CN105449288A - 一种三元体系电池电容的化成方法 - Google Patents

一种三元体系电池电容的化成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的三元体系电池电容的化成方法，化成方法为对电池电容采用恒电流多步重复充放电，恒电流多步重复充放电为：将电池电容的充放电截止电压间电压窗口划分为包括U0-U1、U1-U2、U2-U3、U3-U4、U4-U5的5个电压区间，并对应所述5个电压区间设置5个区间充放电步骤并按照电压递增的顺序实施，每一个区间充放电步骤均包括对电池电容依次进行恒流充电至该区间截止电压、断电静置t1和恒流放电。本发明方案通过小电流多步化成的方法能够使电池电容在化成阶段使副反应进行的更加完全，化成时在器件内部的产生的气体能够得以充分的排出，使电池电容的性能更加稳定充分的发挥。

Description

一种三元体系电池电容的化成方法
技术领域
本发明涉及一种锂电池电容的化成方法，特别是一种三元体系电池电容的化成方法。
背景技术
三元体系电池电容，其正极主要活性物质为三元锂离子正极材料，三元正极材料镍钴锰酸锂(NCM)以及镍钴铝酸锂(NCA)因其本身高容量、高比能的特性已经逐渐进入锂离子电池的市场中。NCM材料中Ni的存在可以提高材料的容量，Co能够有效的稳定材料的层状结构，Mn既可以降低材料的成本，又起到作为材料制成骨架的作用，三种元素的协同作用使得NCM材料成为了取代LiCoO2成为锂离子电池材料正极最被看好的材料。目前市场主流的三元材料主要为NCM(111型、532型、622型、811型)镍钴锰体系以及NCA镍钴铝体系，NCM具有层状结构，NCA则比较接近811型的NCM结构。
现阶段磷酸铁锂技术的单体电池比能量仅100-120Wh/kg，组合成电池包后，电池系统能量密度还不到90Wh/kg，而三元材料电池技术比能量相比磷酸铁锂要高出50％，目前普遍在150-180Wh/kg。然而比能量拥有了高的比能量，三元体系电池的寿命却只有几千次，而超级电容器的寿命可以达到百万次。锂离子电池正极材料与活性炭复合形成的电池电容体系能够结合电池和电容器两方面的优势，已经成为目前国内外研究的趋势。
三元电池电容体系相比于其他正极材料，三元材料能够提高更高的容量和能量密度，但是在产品的测试及使用中会产生胀气现象而影响到电池产品的使用寿命和使用安全性。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种三元体系电池电容的化成方法，通过小电流多步化成的方法能够使电池电容在化成阶段使副反应进行的更加完全，化成时在器件内部的产生的气体能够得以充分的排出，使电池电容的性能更加稳定充分的发挥。
本发明公开的三元体系电池电容的化成方法，化成方法为对电池电容采用恒电流多步重复充放电，恒电流多步重复充放电为：将电池电容的充放电截止电压间电压窗口(即化陈电压的上下限区间)划分为包括U0-U1、U1-U2、U2-U3、U3-U4、U4-U5的5个电压区间，并对应所述5个电压区间设置5个区间充放电步骤并按照电压递增的顺序实施，每一个区间充放电步骤均包括对电池电容依次进行恒流充电至该区间截止电压(最高值)、断电静置t1和恒流放电，其中每一次恒流放电时电压均降低至U0；
同一电压区间内实施的区间充放电步骤的恒流放电与恒流充电操作之间还包括断电静置t2；
不同电压区间内实施的区间充放电步骤的恒流放电与恒流充电操作之间还包括断电静置t3；
其中t1≤t2≤t3。本方案中，通过将电压窗口划分为5个阶梯梯度,以最大限度的消除电池电容中的副反应，并使胀气在化成阶段最大限度的排出，电池电容充分静置后开始进行充电，使化陈电压的升降幅度更为平滑，从而能够在激活电池电容的同时在阳极表面稳定地形成保护膜层，同时具有良好的容量保持率，并且避免使用寿命内出现胀气而影响到正常使用。同时设定t1≤t2≤t3，可以使得不可逆反应充分进行，充分释放反应气体，电极材料结构更为稳定的同时，又可以避免过度反应而降低电极活性。
本方案中每一次区间充放电步骤中的恒流放电工序都会放电至最低截止电压，促进不可逆过程在化成阶段进行，促进SEI膜的形成，使电极材料内部结构更加稳定，进而电池电容的循环稳定性更高。
