CN105390749B - 一种电化学电池的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电化学电池领域，特别涉及一种电化学电池制备方法：主要包待充电电芯的制备、化成和成品电芯制备三个步骤，首先将干燥后的裸电芯与电解液接触，使得电解液将裸电芯包围，此时所述电解液还未完全渗透进入所述电池电极片之间，即进入化成工序进行化成；由于化成过程中有气泡不断产生，将撑开电极片之间的距离，为电解液向电极之间的间隙扩散制作空间，从而在化成过程中加速电解液浸润，达到浸润于化成工序合并的目的。同时，由于才开始化成时，电极浸润面积小，随着化成的进行，电极浸润区域逐渐扩大，因此化成电流可以组建提高，从而缩短化成需要的整体时间，进一步降低制造成本。

Description

一种电化学电池的制备方法

技术领域

本发明属于储能领域，特别涉及一种电化学电池的制备方法。

背景技术

进入21世纪以后，各种电子器件产品如手机、笔记本、可穿戴设备等层出不穷，极大的丰富了广大用户的生活；同时，电动汽车及各类储能电站也如雨后春笋般迅速萌芽、发展、壮大。以上高科技产品，具有一个共同特征：需要高性能、低成本的电池充当储能部件。

现有的电池主要有一次电池和二次电池两大类；所谓一次电池，即无法反复充电的电池，主要包括碳锌电池、碱性电池、糊式锌锰电池、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式电池(扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池)、锌空气电池、一次锂锰电池等、水银电池；所谓二次电池，即可充电电池，主要包括二次碱性锌锰电池、镍镉充电电池、镍氢充电电池、锂充电电池、铅酸电池、太阳能电池。铅酸蓄电池可分为：开口式铅酸蓄电池、全密闭铅酸蓄电池。而从外包装角度分析，现有电池主要分为软包装电池及硬壳包装电池，由于软包装电池包装膜本身厚度小，可塑性大，被广泛的运用于各类高档一次电池和二次电池中。

然而，随着电池用量的逐渐提升，电池成本在设备中的成本比例逐步提高，特别是电动汽车及储能电站，电池成本占整机成本的30％，甚至50％以上；有鉴于此，降低电池成本就显得格外重要。电池成本主要包括原材料成本和制造成本，其中制造成本占电池成本比例在30％以上或者更多。同时，由于电池能量密度及工艺需求，电芯制备时，需要较为紧密的卷绕结构或在注液之前对电芯压实(防止电极错位)，此时电极片中间紧密贴合，极不利于电解液在电极片之间的扩散浸润，故需要较长的电解液浸润时间，使得整体制造成本提升。因此如何降低电池的制造成本成为广大电池制造研究者的研究课题。

对于常见的电池体系，通常需要将电芯干燥、之后再注液，注液后经过一个缓慢的电解液浸润过程，达到电解液充分浸入时开始慢速复杂的化成，以上过程工序繁琐、耗时漫长，占据了大量的制作成本。

有鉴于此，确有必要开发一种新的电化学电池制备方法，该方法可以极大的简化工艺，还能缩短工序时间，从而提高生产效率，降低生产成本。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种电化学电池制备方法：主要包括待充电电芯的制备、化成和成品电芯制备三个步骤，首先将干燥后的裸电芯与电解液接触，使得电解液将裸电芯包围，此时所述电解液还未完全渗透进入所述电池电极片之间，即进入化成工序进行化成；由于化成过程中有气泡不断产生，将撑开电极片，使得电极片之间的距离加大，为电解液向电极之间的间隙扩散制造空间，从而在化成过程中加速电解液浸润，达到浸润与化成工序合并的目的。同时，由于才开始化成时，电极浸润面积小，随着化成的进行，电极浸润区域逐渐扩大，因此化成电流可以逐渐提高，从而缩短化成需要的整体时间，进一步降低制造成本。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电化学电池的制备方法，主要包括如下步骤：

步骤1，待充电电芯的制备：将干燥后的裸电芯与电解液接触，使得电解液将裸电芯包围，此时所述电解液还未完全渗透进入所述电池电极片之间，但裸电芯被电解液所包围，且电解液将裸电芯四周或头尾处电极部分浸润(电解液对裸电芯的浸润过程即是电解液裸电芯四周或头尾向裸电芯中心扩散的过程)，从而得到待充电电芯；

步骤2，化成：对步骤1得到的局部浸润、被电解液包围的电芯依次采用大小为I1、I2、……、In的电流进行n步化成，每步化成时间分别为t1、t2、……、tn；从而得到化成后的电芯；

