CN102760908B - 一种适应多种正极材料体系的锂离子电池的快速化成方法 - Google Patents
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Abstract
一种适应多种正极材料体系的锂离子电池的快速化成方法，本发明的化成方法分三个阶段，每个阶段以不同电流大小对电池进行恒流充电，并控制每一阶段的上限截止电压为终止条件。其中，每个阶段选用的电流呈阶梯式逐渐增大，以使SEI膜能够缓慢均匀在石墨负极表面生成；选用的上限截止电压根据不同正极材料体系分别采用不同的范围，以确保SEI膜可以有效生成但又避免过量锂离子消耗。此外，在每个阶段结束后，都设有一定的静置时间，以使每一阶段形成的SEI膜尽可能实现稳态。本发明既可提高化成工序的生产效率，又可保证化成过程中形成SEI膜的质量，进而改善锂离子电池的综合电化学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池的化成方法。
背景技术
锂离子二次电池因其单体电压高、能量及功率密度大、长寿命、质量轻小、无记忆效应、无污染等优点，已成为当前广泛使用的电源产品。其应用领域主要包括各类便携式电子消费品（如智能手机、平板电脑、数码照相机等）；太阳能/风能电站配套储能；电动车（EV）和混合电动车（HEV）；军事武器装备；航天领域等。尤其是近年来随着在电动车上的应用，人们对锂离子电池提出了更高的性能要求。而锂离子电池性能的提高除了受制于各种电池材料（如正极材料、负极材料、电解液、隔膜）的性能改善外，在很大程度上还取决于电池生产工艺过程各环节的控制。
在锂离子电池的生产过程中，化成是一个极其重要的工序，它是对电池内部活性物质进行首次激活。在这个过程中，负极表面形成一层固态电解质膜即SEI（Solid Electrolyte Interface）膜。SEI膜形成的好坏（厚度、成分均匀性）对电池的综合电化学性能发挥（如循环、倍率、自放电性等）起到至关重要的作用。可以说，锂离子电池的性能在很大程度上取决于所选用的化成制度及最终化成效果。
目前，传统的化成工艺采用小电流，通过限制充电时间来完成化成工序。在化成过程中，负极表面形成的SEI膜会随着电流密度的变化及电压的变化而形成不同的结构。采用小电流、限制充电时间的化成方法有助于SEI膜的形成，从而改善锂离子电池的性能，但是这种传统的化成方法有以下几个缺点：（1）长时间小电流会导致过量的锂离子参与形成SEI膜的化学反应，导致SEI膜生长厚度增加，极化阻抗增大，进而影响电池首次充放电效率、长期循环性能及倍率性能的发挥；（2）小电流化成工序耗费时间长，影响生产效率，但缩短小电流化成时间又不能保证SEI膜的充分形成。虽然大电流化成可以提高生产效率，但是电流密度的增大将会导致形成的SEI膜不致密，不能有效起到保护负极材料的作用，进而导致电池在使用过程中性能的逐步恶化。因此传统的化成工艺对于小电流充电的时间必须精确掌握，而这又是很难通过有效途径进行分析并加以控制的。
目前，已公开的针对化成方法的专利，要么是针对单一特定正负极体系的锂离子电池（如CN102324572A中正极采用磷酸铁锂，负极采用钛酸锂），要么所采用的化成方法非常复杂，通常包含恒流充电、恒压充电、恒流放电、脉冲充电或中间抽气操作等多个环节，耗时比较大（如CN101212066A、CN10728579A、CN102324570A、CN101728579A、CN101777669A、CN101764261A等）。此外，已公开专利所涉及的化成方法只是简单的对电池的循环性能进行了说明，但未对电池的倍率性能进行测试对比，因此采用其方法生产的电池的倍率性能未知。而本发明专利的化成方法不但用时短，效率高，循环性能优良，更突出的是倍率性能得到明显改善。
发明内容
为了克服现有锂离子电池的化成方法的上述不足，本发明提供一种既可以提高化成工序的生产效率，又可以保证化成过程中形成SEI膜的质量，进而改善锂电池的综合电化学性能的适应多种正极材料体系的锂离子电池的快速化成方法。
本发明解决其技术问题的技术方案是：
一种适应多种正极材料体系的锂离子电池的快速化成方法，正极材料体系为磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂或三元材料，负极材料主要为石墨体系，其特征在于化成过程分三个阶段：
第一阶段，以A1电流恒流对电池进行充电至V1上限电压终止，静置时间T1；
其中A1电流大小范围为0.01C~0.04C；V1电压的大小范围为：磷酸铁锂系锂电池为2.6~2.8伏，锰酸锂系锂电池为3.6~3.8伏，钴酸锂系锂电池为3.5~3.8伏，三元正极材料锂电池为3.0~3.4伏；静置时间T1为5分钟~5小时；
第二阶段，以A2电流恒流对电池进行充电至V2上限电压终止，静置时间T2；
其中A2电流大小范围为0.04C~0.09C；V2电压的大小范围为：磷酸铁锂系锂电池为2.8~3.2伏，锰酸锂系锂电池为3.8~4.0伏，钴酸锂系锂电池为3.8~3.95伏，三元正极材料锂电池为3.4~3.7伏；静置时间T2为5分钟~5小时；
