CN102324570A

CN102324570A - 一种锂离子电池及其化成方法、制备方法

Info

Publication number: CN102324570A
Application number: CN201110263825A
Authority: CN
Inventors: 幸定清; 佟健
Original assignee: Huizhou Techne Group Co Ltd; Huizhou TCL Jinneng Battery Co Ltd
Current assignee: Eve Energy Co Ltd
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-09-07
Also published as: CN102324570B

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池及其化成方法、制备方法，由于采用锂离子电池在第一次充电化成时包括如下步骤：预充步骤：以0.05～0.1C恒流充电至电池正极材料体系的平台电压；以0.1～0.3C恒流充电至3.9～4.15V；暂停充电，进行抽气；续充步骤：以0.2～0.5C对电池恒流充电，充电到4.2～4.35V后改恒压充电，电流≤0.05C截至；放电步骤：以≤0.5C的电流恒流放电至2.8～3.0V，使锂离子电池首次充放电效率及正极活性物质的克容量均有3%～15%的提升，提高材料利用率，降低成本，同时明显提高锂离子电池的能量密度。并且过程简单，便于生产操作，无需额外增加设备和增加额外成本。

Description

一种锂离子电池及其化成方法、制备方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及的是一种锂离子电池及其化成方法、制备方法。

背景技术

锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

锂离子电池具有输出电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小和可快速充放电等优点。目前锂离子电池所使用的正极材料主要是钴酸锂，但钴酸锂由于钴资源的匮乏、价格昂贵以及污染环境而逐渐被资源相对丰富、价格相对便宜、对环境友好的锰系、铁系和镍系正极材料所取代。其中镍系正极材料主要包括镍酸锂、镍钴酸锂二元及镍钴锰酸锂三元等。镍系正极最突出的优点是高容量和低成本。

但镍系材料较钴酸锂的显著不足是首次充放电效率低，低的首次充放电效率意味着低的正、负极材料利用率，因为首次充放电效率低要求正极设计容量更大，同时负极的过剩量也要更高，这不但使电池制造成本相应增加，同时也降低了电池的能量密度。

目前对针对镍系正极材料首次充放电效率低的缺陷研究者主要从材料合成和电解液匹配方面入手解决，这些工作是一个长期性的研究过程，现有技术中还没有出现从化成工艺入手提高镍系正极材料首次效率的报道。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种锂离子电池及其化成方法、制备方法，提供了一种操作方便、工艺过程简单，能提高镍系正极材料锂离子电池首次充放电效率及首次放电克容量的方法，提高了电池的利用率。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种锂离子电池的化成方法，其中，用于锂离子电池在第一次充电化成时，包括如下步骤：

A、预充步骤：

A1、以0.05～0.1C恒流充电至电池正极材料体系的平台电压；

A2、以0.1～0.3C恒流充电至3.9～4.15V；

A3、暂停充电，进行抽气；

B、续充步骤：以0.2～0.5C对电池恒流充电，充电到4.2～4.35V后改恒压充电,电流≤0.05C 截至；

C、放电步骤：以≤0.5C的电流恒流放电至2.8～3.0V。

所述的锂离子电池的化成方法，其中，在所述步骤A之前还包括步骤：取注液并静置一预定时间后的锂离子电池在-20～45℃环境下进行。

所述的锂离子电池的化成方法，其中，在所述步骤A1和A2之间还包括步骤：A12、静止等待0～0.5小时。

所述的锂离子电池的化成方法，其中，所述步骤A1中限时为1～3小时；所述步骤A2中限时为7～10小时。

所述的锂离子电池的化成方法，其中，该电池正极材料体系的平台电压为V，所述步骤A中预充电所充电量占整个充电电量的75%～90%。

所述的锂离子电池的化成方法，其中，所述步骤B中的恒压充电后还包括：静置等待0～0.5小时。

所述的锂离子电池的化成方法，其中，所述锂离子电池是正极材料为镍系的锂离子电池。

所述的锂离子电池的化成方法，其中，所述锂离子电池的正极材料包括镍酸锂、镍钴酸锂二元及镍钴锰酸锂三元及它们的改性化合物或混合物。

一种锂离子电池的制备方法，其包括上述所述锂离子电池的化成方法。

一种锂离子电池，其中，采用上述所述锂离子电池的化成方法最后化成。

本发明所提供的锂离子电池及其化成方法、制备方法，由于采用锂离子电池在第一次充电化成时包括如下步骤：预充步骤：以0.05～0.1C恒流充电至电池正极材料体系的平台电压；以0.1～0.3C恒流充电至3.9～4.15V；暂停充电，进行抽气；续充步骤：以0.2～0.5C对电池恒流充电，充电到4.2～4.35V后改恒压充电,电流≤0.05C 截至；放电步骤：以≤0.5C的电流恒流放电至2.8～3.0V，使锂离子电池首次充放电效率及正极活性物质的克容量均有3%～15%的提升，提高材料利用率，降低成本，同时明显提高锂离子电池的能量密度。并且过程简单，便于生产操作，无需额外增加设备和增加额外成本。

