CN103700887B - 钛酸锂电池开口化成装置及开口化成方法 - Google Patents
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Abstract
一种钛酸锂电池开口化成装置及开口化成方法，开口化成装置包括化成柜、密闭容器和抽气装置，化成柜包括正极测试线和负极测试线，用于与电池的正极和负极连接；密闭容器用于容纳电池和抽气装置，抽气装置包括气囊、回收囊和气阀，气囊具有进气口和出气口，气囊的进气口用于与电池的注液口连接，回收囊具有进气口和出气口，回收囊的进气口通过气阀与气囊的出气口连接。本发明的钛酸锂电池开口化成装置，能及时将产生的气体抽出，避免以后的使用过程中胀气等问题；而且，电池化成时电池内产生的废气先传入气囊，然后再传到回收囊中，通过回收囊与外界联系，因此电池并不直接与空气连接，避免了空气中水分等进入电池内，对电池产生影响。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池制造领域，特别是涉及一种钛酸锂电池开口化成装置及开口化成方法。
背景技术
目前，以钛酸锂为负极材料制备的锂离子电池因循环寿命长、倍率性能好、快充性能好以及安全性能好等优点收到研究者的广泛关注，已成为目前关注的热点。
在钛酸锂电池实际研究中，由于钛酸锂的嵌锂电位高，在1伏以上，按照以往的化成方法，不会在化成时产生电解质膜。在实际使用中，容易产生过电位，使锂离子电池负极电位降到1V以下，造成钛酸锂与电解质反应分解产生气体无法释放而造成气胀，进而影响电池的容量及循环性能。
目前，研究者多数采用在电解液中添加添加剂或吸气材料以改善钛酸锂胀气问题。虽有一定作用，但添加剂对纯度要求较高，且可能带来能量密度降低以及分散不均匀的问题，不利于产业化的实际应用。
发明内容
针对上述现有技术现状，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种钛酸锂电池开口化成装置，其能将产生的气体抽出，而且能避免空气中水分进入电池内。本发明所要解决的另一个技术问题在于，提供一种使用该抽气装置的钛酸锂电池的开口化成方法。
为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种钛酸锂电池开口化成装置，包括化成柜，所述化成柜包括有正极测试线和负极测试线，所述化成装置还包括密闭容器和抽气装置，所述密闭容器用于容纳电池，所述正极测试线和所述负极测试线分别与所述密闭容器内电池的正极和负极连接；所述抽气装置包括气囊、回收囊和气阀，所述气囊、回收囊和气阀容纳于所述密闭容器内，所述气囊具有进气口和出气口，所述气囊的进气口用于与电池的注液口连接，所述回收囊具有进气口和出气口，所述回收囊的进气口通过所述气阀与所述气囊的出气口连接。
在其中一个实施例中，所述装置还包括气泵，所述气泵设置于所述密闭容器外，且所述气泵的进气口与所述回收囊的出气口连接。
本发明提供的一种钛酸锂电池的开口化成方法，所述电池以钛酸锂为负极材料，所述开口化成方法包括以下步骤：
S1、对电池进行注液，注液后在第一预设温度T1下搁置第一预设时间t1；
S2、将所述电池置于所述密闭容器中，将所述电池的注液口与上述开口化成装置的气囊进气口连接，并关闭所述气阀，将所述电池的正极和负极分别与上述开口化成装置的的正极测试线和负极测试线连接；控制密闭容器的温度为第二预设温度T2，然后在该第二预设温度T2下搁置第二预设时间t2；
S3、控制所述密闭容器的温度为第三预设温度T3，在该第三预设温度T3下对所述电池以第一预设电流I1恒流充电至第一截止电压U1，并以所述第一截止电压U1恒压充电第三预设时间t3；
S4、将所述密闭容器的温度降低至第四预设温度T4，打开所述密闭容器，打开所述气阀对所述电池进行减压抽气，抽气完成后，关闭所述气阀，关闭所述密闭容器；