第三阶段，以A3电流恒流对电池进行充电至V3上限电压终止，静置时间T3；
其中A3电流大小范围为0.09C~0.5C；V3电压的大小范围为：磷酸铁锂系锂电池为3.2~3.4伏，锰酸锂系锂电池为4.0~4.15伏，钴酸锂系锂电池为3.95~4.05伏，三元正极材料锂电池为3.7~4.0伏；静置时间T3为10分钟~50小时。
进一步，其中A1电流大小为0.02C；V1电压的大小范围为：磷酸铁锂系锂电池为2.8伏，锰酸锂系锂电池为3.8伏，钴酸锂系锂电池为3.7伏，三元正极材料锂电池为3.4伏；静置时间T1为45分钟；
其中A2电流大小范围为0.05C；V2电压的大小范围为：磷酸铁锂系锂电池为3.2伏，锰酸锂系锂电池为4.0伏，钴酸锂系锂电池为3.95伏，三元正极材料锂电池为3.7伏；静置时间T2为45分钟；
第三阶段，以A3电流恒流充电至V3上限电压终止，静置时间T3；
其中A3电流大小范围为0.1C；V3电压的大小范围为：磷酸铁锂系锂电池为3.4伏，锰酸锂系锂电池为4.1伏，钴酸锂系锂电池为4.05伏，三元正极材料锂电池为4.0伏；静置时间T3为36小时。
上面所使用的电流大小采用放电倍率C来定义。放电倍率C是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值，它在数据值上等于电池额定容量的倍数，通常以字母C表示。如电池的标称额定容量为10Ah，则1C放电倍率的电流为10A，3C放电倍率的电流为30A，0.5C放电倍率的电流为5A。
本发明的有益效果在于：相比传统化成工艺，本发明采用分阶段小电流、并以不同限位电压值为终止条件，并在每个阶段结束后都设有一定的静置时间，这样可有效的提高负极表面形成致密稳定的SEI膜，降低SEI膜的阻抗，从而提高电池的首次充放电效率、循环性能及倍率性能, 采用本发明方法对锂离子电池化成后，其最终荷电容量大约为额定容量的55%－60％；此外，也可以大幅降低化成工序的生产成本，提高生产效率。
附图说明
附图1为本发明实施例一中实施例组的化成充电曲线程图。
附图2为本发明实施例一中对照组的传统化成方法的充电曲线图。
附图3为本发明实施例一中实施例组生产的3只电池50次循环后的曲线图。
附图4为实施例一中对照组传统化成方法生产的3只电池50次循环后的曲线图。
附图5为本发明实例一实施例组生产的电池与对照组中传统化成方法生产的电池3C放电曲线比较图。
附图6为本发明实例一实施例组生产的电池与对照组中传统化成方法生产的电池5C放电曲线比较图。
附图7为本发明实例一实施例组生产的电池与对照组中传统化成方法生产的电池7C放电曲线比较图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例一
以磷酸铁锂为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产200只电芯，分成两组，一组为实施例组，一组为对照组，每组100只。
实施例组的100只电池，采用如下化成方法，如图1所示：
第一阶段：以0.02C电流恒流对电池进行充电至上限电压2.8伏终止，静置时间45分钟；
第二阶段：以0.05C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.2伏终止，静置时间45分钟；
第三阶段：以0.1C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.4伏终止，静置时间36小时；
对照组的100只电池，采用传统化成方法，如图2所示：
第一阶段：以0.025C电流恒流对电池进行充电，充电时间为4小时，无静置过程；
第二阶段：以0.042C电流恒流对电池进行充电，充电时间为6小时，无静置过程；
第三阶段：以0.083C电流恒流对电池进行充电，充电时间为5小时，无静置过程；
以上200只电池化成结束后采用相同的分容工艺进行分容。然后分别对两组电池进行筛选。其中筛选条件如下：
1) 分容充放电曲线拟和程度≥95%；
2) 容量一致性在±1Ah以内；
3) 内阻一致性在±0.005mΩ以内；
4) 静态压差在±1mV以内；
按照以上条件，每组各筛选出12只电池，再从各组的12只电池中分别随机抽出6只，进行各项数据比较。
表1为对比两组电池化成工序所耗费的时间。可以看到，实施例组中耗时明显要比对比例少，这样在生产过程中可有效降低成本，提高生产效率。
表1——两组电池化成工序所耗费的时间比较
| 电池编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 平均用时 |
| 实施例组 | 544分钟 | 556分钟 | 554分钟 | 553分钟 | 558分钟 | 545分钟 | 552分钟 |
| 对照组 | 900分钟 | 900分钟 | 900分钟 | 900分钟 | 900分钟 | 900分钟 | 900分钟 |
表2为对比两组电池的首次充放电效率。可以看到，实施例组中的电池首次效率要比对比例的高出6%左右。这说明，在实施例组中的电池，SEI膜在化成阶段形成的薄且致密，没有过量消耗锂离子。
表2——两组电池首次充放电效率的比较
