CN102646809B - 软包装锂离子电池的注液活化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种能够促进电解液快速浸润电极膜片的软包装锂离子电池的注液活化方法，包括如下步骤：第一步，预热：对电芯和/或电解液进行加热处理，然后将电芯置于包装袋内；第二步，注液：在负压环境下向包装袋内注入电解液，同时对电芯主体施加侧推力；第三步，活化：注液完成后，对包装袋上的气袋进行封口操作，高温烘烤后，进行化成活化操作。本发明能够极大地提高电解液浸润速度，缩短电芯注液后的静置时间，提高生产效率；同时能够促进电解液在电极内的良好浸润，这就从根本上避免了在后续化成过程中可能出现的阳极黑斑、析锂等问题，从而提高电芯的电化学性能。此外，该工艺简单易行，适于工业化生产。

Description

软包装锂离子电池的注液活化方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种能够促进电解液快速浸润电极膜片的软包装锂离子电池的注液活化方法。
背景技术
锂离子电池是一种高效环保的能量存储与转换装置，具有工作电压高、能量密度大等突出的优点，目前已成为消费电子产品的首选电源设备。
锂离子电池发展方向之一是继续提高其能量密度，这就要求提高电极膜片上活性物质的压实密度，以增加其担载量。但是，提高压实密度的同时也意味着电极膜片的孔隙率降低，这会导致电解液难以充分浸润电极。浸润不充分则可能导致电池在化成后阳极出现黑斑、析锂等问题，从而降低电池的电化学性能。因此，提高电解液在电极膜片中的浸润性是至关重要的。
如上所述，电极膜片孔隙率较小会导致电解液浸润变得缓慢而困难。因此目前的锂离子电池生产工艺中，在注电解液后至化成前通常需要常温静置24小时甚至更长时间，以保证电解液对多孔电极的充分浸润。这就造成了电池的闲置，极大地降低了生产效率。为了缩短工时、提高效率，如何实现电解液快速、良好地浸润多孔电极显得非常必要。
有鉴于此，确有必要提供一种能够促进电解液快速浸润电极膜片的软包装锂离子电池的注液活化方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种能够促进电解液快速浸润电极膜片的软包装锂离子电池的注液活化方法，以克服现有技术中浸润效率低的不足。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种软包装锂离子电池的注液活化方法，包括如下步骤：
第一步，预热：将电芯置于包装袋中完成顶封、侧封之后烘干，然后对电芯和/或电解液进行加热处理；
第二步，注液：在负压环境下，在电芯和/或电解液大于35℃下，向包装袋内注入电解液，同时对电芯主体施加侧推力；
第三步，活化：注液完成后，对包装袋上的气袋进行封口操作，高温烘烤后，进行化成活化操作。
作为本发明软包装锂离子电池的注液活化方法的一种改进，在第三步之前，先对注液后的电芯进行挤压-释放-再挤压循环操作。
作为本发明软包装锂离子电池的注液活化方法的一种改进，所述挤压-释放-再挤压循环操作是将电芯的气袋开口朝上地置于两块夹板中间，通过夹板对电芯进行挤压-释放-再挤压循环操作，操作的次数为1-10次。
作为本发明软包装锂离子电池的注液活化方法的一种改进，在第三步之前，先对注液后的电芯进行加气压处理。
作为本发明软包装锂离子电池的注液活化方法的一种改进所述加气压处理是将注液后的电芯气袋开口朝上地置于腔体内，对其施加气压，并保持时间3s-30min。
作为本发明软包装锂离子电池的注液活化方法的一种改进，第一步中所述电芯和电解液的加热温度为40-120℃。加热温度太高，会导致电解液成分或阴极组分即阳极组分的破坏，加热温度太低，则不能保证较好的浸润速度。
作为本发明软包装锂离子电池的注液活化方法的一种改进第二步所述负压的大小为-10～-99KPa。负压环境能够有效的排除膜片间以及膜片内部微孔中的空气，使电解液填充这些微孔。
作为本发明软包装锂离子电池的注液活化方法的一种改进第二步所述对电芯主体施加的侧推力大小为5-600000N，侧推力可以提高包装袋中液位，使得整个电芯均浸泡在电解液中，使电解液更好的浸润极片。
作为本发明软包装锂离子电池的注液活化方法的一种改进所述加气压处理的压力为0.02-2MPa。