S5、控制所述密闭容器的温度至所述第三预设温度T3，对所述电池以第二预设电流I2恒流放电至第二截止电压U2，并以所述第二截止电压U2恒压放电第四预设时间t4，然后静置第五预设时间t5，所述第二预设电流I2小于所述第一预设电流I1；以及
S6、对所述电池以第三预设电流I3恒流充电至第三预设电压U3，并以所述第三预设电压U3恒压充电至第四预设电流I4或恒压充电第六预设时间t6，然后静置第七预设时间t7，所述第三预设电流I3小于所述第一预设电流I1；
S7、重复执行预设次数的步骤S5-S6；
S8、将所述密闭容器的温度降低至所述第四预设温度T4，打开所述密闭容器，打开所述抽气装置的气阀，对所述电池进行减压抽气，抽气完成后，对所述电池的注液口做密封处理。
在其中一个实施例中，步骤S1中，T1为20～60℃，t1为5min～120h，步骤S2中，T2为20～100℃，t2为10min～120h。
在其中一个实施例中，步骤S3中，T3为40～120℃，I1为1C～3C，U1为1.8～2.7V，t3为1～120h。
在其中一个实施例中，步骤S4中，T4为20～40℃。
在其中一个实施例中，步骤S5中，T3为40～120℃，I2为0.05C～1C，U2为1.8～2.7V，t4为10min～5h，t5为5～60min。
在其中一个实施例中，步骤S6中，I3为0.05C～1C，U3为1.8～2.7V，t6为30min～5h，t7为5～60min。
在其中一个实施例中，所述预设次数为2～6次。
在其中一个实施例中，步骤S8中，所述电池的注液口的密封方法为钢珠密封、螺纹锁紧、激光焊接中的一种或几种。
本发明的钛酸锂电池开口化成装置，能及时将产生的气体抽出，避免以后的使用过程中胀气等问题；而且，电池化成时电池内产生的废气先传入气囊，然后再传到回收囊中，通过回收囊与外界联系，因此电池并不直接与空气连接，避免了空气中水分等进入电池内，对电池产生影响。
本发明的钛酸锂电池的开口化成方法，采用高温两步化成法，分别采取大电流充电和小电流多次充放电，让电池内水分充分反应，而且通过抽气装置将产生的气体抽出，避免以后的使用过程中胀气等问题，同时保证了电池容量，提高了电池的循环寿命，也能提高电池的倍率性能。
附图说明
图1为本发明其中一个实施例中的钛酸锂电池开口化成装置的原理图；
图2为本发明另一个实施例中的钛酸锂电池开口化成装置的原理图；
图3为根据本发明实施例1中的开口化成方法活化的钛酸锂电池A-1的室温循环性能(B-1为常规方式活化的电池，作为对比参照)。
图1、2中，10、化成柜；20、电池；21、注液口；30、抽气装置；31、气囊；32、气阀；33、回收囊；34、气泵；40、密闭容器。
具体实施方式
下面参考附图并结合实施例对本发明进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，以下各实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图1所示为本发明其中一个实施例中的钛酸锂电池开口化成装置的原理图，开口化成装置包括化成柜10、密闭容器40和抽气装置30，其中，所述化成柜10采用现有技术的化成柜，其包括有正极测试线(图中未示出)和负极测试线(图中未示出)。较优地，密闭容器40为高温烘箱。所述抽气装置30容纳于所述密闭容器40内，用于抽走电池20化成时产生的废气。所述抽气装置30包括气囊31、回收囊33和气阀32，所述气囊31具有进气口和出气口，所述气囊31的进气口用于与电池20的注液口21连接，所述回收囊33具有进气口和出气口，所述回收囊33的进气口通过所述气阀32与所述气囊31的出气口连接。化成时，关闭气阀32，这样，电池20化成过程中产生的废气进入气囊31中；当需要抽气时，打开气阀32，气囊31中的废气进入回收囊33中，然后通过回收囊33排出，电池20并不直接与空气连接，避免了空气中水分等进入电池20内，对电池20产生影响。
