CN103531860B - 一种锂离子电池外化成方法 - Google Patents

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Abstract

一种锂离子电池外化成方法，其技术方案是将组装完毕的裸电芯，统一放置在化成槽内，将待化成裸电芯的负极极柱或极耳并联起来作为化成槽负极，采用外接正极片群为牺牲正极作为化成槽正极，通过控制充、放电电流，电压，温度及化成槽内的气压，湿度、含氧浓度等条件，对裸电芯进行统一化成，化成产生的气体统一处理，化成后的裸电芯入壳封装即为成品电芯，本发明通过采用牺牲正极群提供形成SEI膜的锂源及为稳定碳基负极材料的结构所需要的锂源，提高了电池的首次库伦效率及电池的能量密度。

Description

一种锂离子电池外化成方法
技术领域
本发明属于锂离子电池制造领域，具体提供一种锂离子电池的外化成方法。
背景技术
在锂离子电池的制造过程中，化成是锂离子电池的第一次充电的过程，其作用是激活锂离子电池材料，使之具有化学电源的性质，在锂离子电池的化成过程中，电解液和负极材料在固液相间层面上发生反应，形成一层固体电解质界面膜（SEI 膜），SEI膜具有固体电解质性质，是电子绝缘体，锂离子却可以通过；并且SEI膜对负极材料会产生保护作用，使材料结构不容易崩塌，增加电极材料的循环寿命，但是在SEI膜的形成过程中会消耗一部分锂离子，且在放电时，为了负极碳基材料的稳定性，通常控制放电电压，以保证一部分锂留在碳层中，这部分锂也是不可逆锂。因此造成电池首次循环效率偏低（有的甚至低于80%），限制了锂离子电池能量密度的提升。
为了提高锂离子电池可逆容量和首次充放电效率，采用的方法主要有：掺杂或对炭材料表面的氧化还原处理，即通过在氧化或还原气氛中对炭负极进行微氧化和微还原，改善炭材料的表面官能团和结构，从而达到改善首次充放电效率的目的；此外，对炭材料进行表面包覆处理也是常用的方法，即采用在石墨化的炭材料表面包覆一层无定形炭材料，制备出具有核- 壳复合结构的炭材料，利用无定形碳材料与溶剂相容性好的特征来改善炭负极材料的首次充放电性能。
但现有技术却依然存在明显的缺点，例如在锂离子电池化成过程中，伴随着SEI膜的形成，会产生较多的气体，在表面张力的作用下，气泡往往粘附在极片上，不易排出，极片间的气泡相当于绝缘体，在电芯内部形成许多绝缘区域，致使极群各区域化成不均匀，负极无法形成均匀稳定的SEI膜，在大电流充放电时，可能会造成析锂，鼓壳等，影响电池的安全；并且化成过程中会产生有毒性气体，如对这些气体不收集，处理，而直接排放到车间或外界环境中，这些气体会污染环境，严重影响职工身体健康。
    锂电池的化成一般是独立的，各个电池的化成条件和环境存在一定的差异，因而形成的SEI膜也存在一定的差异，SEI膜对锂离子电池的首次库伦效率和循环寿命影响非常大，因此独立的化成方案可能会扩大电池性能的离散性。
为了形成稳定、致密的SEI膜，且利于化成气体的排除，不少专家提出了真空化成或负压化成，但是化成阶段的电池是独立的，造成化成装置繁琐，不易控制。
发明内容
为解决上述缺陷，.本发明提供一种锂离子电池外化成方法，提高锂电池的首次库伦效率及能量密度，形成稳定、致密、一致性高的SEI膜，提高电池的一致性、循环性能及安全性等，并减少生产过程中的环境污染。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种锂离子电池外化成方法，采用以下步骤。
1、将待化成的电芯以并联的方式连接到一起，每两支叠放的待化成的电芯之间紧贴放置一组牺牲正极群，且叠放电芯的两端各贴放一组牺牲正极群。
2、将待化成的电芯的负极极柱或极耳连接在一起，作为负极，并与化成槽盖的化成负极接线柱连接。