作为本发明软包装锂离子电池的注液活化方法的一种改进第三步所述高温烘烤的温度为45-120℃，持续烘烤时间为5-300min。烘烤温度太高，会破坏电池内的化学物质的结构，影响电池性能，太低则不易除去电池的水分，水分的存在会导致电池的涨气，影响电池的外观，甚至安全性能。烘烤时间太短，不易除去电池的水分；而若烘烤时间太长，则不利于提高生产效率。
实践表明，采用本发明的方法可以将电芯注液后的静置时间由常规的24～36小时缩短至数分钟～一小时，并且能够保证电解液对膜片的浸润性。
与现有注液方式相比，本发明具有明显的优点：
第一，电芯或者电解液预热后再注液，能够有效的降低电解液粘度，从而减小浸润过程中的粘滞阻力，加快浸润速度。例如，随着温度的升高，锂离子电池所用的LiPF6盐溶液粘度将迅速降低(60℃时电解液粘度为25℃粘度的一半左右)，由粘滞阻力公式σ＝η[-dvz/dr](其中σ为粘滞阻力，η为液体粘度，vz为沿小孔方向的浸润速度，r为小孔半径)可得，当电解液粘度降低时，浸润粘滞阻力等比例的降低。
第二，侧推力夹住电芯主体后真空注液，能够有效的排除膜片间以及膜片内部微孔中的空气，使得注液时膜片微孔内部已是负压状态；同时，夹住注液，能够提高注液后软包锂离子电芯包装袋内部电解液液位，使得整个电芯均浸泡于电解液中，防止泄压后，空气重新回流到未被浸泡的膜片微孔中去，从而达到加快整个膜片区域的浸润速度。
第三，注液后对电芯主体施加挤压-释放-再挤压的循环机械力，使得电解液能够在电芯膜片间往返流动，防止由于被液封的膜片间的气泡不能移动或者排除而产生的气泡区域不能被浸润的现象出现，最终实现整个膜片区域被均匀的浸润。
第四，与现有的加气压加速电解液浸润工艺不同，本发明加压对象主要为软包锂离子电池，因此将电芯放入加压箱中加压的同时，必须对电芯主体施加一定的侧推机械力，从而提高包装袋中液位，使得整个电芯均浸泡在电解液中。
综上所述，本发明能够极大地提高电解液浸润速度，缩短电芯注液后的静置时间，提高生产效率；同时能够促进电解液在电极内的良好浸润，这就从根本上避免了在后续化成过程中可能出现的阳极黑斑、析锂等问题，从而提高电芯的电化学性能。此外，该工艺简单易行，适于工业化生产。
具体实施方式
以下结合具体实施例详细描述本发明及其有益效果，但是，本发明的实施例并不局限于此。
实施例1
阳极极片的制备：将石墨、导电碳、羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶按照质量比94.5∶1.5∶1.5∶2.5加入溶剂水中，混合搅拌均匀后制成稳定浆料，然后以金属铜箔为集流体，将浆料涂覆在铜集流体上成膜片。用模切刀具制备得到直径约为20.3mm的阳极极片。
阴极极片的制备：将钴酸锂、导电碳、粘接剂按照质量比例95.5∶2.2∶2.3加入溶剂NMP中，混合搅拌均匀后制成稳定浆料，然后以金属铝箔为集流体，将浆料涂覆在铝集流体上。用模切刀具制备得到直径约为14.3mm的阴极极片。
电解液的制备：将LiPF6溶解于含有EC，DEC，EMC的溶剂(三者的体积比为1∶1∶1)中，使LiPF6的浓度为1M，并且添加少量的成膜添加剂——1％VC，使得SEI膜形成的更加致密。
选用PE材质的隔膜，用模切刀具分切得到直径约为22.5mm的隔膜。
将阴极极片、阳极极片和隔膜卷绕成电芯，其中，隔膜位于阴极极片和阳极极片之间，并将电芯放置在铝塑膜包装袋中进行顶封/侧封。
注液活化方法：首先，将电芯加热至120℃，待注液；其次，注液前将电解液加热至40℃；注液时用500000N侧推力夹住电芯，并将电芯置于-90KPa的真空密封腔内。注液过程中保持负压5秒，随后将注液后电芯开口朝上放置于0.02MPa正气压的密封腔内，保压30分钟后对电芯气袋进行封口操作。然后，对电芯施加5N侧推力挤压-释放-再挤压循环操作10次。最后，然后将电芯放置于45℃炉子中烘烤300分钟，待电芯冷却后进行化成。
阳极分析：化成后电池经满充至4.2V，然后对电池进行拆解，观察其阳极极片的形貌，结果发现：阳极极片表面形貌均一，无黑斑、析锂现象。这说明本实施例的电池中电解液在极片中的浸润性比较良好。
实施例2