图2所示为本发明另一个实施例中的钛酸锂电池开口化成装置的原理图，与上述实施例中的钛酸锂电池开口化成装置的不同在于，所述抽气装置30还包括气泵34，所述气泵34设置于所述密闭容器40外，且所述气泵34的进气口与所述回收囊33的出气口连接。通过气泵34快速将回收囊33中的废气排出。
本发明的钛酸锂电池的开口化成方法，采用上述开口化成装置，所述电池20以钛酸锂为负极材料，所述开口化成方法包括以下步骤：
步骤S1、对电池20进行注液，注液后在第一预设温度T1下搁置第一预设时间t1，以保证电解液充分浸润电池极片。
步骤S2、将所述电池置于所述密闭容器40中，将所述电池20的注液口21与所述开口化成装置的抽气装置30的气囊31进气口连接，并关闭所述气阀32，将所述电池20的正极和负极分别与所述正极测试线和所述负极测试线连接；控制密闭容器40的温度为第二预设温度T2，然后在该第二预设温度T2下搁置第二预设时间t2，以使电池20里面杂质充分反应，达到除去电池20内部痕量水及其他杂质的作用，从而解决电池20后期使用中出现胀气的问题。
步骤S3、控制所述密闭容器40的温度为第三预设温度T3，在该第三预设温度T3下对所述电池20以第一预设电流I1恒流充电至第一截止电压U1，并以所述第一截止电压U1恒压充电第三预设时间t3。
步骤S4、将所述密闭容器40的温度降低至第四预设温度T4，打开所述密闭容器40，打开所述气阀32对所述电池20进行减压抽气，抽气完成后，关闭所述气阀32，关闭所述密闭容器40。
步骤S5、控制所述密闭容器40的温度至所述第三预设温度T3，对所述电池20以第二预设电流I2恒流放电至第二截止电压U2，并以所述第二截止电压U2恒压放电第四预设时间t4，然后静置第五预设时间t5，所述第二预设电流I2小于所述第一预设电流I1。
步骤S6、对所述电池20以第三预设电流I3恒流充电至第三预设电压U3，并以所述第三预设电压U3恒压充电至第四预设电流I4或恒压充电第六预设时间t6，然后静置第七预设时间t7，所述第三预设电流I3小于所述第一预设电流I1。
步骤S7、重复执行预设次数的步骤S5-步骤S6；
步骤S8、将所述密闭容器40的温度降低至第四预设温度T4，打开所述密闭容器40，打开所述抽气装置30的气阀32，对所述电池20进行减压抽气，抽气完成后，对所述电池20的注液口21做密封处理。其中，注液口21密封方式为钢珠密封，激光焊接密封，螺纹锁紧等密封方式中的一种或几种。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的钛酸锂电池20的开口化成方法。
实施例一：
正极材料：镍钴锰酸锂，负极材料：钛酸锂，铝壳圆柱锂离子电池20。
将电池20进行抽真空注液后，在20℃下静置48h以上，保证电池20里面气体被抽走，极片被电解液充分浸润。
静置后，把电池20放置在高温烘箱内，把上述实施例中抽气装置的气囊31进气口与电池20的注液口21连接，关闭气阀32，把化成柜10的正极测试线和负极测试线分别连接到电池20的正极和负极，关闭高温烘箱；把高温烘箱升温到60℃，恒温静置2h，然后调整高温烘箱的温度为80℃，以3C的电流恒流充电至1.8V，再恒压充电6h；将高温烘箱降温至20℃，打开高温烘箱箱门，并将抽气装置30的气阀32打开，将气囊31内气体流出回收囊；抽气完成后，关闭抽气装置30的气阀32，关闭高温烘箱箱门，然后调整高温烘箱的温度为40℃，然后继续进行第二步活化，小电流1.5C恒流充电至2.7V，再恒压充电5min，静置5min后，以小电流1C恒流充电至2.7V，再恒压充电5min，然后静置5min，重复2次，活化完毕，对电池20进行密封。
实施例二：
正极：镍钴锰酸锂三元材料，负极：钛酸锂材料，铝壳圆柱锂离子电池电池20。
