过程大约15秒。
在大约2.2V和大约0.05C的条件下执行预充电大约6分钟。
在大约45℃下执行第一老化大约48个小时。
在大约75℃下执行第二老化大约2.5个小时。
在大约750kgf下执行加压过程。
通过顺序在大约0.2C和大约4.2V下执行充电大约60分钟，在大约0.7C和大约4.2V下执行完全充电，在大约0.1C下执行切断充电，在大约1C和大约2.75V下执行第一完全放电，以及在大约1C和大约4.2V下执行辅助充电大约5分钟，来实施形成。
在室温下执行第三老化大约12个小时。
IR/OCV利用具有大约0.001或更小的分辨率的万用表来测量，并且硬短路电池被挑出来。此时所测量的OCV被称为OCV2。
在室温下执行第四老化大约7天。
IR/OCV利用具有大约0.001或更小的分辨率的万用表来测量，并且具有细微短路和IR检测的电池被挑出来。此时所测量的OCV被称作OCV3。ΔV＝OCV2-OCV3。利用ΔV可以挑出具有细微短路的电池。
在大约1C和大约2.75V下执行第二完全放电，并且在大约1C下执行半充电以将电池充电到大约50％的充电容量。半充电被执行大约30分钟。
IR/OCV利用具有大约0.001或更小的分辨率的万用表来测量，并且电池被挑出来。
(对比例1)
为了观测预充电效应，除了预充电过程之外的过程以与实施例1相同的方式被执行。
作为实施例1与对比例1的比较结果，可以看出实施例1的容量比对比例1的容量大30mAh。
(实施例2)
首先，经历电池形成过程的电池如下。电池是锂离子聚合物电池。电解液是凝胶型，并且以薄膜型形成。电池的厚度、宽度和高度分别是大约0.165mm、大约45mm和大约68mm。额定电压是大约3.7V，并且额定容量是大约2,400mAh。
负电极活性材料是大约97.5％的KPL3，负电极活性材料的溶剂是净化水，负电极活性材料的粘合剂是大约1.5％的SBR+大约1％的CMC，并且负电极活性材料的导电材料并未出现。正电极活性材料是大约96％的KD10，正电极活性材料的粘合剂是大约2％的PVDF，并且正电极活性材料的导电材料是大约2％的Solef6020。
电池形成过程按照如下方式被执行。
首先，在室温下执行室温老化大约24个小时。IR/OCV利用具有大约0.001或更小分辨率的万用表来测量，并且具有焊接故障和异常电解液渗透的电池被挑出来。
在真空中执行除气过程大约15秒。
在大约2.2V和大约0.05C下执行预充电大约6分钟。
在大约45℃下执行第一老化大约48个小时。
在大约75℃下执行第二老化大约2.5个小时。
在大约750kgf下执行加压过程。
通过顺序在大约0.2C和大约4.2V下执行充电大约60分钟，在大约0.7C和大约4.2V下执行完全充电，在大约0.1C下执行切断充电，在大约1C和大约2.75V下执行第一完全放电，以及在大约1C和大约4.2V下执行辅助充电大约5分钟，来完成形成。
在室温下执行第三老化大约12个小时。
IR/OCV利用具有大约0.001或更小的分辨率的万用表来测量，并且硬短路(hard short)电池被挑出来。此时所测量的OCV被称为OCV2。
在室温下执行第四老化大约7天。
IR/OCV利用具有大约0.001或更小的分辨率的万用表来测量，并且具有细微短路和IR检测的电池被挑出来。此时所测量的OCV被称作OCV3。ΔV＝OCV2-OCV3。利用ΔV可以挑出具有细微短路的电池。
在大约1C和大约2.75V下执行第二完全放电，并且在大约1C下执行半充电以将电池充电到大约50％的充电容量。半充电被执行大约30分钟。
IR/OCV利用具有大约0.001或更小的分辨率的万用表来测量，并且电池被挑出来。
(对比例2)
为了观测预充电效应，除了预充电之外的过程以与实施例1相同的方式被执行。
图2是示出在实施例2和对比例2中制造出的电池的容量分布的频率/容量曲线图。
实施例2的结果和对比例2的结果被表示在该曲线图中。
如图2所示，实施例2的平均容量是大约2,420mAh，对比例2的平均容量是大约2,300mAh。因此，可以看出，实施例2的平均容量比对比例2的平均容量大大约120mAh。
也就是说，如实施例1和2中所述，电池的容量通过预充电得到改进。
而且，OCV分布可以通过在电池形成过程中测量IR/OCV得到改进，并且可以提供优化的形成过程条件。
此处已经公开示例性实施例，并且尽管采用了特定术语，但是它们仅在广泛且描述性意义上被使用并解释，并不用于限制的目的。因此，本领域普通技术人员将理解的是，可以形式和细节上进行各种变化，而不偏离如同所附权利要求书提出的本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于制造锂离子二次电池的方法，包括：
在室温下对电池执行室温老化过程，其中该电池内注有电解液；
对经室温老化的电池执行预充电过程；以及
在高于所述室温的温度下对经预充电的电池执行高温老化过程。
2.根据权利要求1所述的用于制造锂离子二次电池的方法，其中所述室温老化过程中的老化时间是22个小时至26个小时。
3.根据权利要求1所述的用于制造锂离子二次电池的方法，其中所述预充电过程在以下条件下被执行：充电电压是2.0V至2.4V，充电电流是0.045C至0.055C，并且充电时间是5分钟至7分钟。
4.根据权利要求1所述的用于制造锂离子二次电池的方法，其中所述高温老化过程包括：
在以下条件下执行第一老化过程：老化温度是40℃至50℃，并且老化时间是43个小时至53个小时；以及
在以下条件下执行第二老化过程：老化温度是70℃至80℃，并且老化时间是2.3个小时至2.8个小时。
5.根据权利要求1所述的用于制造锂离子二次电池的方法，进一步包括：在所述室温老化过程之后，执行除气过程以从所述电池的内部去除气体。
6.根据权利要求1所述的用于制造锂离子二次电池的方法，进一步包括：在所述高温老化过程之后，执行加压过程以对所述电池加压。
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