| 电池编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 平均值 |
| 实施例组 | 86.77% | 86.20% | 87.32% | 87.53% | 87.42% | 86.75% | 87.00% |
| 对照组 | 80.94% | 80.43% | 79.91% | 79.58% | 80.03% | 80.76% | 80.28% |
进一步，从各组筛选出的12只电池中分别随机抽出3只，进行循环性能比较。试验结果见附图3和附图4。其中，实施例组3只电池50次循环后的容量保持率分别为99.272%，98.766%和99.137%；而组照组中3只电池50次循环后的容量保持率分别为93.098%，94.350%和94.230%。可以看到，实施例组的容量保持率远远好于对比例。此外从附图3和附图4中的循环曲线比较，实施例组的循环曲线比较平稳，容量波动较小，而对比例的循环曲线波动较大。由此可见，采用本发明化成方法生产的电池循环性能优于采用传统化成方法生产的电池。
进一步，从各组筛选出的12只电池中分别随机抽出3只，并分别进行3C，5C，7C的倍率放电测试。试验结果见附图5、附图6和附图7。其中可以看到，实施例组的电池3C容量保持率为94.308%，而对照组的电池3C容量保持率为92.026%，实施例组3C放电容量保持率要高于对比例2个百分点；实施例组的电池5C容量保持率为93.559%，而对照组的电池5C容量保持率为90.785%，实施例组5C放电容量保持率要高于对比例2个百分点；实施例组的电池7C容量保持率为93.741%，而对照组的电池7C容量保持率为89.275%，实施例组7C放电容量保持率要高于对比例4个百分点。
由此可见，在倍率放电的条件下，通过本发明的化成方法生产的电池性能要优于传统化成方法生产的电池，特别是在稍大倍率放电的情况下，这一优点更加明显。
综上所述，本发明提供的化成方法分三个阶段，每阶段以不同级别小电流进行恒流充电，每阶段的终止条件不是以时间为限制，而是以不同电压等级来限制，同时每个阶段完成后进行静置，这种方法具有以下优势:
1) 大幅降低化成时间，控制生产成本，提高生产效率；
2) 形成的SEI膜均匀致密稳定，不会导致过量锂离子参与形成SEI膜，提高了首次充放电效率；
3) 循环性能较好，循环曲线平稳，电池自身一致性有可靠保证；
4) 倍率性能优良，能够保证在倍率放电下有效的提高容量的保持率。
实施例二
以磷酸铁锂为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.01C电流恒流对电池进行充电至上限电压2.7伏终止，静置时间20分钟；
第二阶段：以0.07C电流恒流对电池进行充电至上限电压2.9伏终止，静置时间5分钟；
第三阶段：以0.2C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.2伏终止，静置时间10分钟。
实施例三
以磷酸铁锂为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.04C电流恒流对电池进行充电至上限电压2.6伏终止，静置时间1小时；
第二阶段：以0.04C电流恒流对电池进行充电至上限电压2.8伏终止，静置时间3小时；
第三阶段：以0.09C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.3伏终止，静置时间50分钟。
实施例四
以磷酸铁锂为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.035C电流恒流对电池进行充电至上限电压2.75伏终止，静置时间2小时；
第二阶段：以0.09C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.1伏终止，静置时间20分钟；
第三阶段：以0.5C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.25伏终止，静置时间10小时。
实施例五
以锰酸锂为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.025C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.6伏终止，静置时间5分钟；
第二阶段：以0.06C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.9伏终止，静置时间30分钟；
第三阶段：以0.3C电流恒流对电池进行充电至上限电压4.1伏终止，静置时间1小时。
实施例六
以锰酸锂为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.035C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.7伏终止，静置时间5小时；
第二阶段：以0.08C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.8伏终止，静置时间50分钟；