本发明公开的三元体系电池电容的化成方法的一种改进，恒电流多步重复充放电中同一区间内的区间充放电步骤至少重复2次再进行下一区间的区间充放电步骤。本方案通过在同一区间内进行多次重复区间充放电步骤，使不可逆过程在化成阶段进行完毕，促进SEI膜的形成，可以使得阳极的结构更为稳定，阳极保护层的性能更为稳定，同时锂离子在阴极的嵌合更为稳定，从而保证了电池电容的使用寿命。
本发明公开的三元体系电池电容的化成方法的一种改进，每一个区间充放电步骤中恒流放电均为放电至电压U0。
本发明公开的三元体系电池电容的化成方法的一种改进，t1为30-60s。
本发明公开的三元体系电池电容的化成方法的一种改进，t2为60-90s。
本发明公开的三元体系电池电容的化成方法的一种改进，t3为120-240s。
本发明公开的三元体系电池电容的化成方法的一种改进，电池电容的充放电截止电压间电压窗口为2.7-4.2V。
本发明公开的三元体系电池电容的化成方法的一种改进，U0为2.7V、U1为3.0V、U2为3.3V、U3为3.6V、U4为3.9V、U5为4.2V。
本发明公开的三元体系电池电容的化成方法，操作性好，化成效率高，电池的质量和使用寿命均具有较大的改善。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明方案的实施，其产品均为以包括而不限于现有技术中锂电池电容，以下对部分锂电池进行举例，但不作为对本发明实施方案以及应用范围的限定。
锂电池1
本例中锂电池包括正极活性物质为磷酸铁锂，分散剂为NMP；负极活性物质为石墨，分散剂为水。电解液主要成分为EC、DEC和LiPF6。隔膜材质为聚丙烯和聚乙烯树脂的复合膜。
锂电池2
本例中锂电池包括正极活性物质为锰酸锂，极片面密度为440g/m2，负极为人造石墨，极片面密度为150g/m2，隔膜为UBE40。
实施例1
本实施中，对锂电池采用恒电流多步重复充放电，恒电流多步重复充放电为：将电池电容的充放电截止电压间电压窗口划分为包括2.7V-3.0V、3.0V-3.3V、3.3V-3.6V、3.6V-3.9V、3.9V-4.2V的5个电压区间，并对应所述5个电压区间设置5个区间充放电步骤并按照电压递增的顺序实施，每一个区间充放电步骤均包括对电池电容依次进行恒流充电至该区间截止电压、断电静置t1和恒流放电；同一电压区间内实施的区间充放电步骤的恒流放电与恒流充电操作之间还包括断电静置t2；不同电压区间内实施的区间充放电步骤的恒流放电与恒流充电操作之间还包括断电静置t3；其中t1≤t2≤t3。
具体操作如下：
(1)将充放电截止电压间电压窗口2.7V-4.2V平均分为U0-U1(2.7-3.0V)、U1-U2(3.0-3.3V)、U2-U3(3.3-3.6V)、U3-U4(3.6-3.9V)和U4-U5(3.9-4.2V)五个阶段；
(2)以0.05C恒流充电至第一阶段充电截止电压U1，充电后断电静置30s，再以0.05C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(3)将步骤(2)重复3次后静置3min；
(4)以0.1C恒流充电至第二阶段充电截止电压U2，充电后断电静置30s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(5)将步骤(4)重复3次后静置3min；
(6)以0.1C恒流充电至第三阶段充电截止电压U3，充电后断电静置30s，再以0.1C电流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(7)将步骤(6)重复3次后静置3min；
(8)以0.2C恒流充电至第四阶段充电截止电压U4，充电后断电静置30s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(9)将步骤(8)重复3次后静置3min；
(10)以0.2C恒流充电至最终的充电截止电压U5，充电后断电静置30s，再以0.2C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(11)重复步骤(10)1次后结束。
实施例2
(1)将充放电截止电压间电压窗口2.7V-4.2V平均分为U0-U1(2.7-3.0V)、U1-U2(3.0-3.3V)、U2-U3(3.3-3.6V)、U3-U4(3.6-3.9V)和U4-U5(3.9-4.2V)五个阶段；