3、将待化成的电芯两侧的牺牲正极群及待化成电芯间牺牲正极群连接在一起，与化成槽盖上的化成正极接线柱连接。
4、将化成槽密封，使用真空泵抽去化成槽中的空气，而后向化成槽内充入干燥的99.99%氮气。
5、向化成槽内注入电解液，然后采用负压静置的方式，在20～50℃的温度下静置24～48小时，静置过程中，如果电解液液面高度低于正极片高度，需补充电解液，但电解液的高度不得高出隔膜的高度，然后将化成槽正、负极接线柱与充放电设备相连接。
6、在化成槽温度为20～35 ℃、内部气压在0～0.15Mpa的状态下，进行充电，此时充电电流控制在0.1～0.3C，电压控制在4.2V以下，充入电量为40～70%。
7、在化成槽温度为20～35 ℃、内部气压在0～0.1Mpa的状态下，进行放电，此时放电电流控制在0.1～0.3C，电压控制在2.0～2.5V以内。
8、重复步骤6-7，对化成槽内的锂电池进行重复充放电。
9、在化成槽内温度为20～55 ℃之间，内部气压在0～0.1Mpa，对化成槽内的锂电池进行老化处理，老化时间为3-7天。
10、老化完成后，对化成槽进行抽真空，然后冲入干燥的99.99%氮气，然后静置至室温取出。
进一步，所述的牺牲正极群为常规锂离子电池正极极片，牺牲正极群所含极片的数目，及尺寸根据待化成电芯的尺寸、数量、化成槽的尺寸决定，其所含锂源的量大于等于电芯正极锂源量的80%。
与现有技术相比，本发明在化成过程中，采用牺牲正极的方式，为待化成裸电芯提供形成SEI膜的锂源，保留在碳层中的锂保证了负极材料的稳定性，通过本方案，电芯中的正极锂源几乎没有损失，因而提高了首次库伦效率，提高电池能量密度。
为形成稳定、致密、一致性高的SEI膜，本发明采用相同的化成条件，保证每只化成电芯的温度、气压、充放电电流、电压一致，确保电芯的一致性，采用可控负压化成的方式，调整化成温度，控制化成电流、电压及老化条件等提高SEI膜的稳定性和致密性。
通过实验表明在相同材料、相同工艺的基础上，通过本发明的化成方法，可使电芯的首次库伦效率达98%以上，能量密度可提高3%以上。
附图说明
图1，本发明所使用的化成槽内部结构图。
图2，化成槽盖示意图。
图中，101待化成电芯，102待化成电芯正极，103待化成电芯负极，104待化成电芯负极引线，105牺牲正极群，106牺牲正极群引线，204化成正极接线柱，205化成负极接线柱。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
实施例1，以叠片式磷酸铁锂锂离子电芯化成为例：1、将待化成电芯101按并联的方式叠放在化成槽中，叠放的电芯之间紧贴放置一组以尖晶石锰酸锂极片组成的牺牲正极群105，且叠放电芯的两端及两侧也紧贴放置以尖晶石锰酸锂极片组成的牺牲正极群105，牺牲正极群105的锂源量等于电芯正极锂源量；2、将待化成电芯101的待化成电芯负极103连接在一起，作为负极，并与化成槽盖的待化成负极接线柱205连接；3、将裸电芯两侧的牺牲正极群及待化成电芯间牺牲正极群连接在一起，与化成槽盖上的化成正极接线柱连接；4、接线连接后，将化成槽密封对化成槽进行抽真空，并且控制化成槽内的压强低于0.01Mpa，而后充入干燥的99.99%氮气；5、向化成槽内注入电解液，当电解液液面高于正极片高度时，控制化成槽的气压压强低于0.05Mpa，化成槽温度为25℃，静置36h后,补充注液，使电解液液面高度超出正极片高度，低于隔膜高度；6、将化成正极接线柱204及化成负极接线柱205与充放电设备连接，此时，控制化成槽温度为30℃，然后化成槽充电（充电电流为0.15CA，电压上限限制为3.8V，充电容量上限为0.65C，内部气压控制在0.05Mpa），放电（放电电流为0.15CA，放电电压下限为2.0V，内部气压控制在0.05Mpa），然后重复充放电一次；7、控制化成槽温度为55℃，内部气压控制0.08Mpa，放置时间4天；8、4天后对化成槽进行抽真空，而后充入干燥的99.99%氮气；9、取出化成后的电芯，测试内阻、开路电压，将合格电芯入壳封装。