第三阶段：以0.4C电流恒流对电池进行充电至上限电压4伏终止，静置时间30分钟。
实施例七
以锰酸锂为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.015C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.8伏终止，静置时间30分钟；
第二阶段：以0.085C电流恒流对电池进行充电至上限电压4.0伏终止，静置时间4小时；
第三阶段：以0.25C电流恒流对电池进行充电至上限电压4.15伏终止，静置时间40小时。
实施例八
以锰酸锂为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.02C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.8伏终止，静置时间45分钟；
第二阶段：以0.05C电流恒流对电池进行充电至上限电压4.0伏终止，静置时间45分钟；
第三阶段：以0.1C电流恒流对电池进行充电至上限电压4.1伏终止，静置时间36小时。
实施例九
以钴酸锂为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.032C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.5伏终止，静置时间3小时；
第二阶段：以0.045C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.92伏终止，静置时间5小时；
第三阶段：以0.32C电流恒流对电池进行充电至上限电压4.0伏终止，静置时间50小时。
实施例十
以钴酸锂为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.028C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.8伏终止，静置时间50分钟；
第二阶段：以0.075C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.9伏终止，静置时间1小时；
第三阶段：以0.09C电流恒流对电池进行充电至上限电压4.05伏终止，静置时间20小时。
实施例十一
以钴酸锂为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.03C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.6伏终止，静置时间4小时；
第二阶段：以0.05C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.95伏终止，静置时间2小时；
第三阶段：以0.4C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.95伏终止，静置时间40小时。
实施例十二
以钴酸锂为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.04C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.7伏终止，静置时间35分钟；
第二阶段：以0.07C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.8伏终止，静置时间1小时；
第三阶段：以0.25C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.98伏终止，静置时间35分钟。
实施例十三
以钴酸锂为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.02C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.7伏终止，静置时间45分钟；
第二阶段：以0.05C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.95伏终止，静置时间45分钟；
第三阶段：以0.1C电流恒流对电池进行充电至上限电压4.05伏终止，静置时间36小时。
实施例十四
以三元材料为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.03C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.2伏终止，静置时间35分钟；
第二阶段：以0.06C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.4伏终止，静置时间2.5小时；
第三阶段：以0.1C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.7伏终止，静置时间25小时。
实施例十五