与实施例1不同的是注液活化方法：将阴极极片、阳极极片和隔膜卷绕成电芯后，将电芯加热至40℃，待注液；其次，注液前将电解液加热至80℃；然后将电芯放置在铝塑膜包装袋中进行顶封/侧封，注液时用5N侧推力夹住电芯，并将电芯置于-10KPa的真空密封腔内。注液过程中保持负压60秒，随后将注液后电芯开口朝上放置于2MPa正气压的密封腔内，保压3秒后对电芯气袋进行封口操作。然后，对电芯施加200000N侧推力挤压-释放-再挤压循环操作1次。最后，将电芯放置于120℃炉子中烘烤5分钟，待电芯冷却后进行化成。
阳极分析：化成后电池经满充至4.2V，然后对电池进行拆解，观察其阳极极片的形貌，结果发现：阳极极片表面形貌均一，无黑斑、析锂现象，这说明本实施例的电池中电解液在极片内的浸润性比较良好。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例3
与实施例1不同的是注液活化方法：将阴极极片、阳极极片和隔膜卷绕成电芯后，将电芯加热至80℃，待注液；其次，注液前将电解液加热至60℃；然后将电芯放置在铝塑膜包装袋中进行顶封/侧封，注液时用10000N侧推力夹住电芯，并将电芯置于-80KPa的真空密封腔内。注液过程中保持负压10秒，对电芯气袋进行封口操作。随后将电芯放置于85℃炉子中烘烤30分钟，待电芯冷却后进行化成。
阳极分析：化成后电池经满充至4.2V，然后对电池进行拆解，观察其阳极极片的形貌，结果发现：阳极极片表面形貌均一，无黑斑、析锂现象，这说明本实施例的电池中电解液在极片内的浸润性比较良好。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例4
与实施例1不同的是注液活化方法：将阴极极片、阳极极片和隔膜卷绕成电芯后，将电芯加热至75℃，待注液；其次，注液前将电解液加热至50℃；然后将电芯放置在铝塑膜包装袋中进行顶封/侧封，注液时用1000N侧推力夹住电芯，并将电芯置于-70KPa的真空密封腔内。注液过程中保持负压100秒，随后将注液后电芯开口朝上放置于1MPa正气压的密封腔内，保压60秒后对电芯气袋进行封口操作。最后，将电芯放置于100℃炉子中烘烤15分钟，待电芯冷却后进行化成。
阳极分析：化成后电池经满充至4.2V，然后对电池进行拆解，观察其阳极极片的形貌，结果发现：阳极极片表面形貌均一，无黑斑、析锂现象，这说明本实施例的电池中电解液在极片内的浸润性比较良好。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例6
与实施例1不同的是注液活化方法：将阴极极片、阳极极片和隔膜卷绕成电芯后，将电芯加热至90℃，待注液；其次，注液前将电解液加热至45℃；然后将电芯放置在铝塑膜包装袋中进行顶封/侧封，注液时用100N侧推力夹住电芯，并将电芯置于-60KPa的真空密封腔内，注液过程中保持负压250秒。然后，对电芯气袋进行封口操作，再对电芯施加50000N侧推力挤压-释放-再挤压循环操作7次。最后，将电芯放置于60℃炉子中烘烤200分钟，待电芯冷却后进行化成。
阳极分析：化成后电池经满充至4.2V，然后对电池进行拆解，观察其阳极极片的形貌，结果发现：阳极极片表面形貌均一，无黑斑、析锂现象，这说明本实施例的电池中电解液在极片内的浸润性比较良好。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例7
与实施例1不同的是注液活化方法：将阴极极片、阳极极片和隔膜卷绕成电芯后，将电芯加热至110℃，待注液；其次，注液前将电解液加热至110℃；然后将电芯放置在铝塑膜包装袋中进行顶封/侧封，注液时用300000N侧推力夹住电芯，并将电芯置于-70KPa的真空密封腔内。注液过程中保持负压150秒，随后将注液后电芯开口朝上放置于1.5MPa正气压的密封腔内，保压10min后对电芯气袋进行封口操作。然后，对电芯施加200000N侧推力挤压-释放-再挤压循环操作8次。最后，将电芯放置于60℃炉子中烘烤300分钟，待电芯冷却后进行化成。
阳极分析：化成后电池经满充至4.2V，然后对电池进行拆解，观察其阳极极片的形貌，结果发现：阳极极片表面形貌均一，无黑斑、析锂现象，这说明本实施例的电池中电解液在极片内的浸润性比较良好。
其余同实施例1，这里不再赘述。
比较例1