实施例2，以卷绕式三元材料锂离子电芯化成为例：1、将待化成电芯101按并联的方式叠放在化成槽中，叠放的电芯之间紧贴放置一组以电芯正极片组成的牺牲正极群105，且叠放电芯的两端及两侧也紧贴放置同样的牺牲正极群105，牺牲正极群105的锂源量等于电芯正极锂源量；2、将待化成电芯101的待化成电芯负极103连接在一起，作为负极，并与化成槽盖的待化成负极接线柱205连接；3、将裸电芯两侧的牺牲正极群及待化成电芯间牺牲正极群连接在一起，与化成槽盖上的化成正极接线柱连接；4、接线连接后，将化成槽密封对化成槽进行抽真空，并且控制化成槽内的压强低于0.01Mpa，而后充入干燥的99.99%氮气；5、向化成槽内注入电解液，当电解液液面高于正极片高度时，控制化成槽的气压压强低于0.05Mpa，化成槽温度为25℃，静置48h后,补充注液，使电解液液面高度超出正极片高度，低于隔膜高度；6、将化成正极接线柱204及化成负极接线柱205与充放电设备连接，此时，控制化成槽温度为25℃，然后化成槽充电（（充电电流为0.3CA，电压上限限制为4.2V，充电容量上限为0.7C，内部气压控制在0.03Mpa），放电（放电电流为0.3CA，放电电压下限为2.5V，内部气压控制在0.03Mpa），然后重复充放电一次；7、控制化成槽温度为50℃，内部气压控制0.1Mpa，放置时间7天；8、7天后对化成槽进行抽真空，而后充入干燥的99.99%氮气；9、取出化成后的电芯，测试内阻、开路电压，将合格电芯入壳封装。
显而易见，上述实施例仅为本发明的较佳实施方式，任何在此基础上所作出的简单改变均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种锂离子电池外化成方法，其采用以下步骤：
（1）将待化成的电芯以并联的方式连接到一起，每两支叠放的待化成的电芯之间紧贴放置一组牺牲正极群，且叠放待化成的电芯的两端各贴放一组牺牲正极群；所述的牺牲正极群为常规锂离子电池正极极片，其所含锂源的量大于等于电芯正极锂源量的80%；
（2）将待化成的电芯的负极极柱或极耳连接在一起，作为负极，并与化成槽盖的化成负极接线柱连接；
（3）将待化成的电芯两侧的牺牲正极群及待化成的电芯间的牺牲正极群连接在一起，与化成槽盖上的化成正极接线柱连接；
（4）将化成槽密封，使用真空泵抽去化成槽中的空气，而后向化成槽内充入干燥的99.99%氮气；
（5）向化成槽内注入电解液，然后采用负压静置的方式，在20～50℃的温度下静置24～48小时，静置过程中，如果电解液液面高度低于正极片高度，需补充电解液，但电解液的高度不得高出隔膜的高度，然后将化成槽正、负极接线柱与充放电设备相连接；
（6）在化成槽温度为20～35 ℃、内部气压在0～0.15Mpa的状态下，进行充电，此时充电电流控制在0.1～0.3C，电压控制在4.2V以下，充入电量为40～70%；
（7）在化成槽温度为20～35 ℃、内部气压在0～0.1Mpa的状态下，进行放电，此时放电电流控制在0.1～0.3C，电压控制在2.0～2.5V以内；
（8）重复步骤（6）-（7），对化成槽内的锂电池进行重复充放电；
（9）在化成槽内温度为20～55 ℃之间，内部气压在0～0.1Mpa，对化成槽内的锂电池进行老化处理，老化时间为3-7天；
（10）老化完成后，对化成槽进行抽真空，然后冲入干燥的99.99%氮气，然后静置至室温取出。
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