附图说明

图1是本发明实施例的锂离子电池的化成方法流程图。

图2是本发明实施例中各实验方案充电曲线示意图。

图3是本发明实施例的各实验方案放电曲线示意图。

具体实施方式

本发明所提供的锂离子电池及其化成方法、制备方法，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种锂离子电池的化成方法，是一种提高镍系正极材料锂离子电池首次充放电效率及首次放电克容量的化成方法；

本发明中的锂离子电池采用镍系正极材料，该镍系正极材料主要包括镍酸锂、镍钴酸锂二元及镍钴锰酸锂三元及它们的改性化合物或混合物。镍系材料一般PH值较高，易吸水，化成过程产气较多，同时镍系材料的一个明显不足是其首次充放电效率低，故有必要采取本发明的特殊的化成处理方法。

本发明的化成方法主要包括三个阶段：预充电步骤、续充电步骤和第一次放电步骤。

具体如图1所示，所述化成方法步骤：包括

S1、以0.05～0.1C恒流充电至电池正极材料体系的平台电压。即预充第一步充电电压为电池正极材料体系的平台电压。

S2、以0.1～0.3C恒流充电至3.9～4.15V。

S3、暂停充电，进行抽气。本实施例中；第一步预充电所充电量占整个充电电量的75%～90%。

然后进入续充步骤，本实施例的续充步骤包括：

S4、以0.2～0.5C对电池恒流充电，充电到4.2～4.35V后改恒压充电,电流≤0.05C 截至。然后进入放电步骤。

放电步骤包括：S5、以≤0.5C的电流恒流放电至2.8～3.0V。本实施例中放电步骤中放电电流≤0.5C。

以下将通过具体的实施例对本发明的锂离子电池的化成方法做进一步详细的说明：

本发明实施例的锂离子电池的化成方法，主要用于锂离子电池在第一次充电化成，取注液并静置一预定时间后的锂离子电池在-20～45℃环境下进行如下操作：

第一步、预充步骤：

1. 对锂离子电池以0.05～0.1C恒流充电至电压V(V为电池正极材料体系的平台电压)，限时1～3h（小时）；

2.静止等待0～0.5h（小时）；

3.再以0.1～0.3C恒流充电至3.9～4.15V，限时7～10h；

4．静止，抽气，即暂停充电，进行抽气完成预充步骤。

第二步、续充步骤：以0.2～0.5C对电池恒流充电，充电到4.2～4.35V后改恒压充电,电流≤0.05C 截至；静置等待0～0.5h（小时）。

第三步、放电步骤：以≤0.5C的电流恒流放电至2.8～3.0V，完成本实施例的锂离子电池的化成。

其中：第一步预充步骤充电电压V为电池正极材料体系的平台电压。电压V以上为正极材料脱锂的主反应区，在电压达到V之前通过一小电流充电，有利于固体电解质界面膜（即SEI膜）骨架的构建，为预充过程第二步充电形成致密的SEI膜打下结构基础。

而第一步预充电所充电量占整个充电电量的75%～90%。

由于本发明中的锂离子电池采用镍系正极材料，该镍系正极材料主要包括镍酸锂、镍钴酸锂二元及镍钴锰酸锂三元及它们的改性化合物或混合物。镍系材料由于PH值较高，易吸水，现有技术中首次充电过程中容易伴随很多副反应，产生较多气体，同时所产生的气体会与负极反应，发生“消气现象”，对电池容量造成损失。而本发明通过深度预充方式，使副反应尽可能发生在预充阶段，并通过随后的抽气工步将预充化成阶段所产生气体抽出，尽可能避免了“消气现象”的发生，从而有利于提高首次充放电效率和首次放电克容量；

本发明中第三步、放电步骤，采用放电电流≤0.5C。通常镍系材料较钴酸锂的倍率性差，大电流放电极化更严重，尤其是化成阶段的首次放电若存在严重的极化，则对电池的容量造成不可恢复的损失，即首次放电极化容量损失。经过多次实验，本发明采用对于使用镍系正极材料的锂离子电池化成的首次放电采用≤0.5C的小电流效果更好。