与实施例1不同的是，将阴极极片、阳极极片和隔膜卷绕成电芯后，将电芯放置在铝塑膜包装袋中进行顶封/侧封。经过高温烘烤除水后，往包装袋中注入电解液，封口。电芯在常温下(25～30℃)静置24小时，然后进行化成、排气等工序。最后，将电芯满充至4.2V，并在干燥房中将其拆解，观察阳极膜片的黑斑、析锂情况，以判断电解液对膜片的浸润是否良好。结果发现：阳极极片的表面无黑斑、析锂情况，这说明本比较例电池中的电解液在极片内的浸润性较好。
其余同实施例1，这里不再赘述。
比较例2
与实施例1不同的是，将阴极极片、阳极极片和隔膜卷绕成电芯后，将电芯放置在铝塑膜包装袋中进行顶封/侧封。经过高温烘烤除水后，往包装袋中注入电解液，封口。与比较例1不同，电芯注液后不经过静置，直接进行化成。电芯满充至4.2V，并在干燥房中将其拆解，结果发现：阳极极片表面存在较大面积的黑斑，且黑斑周围有金属锂析出。这说明本比较例中电池中的电解液在极片内部的浸润性较差。
分别对实施例1至7和比较例1、比较例2的电池进行容量测试，其结果如表1所示。为便于比较，实施例1至7和比较例1、比较例2的电池满充后，阳极极片表面的析锂情况也记录在表1中。
表1：实施例1至7和比较例1、比较例2的电池的首次放电容量和阳极析锂情况
  组别   阳极表面是否析锂   首次放电容量(mAh)
  实施例1   否   1512.82
  实施例2   否   1520.63
  实施例3   否   1507.00
  实施例4   否   1515.53
  实施例5   否   1510.23
  实施例6   否   1518.45
  实施例7   否   1508.36
  比较例1   否   1505.00
  比较例2   是   1377.28
由表1可以看出，比较例2的电池的首次放电容量最低，这与其阳极极片表面析锂的情况是对应的，即电解液浸润不充分会降低电池的容量，而且电解液浸润不充分导致的阳极极片析锂还会导致内短路的危险，安全性能不佳。而实施例1至7的电池和比较例1的电池的首次放电容量相当，但是比较例1花费的时间明显大于实施例1，采用本发明的方法可以将电芯注液后的静置时间由常规的24～36小时缩短至数分钟～一小时，并且能够极大地提高电解液浸润速度，缩短电芯注液后的静置时间，提高生产效率；同时能够促进电解液在电极内的良好浸润，提高电芯的电化学性能；此外，该工艺简单易行，适于工业化生产。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1. 一种软包装锂离子电池的注液活化方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，预热：将电芯置于包装袋中完成顶封、侧封之后烘干，然后对电芯和/或电解液进行加热处理；
第二步，注液：在负压环境下，在电芯和/或电解液大于35℃下，向包装袋内注入电解液，同时对电芯主体施加侧推力；
第三步，活化：注液完成后，对包装袋上的气袋进行封口操作，高温烘烤后，进行化成活化操作；
在第三步之前，先对注液后的电芯进行挤压—释放—再挤压循环操作；
第三步所述高温烘烤的温度为45-120℃，持续烘烤时间为5-300min。
2.根据权利要求1所述的软包装锂离子电池的注液活化方法，其特征在于：所述挤压—释放—再挤压循环操作是将电芯的气袋开口朝上地置于两块夹板中间，通过夹板对电芯进行挤压—释放—再挤压循环操作。
3.根据权利要求1所述的软包装锂离子电池的注液活化方法，其特征在于：在所述挤压—释放—再挤压循环操作之前，先对注液后的电芯进行加气压处理。
4.根据权利要求3所述的软包装锂离子电池的注液活化方法，其特征在于：所述加气压处理是将注液后的电芯气袋开口朝上地置于腔体内，对其进行加压处理。
5.根据权利要求1所述的软包装锂离子电池的注液活化方法，其特征在于：第一步中所述电芯和电解液的加热温度为40-120℃。
6.根据权利要求1所述的软包装锂离子电池的注液活化方法，其特征在于：第二步所述负压的大小为-10~-99KPa。
7.根据权利要求1所述的软包装锂离子电池的注液活化方法，其特征在于：第二步所述对电芯主体施加的侧推力大小为5-600000N。
8.根据权利要求3所述的软包装锂离子电池的注液活化方法，其特征在于：所述加气压处理的压力为0.02-2MPa。
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