CN102299385A - 软包装磷酸铁锂动力电池首次充电化成方法 - Google Patents

软包装磷酸铁锂动力电池首次充电化成方法 Download PDF

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杨丛利
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Abstract

本发明提供一种软包装磷酸铁锂动力电池首次充电化成方法，涉及锂电池制作工艺。该方法分以下两个阶段：低电压、小电流恒流充电阶段，电流范围：0.001C～0.1C，充电截止电压为2.8～3.4V，连接真空系统，定时间断抽真空；大电流恒流和高电压恒压充电阶段，电流范围：0.1～1.0C，截止电压3.5～4.2V，连接真空系统，持续抽真空直至电流小于1/30C截止。该方法用于软包装磷酸铁锂动力电池首次充电化成，能有效改善负极片的表面析锂现象，提高电池安全性和循环寿命。

Description

软包装磷酸铁锂动力电池首次充电化成方法
技术领域
本发明涉及锂电池制作过程中的化成工艺，特别是10Ah以上的大容量软包装磷酸铁锂动力电池的首次充电化成方法。
背景技术
锂离子电池以其单体工作电压高、高比能量密度、高比功率密度、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应、绿色环保等优点，很快在手机、数码照相机、数码摄像机、笔记本电脑、电动工具等领域应用，迅速扩大市场并居于绝对的优势。目前这些已经大批量使用的锂离子电池多采用钴酸锂（LiCoO2）做正极材料，电池多为容量在5Ah以下的小容量的电池。而新型的正极材料磷酸铁锂（LiFePO4）所制作的锂离子电池，以其安全性能好、成本低、循环寿命长等优点，更适合制作大容量动力电池。
大容量磷酸铁锂动力锂离子电池多采用钢壳、铝壳、塑料壳或铝塑膜软包装，其中软包装锂离子电池以其重量轻、可以做成任意形状、高安全性等优点，成为发展前景比较好的一类磷酸铁锂动力锂离子电池。
首次充电化成在软包装锂离子电池生产过程中对电池的性能起着决定性的作用，其重要性主要表现在以下两个方面：1. 使电池材料内的有害杂质成分和电解液反应生成气体，使电池装配过程中残留在极组中和电解液中的微量水分在高电压下分解生成气体，在电池进行二次热封前，通过抽真空将这些气体抽出；2. 使电解液在电池正负极材料表面发生反应，并在其表面形成稳定的固体电解质界面膜（SEI膜），从而起到保护正负极材料在电池体系中结构稳定的作用。
不同类型的软包装锂离子电池采用不同的正负极材料组成，电池设计和制作过程控制的要点也会有所不同。为改善磷酸铁锂（LiFePO4）材料自身导电性能差的现状，现在多采用减小磷酸铁锂（LiFePO4）材料的粒径、材料表面包覆碳层、掺杂其它金属元素等方式，使用改善后的磷酸铁锂（LiFePO4）材料可以使电池的放电性能得到明显的提升。但改善后的磷酸铁锂（LiFePO4）材料由于粒径更小、具有更大的比表面积，从而提高了电池极片装配前吸收水分的速率，增大了电池极组中的水分含量；或是由于比表面积增大、表面包覆碳层、掺杂其它金属元素时引入了新的杂质，因此目前采用磷酸铁锂（LiFePO4）做正极材料的锂离子电池在首次充电化成时，电池内部会产生较多的气体。因此，大容量软包装磷酸铁锂动力电池由于产生的气体较多，如果仍采用与普通小容量软包装锂离子电池类似的首次充电过程中不对电池进行抽真空的首次充电化成工艺，这些气体不能从电池内部的极片间及时排出，则会导致电池内部正负极片、隔膜不能紧密接触，影响电池化成的效果、安全性和使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种软包装磷酸铁锂动力电池首次充电化成方法，使软包装磷酸铁锂动力电池化成过程中负极片的表面析锂现象得到改善，提高电池安全性和循环寿命。
本发明的技术方案是：软包装磷酸铁锂动力电池首次充电化成方法的改进之处是该方法分两阶段进行，第一阶段采用低电压、小电流恒流充电，定时间断打开真空系统对电池抽真空，电流为0.001～0.1C，充电截止电压为2.8～3.4V；第二阶段采用大电流恒流和高电压恒压充电，连续对电池抽真空，电流为0.1～1.0C，电压达到3.5～4.2V转恒压充电，直至电流小于1/30C截止，上述电流的单位为A，表示式中的C为电池容量数值，单位为Ah。
上述第一阶段电池连接表压-0.01～-0.06Mpa的真空系统，定时抽真空1～2次，每次2～10秒；第二阶段电池连接表压-0.001～-0.08Mpa的真空系统，持续抽真空。