步骤3，成品电芯制备：对步骤2得到的电芯进行组装、整形得到成品电芯。

作为本发明电化学电池的制备方法的一种改进，所述电化学电池包括有机系超级电容器、锂离子电池、钠离子电池和锂硫电池中的一种，本发明的目的是解决电解液浸润问题(特别是浸润之前电芯电极之间贴合紧密的电芯的浸润问题)，因此适用于所有需要在电极之间浸润的电池体系。

作为本发明电化学电池的制备方法的一种改进，步骤1中裸电芯与电解液接触的方式为将干燥后的裸电芯浸入电解液中或将裸电芯入壳/入袋后再干燥然后再向包装壳/袋中注入电解液。

作为本发明电化学电池的制备方法的一种改进，所述电化学电池为软包装电池或硬壳包装电池；所述软包装电池的包装袋为铝塑膜、钢塑膜、无锈钢膜、铝箔中的至少一种；所述硬壳包装电池的包装壳为无锈钢壳、铝壳、铜壳中的至少一种。

作为本发明电化学电池的制备方法的一种改进，在步骤2之前，所述裸电芯电极片之间或/和电极内部未被电解液充分浸润。

作为本发明电化学电池的制备方法的一种改进，在步骤2的化成过程中，电芯表面不受压或电芯表面受间断性面压，若化成过程中，电芯表面持续受压，将使得电极片间、电极片与隔离膜之间紧密贴合，无电解液扩散进入电芯中心区域通道；而“电芯表面不受压”是指电芯表面受到的面压小于或等于一个大气压，因此包括将电芯放入真空环境中进行化成。

作为本发明电化学电池的制备方法的一种改进，在步骤2所述的化成过程中，采用对电芯/电解液加热至小于或等于100℃(升高电解液及电芯温度，可以较低降低电解液粘度，加速浸润，同时较高的化成温度，也可以减小化成过程的极化现象)、对电芯进行挤压-释放-再挤压循环操作、超声震荡(挤压及超声震荡可以将化成产生的气体排出电芯主体，而经过排气过程，能够在电极之间形成排放通道，有利于电解液顺着排气通道向电芯中心区域扩散)中的至少一种方法对所述电芯或电解液进行处理。

作为本发明电化学电池的制备方法的一种改进，步骤2中所述的化成步骤n≥1时，I1≤I2≤……≤In≤1C(其中“C”为电池的标准容量)；化成时间1min≤ti≤4h，1≤i≤n。

作为本发明电化学电池的制备方法的一种改进，步骤2所述的化成步骤n≥2时，I1≤I2≤……≤In≤0.5C(其中“C”为电池的标准容量)；化成时间3min≤ti≤2h，1≤i≤n。

本发明的有益效果在于：

首先将干燥后的裸电芯与电解液接触，使得电解液将裸电芯包围，此时所述电解液还未完全渗透进入所述电池电极片之间，即进入化成工序进行化成；由于化成过程中有气泡不断产生，将撑开电极片之间的距离，为电解液向电极之间的间隙扩散制造空间，从而在化成过程中加速电解液浸润，达到浸润与化成工序合并的目的。

其次，由于才开始化成时，电极浸润面积小，随着化成的进行，电极浸润区域逐渐扩大，因此化成电流可以逐渐提高，从而缩短化成需要的整体时间，进一步降低制造成本。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明及其有益效果进行详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

比较例，

待干燥电芯制备：将正极片、隔离膜、负极片叠片，之后热压使得三者复合在一起得到裸电芯，之后选择铝塑膜为外封装材料进行顶封、侧封，再经过干燥工艺得到待注液电芯；

待化成电芯制备：于25℃下，向上述干燥后的电芯中注入25℃的电解液，之后进行真空封装；再于室温下静置，直至电解液完全浸透电极；

化成：于25℃、1个大气压下，采用0.05C的电流对上述电芯进行化成，化成时间为4h，结束化成；

成品电池制备：将上述化成后的电芯进行整形、除气、封装得到成品电池。

实施例1，与比较例不同的是，本实施例包括如下步骤：

待化成电芯制备：于25℃下，向上述干燥后的电芯中注入25℃的电解液，之后进行真空封装；此时，电解液才开始向裸电芯中心区域扩散浸润，整个裸电芯处于电解液的浸泡之中，从而得到待化成电芯。

化成：于25℃、1个大气压下，采用0.01C的电流对上述电芯进行化成，化成时间为10min；之后用0.02C化成10min，0.03C化成10min，0.04C化成10min，0.05C化成4h，结束化成；