以三元材料为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.032C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.0伏终止，静置时间1.5小时；
第二阶段：以0.07C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.6伏终止，静置时间1.5小时；
第三阶段：以0.23C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.9伏终止，静置时间30小时。
实施例十六
以三元材料为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.04C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.3伏终止，静置时间4.3小时；
第二阶段：以0.08C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.5伏终止，静置时间3.2小时；
第三阶段：以0.37C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.8伏终止，静置时间15.5小时。
实施例十七
以三元材料为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.022C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.4伏终止，静置时间28分钟；
第二阶段：以0.08C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.7伏终止，静置时间56分钟；
第三阶段：以0.5C电流恒流对电池进行充电至上限电压4.0伏终止，静置时间45分钟。
实施例十八
以三元材料为正极，天然石墨为负极，按照设计容量为60Ah的工艺生产，采用如下化成方法：
第一阶段：以0.02C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.4伏终止，静置时间45分钟；
第二阶段：以0.05C电流恒流对电池进行充电至上限电压3.7伏终止，静置时间45分钟；
第三阶段：以0.1C电流恒流对电池进行充电至上限电压4.0伏终止，静置时间36小时。
应当解释的是，本发明的应用不限于上述试验所举例子，对本领域熟悉的技术人员来讲，可以根据上述说明进行一些相应改进或变换，所有的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 (2)
1.一种适应多种正极材料体系的锂离子电池的快速化成方法，正极材料体系为磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂或三元材料，负极材料主要为石墨体系，其特征在于化成过程分三个阶段：
第一阶段，以A1电流恒流对电池进行充电至V1上限电压终止，静置时间T1；
其中A1电流大小范围为0.01C~0.04C；V1电压的大小范围为：磷酸铁锂系锂电池为2.6~2.8伏，锰酸锂系锂电池为3.6~3.8伏，钴酸锂系锂电池为3.5~3.8伏，三元正极材料锂电池为3.0~3.4伏；静置时间T1为5分钟~5小时；
第二阶段，以A2电流恒流对电池进行充电至V2上限电压终止，静置时间T2；
其中A2电流大小范围为0.04C~0.09C；V2电压的大小范围为：磷酸铁锂系锂电池为2.8~3.2伏，锰酸锂系锂电池为3.8~4.0伏，钴酸锂系锂电池为3.8~3.95伏，三元正极材料锂电池为3.4~3.7伏；静置时间T2为5分钟~5小时；
第三阶段，以A3电流恒流对电池进行充电至V3上限电压终止，静置时间T3；
其中A3电流大小范围为0.09C~0.5C；V3电压的大小范围为：磷酸铁锂系锂电池为3.2~3.4伏，锰酸锂系锂电池为4.0~4.15伏，钴酸锂系锂电池为3.95~4.05伏，三元正极材料锂电池为3.7~4.0伏；静置时间T3为10分钟~50小时。
2.如权利要求1所述的适应多种正极材料体系的锂离子电池的快速化成方法，其特征在于：
其中A1电流大小为0.02C；V1电压的大小范围为：磷酸铁锂系锂电池为2.8伏，锰酸锂系锂电池为3.8伏，钴酸锂系锂电池为3.7伏，三元正极材料锂电池为3.4伏；静置时间T1为45分钟；
其中A2电流大小范围为0.05C；V2电压的大小范围为：磷酸铁锂系锂电池为3.2伏，锰酸锂系锂电池为4.0伏，钴酸锂系锂电池为3.95伏，三元正极材料锂电池为3.7伏；静置时间T2为45分钟；
第三阶段，以A3电流恒流充电至V3上限电压终止，静置时间T3；
其中A3电流大小范围为0.1C；V3电压的大小范围为：磷酸铁锂系锂电池为3.4伏，锰酸锂系锂电池为4.1伏，钴酸锂系锂电池为4.05伏，三元正极材料锂电池为4.0伏；静置时间T3为36小时。
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