本发明软包装磷酸铁锂动力电池首次充电化成方法，采用两个阶段控制不同的充电电流、截止电压和真空度对电池进行充电。
第1阶段低电压、小电流恒流充电，控制合适的充电电流，在磷酸铁锂动力电池正负极材料表面形成稳定的固体电解质界面膜（SEI膜），从而更好的保护正负极材料在电池使用过程中的结构；并生成少量的气体，在合适的时间打开真空系统，将气体抽出。
第2阶段大电流恒流和高电压恒压充电阶段，电池中的微量水分和其它杂质元素充分反应生成较多的气体，连续抽真空，使电池的正负极片始终保持紧密接触，从而保证电池极片充分化成，改善软包装磷酸铁锂动力电池化成过程中负极片的表面析锂现象，提高电池安全性和循环寿命。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实例1：容量为10Ah的倍率型软包装磷酸铁锂动力电池
电池由正极、负极、隔膜、电解液、铝塑包装膜组成，其中正极为涂覆在铝箔上的磷酸铁锂材料，负极为涂覆在铜箔上的碳材料，隔膜为PP、PE复合膜，电解液为有机溶剂和锂盐组成，电池一次热封时在电池一侧预留抽真空通道，注液后电池搁置48～72h。其首次充电化成方法如下：
①静置：5 min；
②低电压、小电流恒流充电阶段：0.06C恒流充电，限制电压2.9V，限制时间400min，连接表压-0.03MPa的真空系统，充电80min时抽真空一次，抽2～10s，通过充电柜控制，不管是电池电压达到2.9V，还是时间达到400min，均结束该阶段充电；
③大电流恒流和高电压恒压充电阶段：先以0.8C恒流充电，电压达到3.6V时转为恒压充电，恒定电压3.6V，直至电流小于1/30C截止，电池始终连接并保持表压-0.02 MPa的真空度。
进行3～6次充放电循环，二次热封后制作成10Ah的倍率型软包装磷酸铁锂动力电池。
实例2：容量为40Ah的能量型软包装磷酸铁锂动力电池
电池组成及前期工作同实例1，其首次充电化成方法如下：
①静置：5min；
②低电压、小电流恒流充电阶段：0.03C恒流充电，限制电压3.1V，限制时间600min，连接表压-0.045 MPa的真空系统，充电120min和200min时各抽真空一次，每次2～10s，通过充电柜控制，不管是电池电压达到3.1V，还是时间达到600min，均结束该阶段充电；
③大电流恒流和高电压恒压充电阶段：先以0.5C恒流充电，电压达到3.9V时转为恒压充电，直至恒定电压3.9V，直至电流小于1/30C截止，电池始终连接并保持表压-0.05 MPa的真空度。
进行3～6次充放电循环，二次热封后制作成40Ah的能量型软包装磷酸铁锂动力电池。
实例3：容量为60Ah的能量型软包装磷酸铁锂动力电池
    电池组成及前期工作同实例1，其首次充电化成方法如下：
①静置：5min；
②低电压、小电流恒流充电阶段：0.01C恒流充电，限制电压3.2V，限制时间1000min，连接表压-0.06MPa的真空系统，充电240min和400min时各抽真空一次，每次2～10s，通过充电柜控制，不管是电池电压达到3.2V，还是时间达到1000min，均结束该阶段充电；
③大电流恒流和高电压恒压充电阶段：先以0.2C恒流充电，电压达到4.1V时转为恒压充电，恒定电压4.1V，直至电流小于1/30C截止，电池始终连接并保持表压-0.07MPa的真空度。
进行3～6次充放电循环，二次热封后制作成60Ah的能量型软包装磷酸铁锂动力电池。
实验证明采用上述工步进行首次充电化成的软包装磷酸铁锂动力电池，经过二次热封后，满电状态下，电池负极表面不存在析锂现象，从而电池的安全性能大大提高，循环2000次后容量保持率仍在85%以上。

Claims (3)

1.一种软包装磷酸铁锂动力电池首次充电化成方法，其特征是该方法分两阶段进行，第一阶段采用低电压、小电流恒流充电，定时间断打开真空系统对电池抽真空，电流为0.001～0.1C，充电截止电压为2.8～3.4V；第二阶段采用大电流恒流和高电压恒压充电，连续对电池抽真空，电流为0.1～1.0C，电压达到3.5～4.2V转恒压充电，直至电流小于1/30C截止，上述电流的单位为A，表示式中的C为电池容量数值，单位为Ah。
2.按权利要求1所述的软包装磷酸铁锂动力电池首次充电化成方法，其特征在于第一阶段电池连接表压-0.01～-0.06Mpa的真空系统，定时抽真空1～2次，每次2～10秒。
3.按权利要求1所述的软包装磷酸铁锂动力电池首次充电化成方法，其特征在于第二阶段电池连接表压-0.001～-0.08Mpa的真空系统，持续抽真空。
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