其余与比较例相同，这里不在赘述。

实施例2，与实施例1不同的是，本实施例包括如下步骤：

化成：于25℃、0.5个大气压下，采用0.01C的电流对上述电芯进行化成，化成时间为10min；之后用0.02C化成10min，0.03C化成10min，0.04C化成10min，0.05C化成4h，结束化成；

其余与实施例1相同，这里不在赘述。

实施例3，与实施例1不同的是，本实施例包括如下步骤：

化成：于25℃、0.1个大气压下，采用0.01C的电流对上述电芯进行化成，化成时间为10min；之后用0.02C化成10min，0.03C化成10min，0.04C化成10min，0.05C化成4h，结束化成；

其余与实施例1相同，这里不在赘述。

实施例4，与实施例1不同的是，本实施例包括如下步骤：

化成：于25℃、1Pa的气压下，采用0.01C的电流对上述电芯进行化成，化成时间为10min；之后用0.02C化成10min，0.03C化成10min，0.04C化成10min，0.05C化成4h，结束化成；

其余与实施例1相同，这里不在赘述。

实施例5，与实施例2不同的是，本实施例包括如下步骤：

化成：于0℃、0.5个大气压下，采用0.01C的电流对上述电芯进行化成，化成时间为10min；之后用0.02C化成10min，0.03C化成10min，0.04C化成10min，0.05C化成4h，结束化成；

其余与实施例2相同，这里不在赘述。

实施例6，与实施例2不同的是，本实施例包括如下步骤：

化成：于45℃、0.5个大气压下，采用0.01C的电流对上述电芯进行化成，化成时间为10min；之后用0.02C化成10min，0.03C化成10min，0.04C化成10min，0.05C化成4h，结束化成；

其余与实施例2相同，这里不在赘述。

实施例7，与实施例2不同的是，本实施例包括如下步骤：

化成：于60℃、0.5个大气压下，采用0.01C的电流对上述电芯进行化成，化成时间为10min；之后用0.02C化成10min，0.03C化成10min，0.04C化成10min，0.05C化成4h，结束化成；

其余与实施例2相同，这里不在赘述。

实施例8，与实施例2不同的是，本实施例包括如下步骤：

化成：于100℃、0.5个大气压下，采用0.01C的电流对上述电芯进行化成，化成时间为10min；之后用0.02C化成10min，0.03C化成10min，0.04C化成10min，0.05C化成4h，结束化成；

其余与实施例2相同，这里不在赘述。

实施例9，与实施例7不同的是，本实施例包括如下步骤：

化成：于60℃、0.5个大气压下，采用0.1C的电流对上述电芯进行化成，化成时间为2h，结束化成；

其余与实施例7相同，这里不在赘述。

实施例10，与实施例2不同的是，本实施例包括如下步骤：

化成：于100℃、0.1个大气压下，采用0.05C的电流对上述电芯进行化成，化成时间为30min；之后用0.5C化成20min，结束化成；

其余与实施例2相同，这里不在赘述。

实施例11，与实施例2不同的是，本实施例包括如下步骤：

化成：于100℃、0.1个大气压下，采用0.05C的电流对上述电芯进行化成，化成时间为30min；之后用0.5C化成10min，之后用1C化成5min结束化成；

其余与实施例2相同，这里不在赘述。

实施例12，与实施例2不同的是，本实施例包括如下步骤：

化成：于70℃、对电芯施加0.5MPa面压，保持1min，之后卸掉面压，1min后再对电芯施加0.5MPa面压，之后往复操作；同时采用0.05C的电流对上述电芯进行化成，化成时间为30min；之后用0.1C化成20min，之后用0.2C化成10min结束化成；

其余与实施例2相同，这里不在赘述。

实施例13，与实施例2不同的是，本实施例包括如下步骤：

待干燥电芯制备：将正极片、隔离膜、负极片卷绕，之后选择铝壳为外封装材料，进行入壳操作，再经过干燥工艺得到待注液电芯；

待化成电芯制备：于75℃下，向上述干燥后的电芯中注入75℃的电解液，之后进行真空封装；此时，电解液才开始向裸电芯中心区域扩散浸润，整个裸电芯处于电解液的浸泡之中，从而得到待化成电芯。

化成：于75℃、0.01个大气压下，采用0.01C的电流对上述电芯进行化成，化成时间为1min；之后用0.02C化成3min，0.03C化成5min，0.04C化成10min，0.1C化成2h，结束化成；

成品电池制备：将上述化成后的电芯进行整形、除气、封装得到成品电池。

其余与实施例2相同，这里不在赘述。

表征及测试：

容量测试：在35℃环境中按如下流程对电芯进行容量测试：静置3min；0.5C恒流充电至4.2V，恒压充电至0.05C；静置3min；0.5C恒流放电至3.0V得到首次放电容量D0；