将电池电池20进行抽真空注液后，在45℃下静置10h，保证电池20里面气体被抽走，极片被电解液充分浸润。
静置后，把电池20放置在高温烘箱内，把电池20的注液口21拧开，用气管30将电池20的注液口21连接到上述实施例中的抽气装置30的气囊31进气口，再把电池20的正极和负极分别连接到化成柜10的正极测试线和负极测试线，把高温烘箱升温到90℃，恒温静置10min，然后调整高温烘箱的温度为120℃，以1C的电流恒流充电至2.7V，再恒压充电1h；将高温烘箱降温至40℃，打开高温烘箱箱门，并将抽气装置30的气阀32打开，放掉里面气囊31中的气体；抽气完成后，关闭抽气装置30的气阀32，关闭温烘箱箱门，然后调整高温烘箱的温度为120℃，然后继续进行第二步活化，小电流0.3C恒流充电至2.7V，再恒压充电100min，静置60min后，以小电流0.05C恒流充电至2.7V，再恒压充电30min，然后静置30min，重复6次，活化完毕，对电池20进行密封。
实施例三：
正极材料：锰酸锂材料，负极材料：钛酸锂材料，铝壳圆柱锂离子电池20。
将电池20进行抽真空注液后，在30℃下静置120h以上，保证电池20里面气体被抽走，极片被电解液充分浸润。
静置后，把电池20放置在高温烘箱内，把电池20的注液口21拧开，用气管30将电池20的注液口21连接到上述实施例中的抽气装置30的气囊31进气口，再把电池20的正极和负极分别连接到化成柜10的正极测试线和负极测试线，把高温烘箱升温到60℃，恒温静置120h，然后调整高温烘箱的温度为60℃，以2C的电流恒流充电至1.8V，再恒压充电120h；将高温烘箱降温至20℃，打开高温烘箱箱门，并将抽气装置30的气阀32打开，放掉里面气囊31中的气体；抽气完成后，关闭抽气装置30的气阀32，关闭温烘箱箱门，然后调整高温烘箱的温度为60℃，然后继续进行第二步活化，小电流0.05C恒流充电至1.8V，再恒压充电5h，静置60min后，以小电流0.05C恒流充电至1.8V，再恒压充电5h，然后静置60min，重复6次，活化完毕，对电池20进行密封。
实施例四：
正极：镍钴锰酸锂三元材料，负极：钛酸锂材料，铝壳圆柱锂离子电池20。
将电池20进行抽真空注液后，在40℃下静置80h以上，保证电池20里面气体被抽走，极片被电解液充分浸润。
静置后，把电池20放置在高温烘箱内，把电池20的注液口21拧开，用气管30将电池20的注液口21连接到上述实施例中的抽气装置30的气囊31进气口，再把电池20的正极和负极分别连接到化成柜10的正极测试线和负极测试线，把高温烘箱升温到80℃，恒温静置10h，然后调整高温烘箱的温度为100℃，以1C的电流恒流充电至2.7V，再恒压充电40h；将高温烘箱降温至40℃，打开高温烘箱箱门，并将抽气装置30的气阀32打开，放掉里面气囊31中的气体；抽气完成后，关闭抽气装置30的气阀32，关闭温烘箱箱门，然后调整高温烘箱的温度为80℃，然后继续进行第二步活化，小电流1C恒流充电至2.7V，再恒压充电1h，静置30min后，以小电流0.1C恒流充电至2.7V，再恒压充电3h，然后静置60min，重复3次，活化完毕，对电池20进行密封。
为便于更好的了解采用该化成方法与普通化成方法的区别，采用实施例四所述的化成方法后电池与采用传统方法化成后电池进行循环性能对比。采用传统工艺化成后电池采用的传统工艺是：在常温下1C恒流充电至截止电压后采用截止电流或恒压时间为作为停止条件。图3为两个电池在相同充放电条件下的循环放电曲线图。如图3所示，采用传统工艺化成方法后的电池，在经历600次循环后，其电池放电容量降至电池原始容量的85％左右，并出现胀气的现象；而采用本化成工艺的电池经历1250次循环后，其放电容量仍保持在97％，并没有出现胀气现象。这表明采用该化成工艺可以更好的防止胀气，更好的提高电池的循环性能。