以下将通过具体的实验对本发明做进一步说明：

一、实验：以镍钴二元材料为正极，改性天然石墨为负极，以聚合物软包电池工艺制得053759锂离子电池（设计容量1150mAh，正极活性物质按170mAh/g计算），按表1分两个方案进行实验，各方案实验电池100只。

表1.实验方案

备注：1.本实验用镍钴二元材料的平台电压为3.5V左右，见图2，图2是本实施例中各实验方案充电曲线（续充+预充）;

2.方案1和方案2理论预充电量占整个充电电量的80%（即预充容量比为80%）。

二、实验结果：通过实验表明本发明化成方法较传统方法具有明显的优势，如表2（各方案数据为100只电池的平均值）

表2.各方案实验结果对比

实验方案	预充电容量mAh	首次充电容量mAh	首次放电容量mAh	首次充电克容量mAh/g	首次放电克容量mAh/g	预充容量比	首次充放电效率
								方案1	1005.1	1321.8	1119.6	195.4	165.5	76.04%	84.70%
方案2	1020.4	1336.0	1144.6	197.5	169.2	76.38%	85.67%

其中，图2.中各方案充电曲线和图3中各方案放电曲线数据来源于实验中各方案中随机抽出的三个电池的化成数据。

而各方案放电曲线数据参见图3所示。一般现有技术的首次充放电效率只有70%左右。从表2可以看出本发明实施例的首次充放电效率可达到84%多，比现有技术提高了15%。

由上可见，本发明实施例的锂离子电池的化成方法，其可以使锂离子电池首次充放电效率及正极活性物质的克容量均有3%～15%的提升，提高材料利用率，降低成本，同时明显提高锂离子电池的能量密度。并且过程简单，便于生产操作，无需额外增加设备和增加额外成本。

本发明实施例的锂离子电池包括软包装锂离子电池，聚合物锂离子电池，液态锂离子电池等。

基于上述实施例，本发明实施例还提供了一种锂离子电池的制备方法，其包括上述所述锂离子电池的化成方法。

本发明实施例还提供了一种锂离子电池，其采用上述所述锂离子电池的化成方法最后化成。

综上所述，本发明所提供的锂离子电池及其化成方法、制备方法，由于采用锂离子电池在第一次充电化成时包括如下步骤：预充步骤：以0.05～0.1C恒流充电至电池正极材料体系的平台电压；以0.1～0.3C恒流充电至3.9～4.15V；暂停充电，进行抽气；续充步骤：以0.2～0.5C对电池恒流充电，充电到4.2～4.35V后改恒压充电,电流≤0.05C 截至；放电步骤：以≤0.5C的电流恒流放电至2.8～3.0V，使锂离子电池首次充放电效率及正极活性物质的克容量均有3%～15%的提升，提高材料利用率，降低成本，同时明显提高锂离子电池的能量密度。并且过程简单，便于生产操作，无需额外增加设备和增加额外成本。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种锂离子电池的化成方法，用于锂离子电池在第一次充电化成时，其特征在于，包括如下步骤：

A、预充步骤：

A1、以0.05～0.1C恒流充电至电池正极材料体系的平台电压；

A2、以0.1～0.3C恒流充电至3.9～4.15V；

A3、暂停充电，进行抽气；

C、放电步骤：以≤0.5C的电流恒流放电至2.8～3.0V。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，在所述步骤A之前还包括步骤：取注液并静置一预定时间后的锂离子电池在-20～45℃环境下进行。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，在所述步骤A1和A2之间还包括步骤：A12、静止等待0～0.5小时。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，所述步骤A1中限时为1～3小时；所述步骤A2中限时为7～10小时。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，该电池正极材料体系的平台电压为V，所述步骤A中预充电所充电量占整个充电电量的75%～90%。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，所述步骤B中的恒压充电后还包括：静置等待0～0.5小时。

7.根据权利要求1所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，所述锂离子电池是正极材料为镍系的锂离子电池。

8.根据权利要求1所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，所述锂离子电池的正极材料包括镍酸锂、镍钴酸锂二元及镍钴锰酸锂三元及它们的改性化合物或混合物。

9.一种锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括上述权利要求1-8任一项所述锂离子电池的化成方法。

10.一种锂离子电池，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述锂离子电池的化成方法最后化成。