黑斑状况统计：在35℃环境中按如下流程对比较例及实施例中电芯进行满充：静置3min；0.5C恒流充电至4.2V，恒压充电至0.05C；静置3min；之后立刻拆解电芯，统计负极片上黑斑数量n，n＝0，记为无黑斑；1≤n≤3，且最大黑斑直径小于1cm，记为轻微黑斑；4≤n，或1个黑斑直径大于1cm的，记为黑斑；

表1，比较例与实施例的电池的测试结果表

对比表1中比较例及实施例可得，本发明可以实现注液后立刻进入化成工序，且制备出来的电芯具有优良的电化学性能。

分析表1，对比实施例1～实施例4可得，随着电芯所受面压的不断减小，电池容量逐渐增加，黑斑也将消失，这是因为，当电芯受到负压时，化成产生的气体更容易从裸电芯内部排出，从而将极片撑开，便于电解液扩散浸润电极片之间进而浸润电极片。

对比实施例2、实施例5～实施例8可得，随着化成温度的提高，电池容量逐渐升高(100℃时除外)，对比实施例1～3可得，随着预热时施加压力的增加，预热时间逐渐缩短，但干燥时间和浸润时间逐渐增加，这是由于较大压力的预热，将电芯中隔离膜与电极之间的界面压实，不利于干燥和浸润。

由实施例4与实施例1可得，提高预热温度，可以快速的让电芯达到预设的温度，缩短预热时间。

由实施例1、实施例1～实施例9可得，随着干燥时真空度的增加，干燥时间及浸润时间逐渐降低，这是由于大的真空度更有利于溶剂挥发及电极孔洞结构中气体组分的彻底排出。

由实施例1、实施例10～实施例13可得，随着电解液温度的升高，浸润速度加快，但当电解液温度过高时，电芯循环性能降低，这是由于电芯与电解液温度均较高、且真空度较高时，电解液中低沸点组分(往往是添加剂)更容易挥发，从而改变电解液成分，进而影响电芯性能。

由实施例1、实施例14～实施例17可得，随着干燥温度的上升，干燥时间逐渐降低，但是温度过高时将破坏电芯结构。

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能够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述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。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)

1.一种电化学电池的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：

步骤1，待充电电芯的制备：将干燥后的裸电芯与电解液接触，使得电解液将裸电芯包围，此时所述电解液还未完全渗透进入所述裸电芯的电极片之间，从而得到待充电电芯；

步骤2，化成：依次采用大小为I1、I2、……、In的电流，对步骤1的被电解液包围的电芯进行n步化成，每步化成时间分别为t1、t2、……、tn；从而得到化成后的电芯；

步骤3，成品电芯制备：对步骤2得到的电芯进行组装、整形得到成品电芯；

在步骤2之前，所述裸电芯的电极片之间或/和电极内部未被电解液充分浸润。

2.一种权利要求1所述的电化学电池的制备方法，其特征在于，所述电化学电池包括有机系超级电容器、锂离子电池、钠离子电池和锂硫电池中的一种。

3.一种权利要求1所述的电化学电池的制备方法，其特征在于，步骤1中裸电芯与电解液接触的方式为将干燥后的裸电芯浸入电解液中或将裸电芯入壳/入袋后再干燥然后再向包装壳/袋中注入电解液。

4.一种权利要求1或3所述的电化学电池的制备方法，其特征在于，所述电化学电池为软包装电池或硬壳包装电池；所述软包装电池的包装袋为铝塑膜、钢塑膜、无锈钢膜和铝箔中的至少一种；所述硬壳包装电池的包装壳为无锈钢壳、铝壳和铜壳中的至少一种。

5.一种权利要求1所述的电化学电池的制备方法，其特征在于，在步骤2的化成过程中，电芯表面不受压或电芯表面受间断性面压。

6.一种权利要求1所述的电化学电池的制备方法，其特征在于，在步骤2所述的化成过程中，采用对电芯/电解液加热至小于或等于100℃、对电芯进行挤压-释放-再挤压循环操作、超声震荡中的至少一种方法对所述电芯或电解液进行处理。

7.一种权利要求1所述的电化学电池的制备方法，其特征在于，步骤2中所述的化成的步骤数n≥1时，I1≤I2≤……≤In≤1C，其中C为电池的标准容量；化成时间1min≤ti≤4h，1≤i≤n。

8.一种权利要求1所述的电化学电池的制备方法，其特征在于，步骤2所述的化成步骤n≥2时，I1≤I2≤……≤In≤0.5C，其中C为电池的标准容量；化成时间3min≤ti≤2h，1≤i≤n。