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种钛酸锂电池开口化成装置，包括化成柜，所述化成柜包括有正极测试线和负极测试线，其特征在于，所述化成装置还包括密闭容器和抽气装置，所述密闭容器用于容纳电池，所述正极测试线和所述负极测试线分别与所述密闭容器内电池的正极和负极连接；所述抽气装置包括气囊、回收囊和气阀，所述气囊、回收囊和气阀容纳于所述密闭容器内，所述气囊具有进气口和出气口，所述气囊的进气口用于与电池的注液口连接，所述回收囊具有进气口和出气口，所述回收囊的进气口通过所述气阀与所述气囊的出气口连接。
2.根据权利要求1所述的钛酸锂电池开口化成装置，其特征在于，所述抽气装置还包括气泵，所述气泵设置于所述密闭容器外，且所述气泵的进气口与所述回收囊的出气口连接。
3.一种钛酸锂电池的开口化成方法，其特征在于，所述电池以钛酸锂为负极材料，所述开口化成方法包括以下步骤：
S1、对电池进行注液，注液后在第一预设温度T1下搁置第一预设时间t1；
S2、将所述电池置于密闭容器中，将所述电池的注液口与如权利要求1或2所述开口化成装置的气囊进气口连接，并关闭所述气阀，将所述电池的正极和负极分别与如权利要求1或2所述开口化成装置的正极测试线和负极测试线连接；控制密闭容器的温度为第二预设温度T2，然后在该第二预设温度T2下搁置第二预设时间t2；
S3、控制所述密闭容器的温度为第三预设温度T3，在该第三预设温度T3下对所述电池以第一预设电流I1恒流充电至第一截止电压U1，并以所述第一截止电压U1恒压充电第三预设时间t3；
S4、将所述密闭容器的温度降低至第四预设温度T4，打开所述密闭容器，打开所述气阀对所述电池进行减压抽气，抽气完成后，关闭所述气阀，关闭所述密闭容器；
S5、控制所述密闭容器的温度至所述第三预设温度T3，对所述电池以第二预设电流I2恒流放电至第二截止电压U2，并以所述第二截止电压U2恒压放电第四预设时间t4，然后静置第五预设时间t5，所述第二预设电流I2小于所述第一预设电流I1；以及
S6、对所述电池以第三预设电流I3恒流充电至第三预设电压U3，并以所述第三预设电压U3恒压充电至第四预设电流I4或恒压充电第六预设时间t6，然后静置第七预设时间t7，所述第三预设电流I3小于所述第一预设电流I1；
S7、重复执行预设次数的步骤S5-S6；
S8、将所述密闭容器的温度降低至所述第四预设温度T4，打开所述密闭容器，打开所述抽气装置的气阀，对所述电池进行减压抽气，抽气完成后，对所述电池的注液口做密封处理。
4.根据权利要求3所述的钛酸锂电池的开口化成方法，其特征在于，步骤S1中，T1为20～60℃，t1为5min～120h，步骤S2中，T2为20～100℃，t2为10min～120h。
5.根据权利要求3所述的钛酸锂电池的开口化成方法，其特征在于，步骤S3中，T3为40～120℃，I1为1C～3C，U1为1.8～2.7V，t3为1～120h。
6.根据权利要求3所述的钛酸锂电池的开口化成方法，其特征在于，步骤S4中，T4为20～40℃。
7.根据权利要求3所述的钛酸锂电池的开口化成方法，其特征在于，步骤S5中，T3为40～120℃，I2为0.05C～1C，U2为1.8～2.7V，t4为10min～5h，t5为5～60min。
8.根据权利要求3所述的钛酸锂电池的开口化成方法，其特征在于，步骤S6中，I3为0.05C～1C，U3为1.8～2.7V，t6为30min～5h，t7为5～60min。
9.根据权利要求3所述的钛酸锂电池的开口化成方法，其特征在于，所述预设次数为2～6次。
10.根据权利要求3所述的钛酸锂电池的开口化成方法，其特征在于，步骤S8中，所述电池的注液口的密封方法为钢珠密封、螺纹锁紧、激光焊接中的一种或几种。
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