(2)以0.05C恒流充电至第一阶段充电截止电压U1，充电后断电静置40s，再以0.05C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置70s；
(3)将步骤(2)重复3次后静置160s；
(4)以0.1C恒流充电至第二阶段充电截止电压U2，充电后断电静置40s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置70s；
(5)将步骤(4)重复3次后静置200s；
(6)以0.1C恒流充电至第三阶段充电截止电压U3，充电后断电静置40s，再以0.1C电流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置70s；
(7)将步骤(6)重复3次后静置2.5min；
(8)以0.2C恒流充电至第四阶段充电截止电压U4，充电后断电静置40s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置70s；
(9)将步骤(8)重复3次后静置3.5min；
(10)以0.2C恒流充电至最终的充电截止电压U5，充电后断电静置40s，再以0.2C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置70s；
(11)重复步骤(10)1次后结束。
实施例3
(1)将充放电截止电压间电压窗口2.7V-4.2V平均分为U0-U1(2.7-3.0V)、U1-U2(3.0-3.3V)、U2-U3(3.3-3.6V)、U3-U4(3.6-3.9V)和U4-U5(3.9-4.2V)五个阶段；
(2)以0.05C恒流充电至第一阶段充电截止电压U1，充电后断电静置50s，再以0.05C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(3)将步骤(2)重复3次后静置4min；
(4)以0.1C恒流充电至第二阶段充电截止电压U2，充电后断电静置50s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置80s；
(5)将步骤(4)重复3次后静置4min；
(6)以0.1C恒流充电至第三阶段充电截止电压U3，充电后断电静置50s，再以0.1C电流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置80s；
(7)将步骤(6)重复3次后静置4min；
(8)以0.2C恒流充电至第四阶段充电截止电压U4，充电后断电静置50s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置80s；
(9)将步骤(8)重复3次后静置4min；
(10)以0.2C恒流充电至最终的充电截止电压U5，充电后断电静置50s，再以0.2C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置80s；
(11)重复步骤(10)1次后结束。
实施例4
(1)将充放电截止电压间电压窗口2.7V-4.2V平均分为U0-U1(2.7-3.0V)、U1-U2(3.0-3.3V)、U2-U3(3.3-3.6V)、U3-U4(3.6-3.9V)和U4-U5(3.9-4.2V)五个阶段；
(2)以0.05C恒流充电至第一阶段充电截止电压U1，充电后断电静置60s，再以0.05C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(3)将步骤(2)重复3次后静置2min；
(4)以0.1C恒流充电至第二阶段充电截止电压U2，充电后断电静置60s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(5)将步骤(4)重复3次后静置2min；
(6)以0.1C恒流充电至第三阶段充电截止电压U3，充电后断电静置60s，再以0.1C电流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(7)将步骤(6)重复3次后静置2min；
(8)以0.2C恒流充电至第四阶段充电截止电压U4，充电后断电静置60s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(9)将步骤(8)重复3次后静置2min；
(10)以0.2C恒流充电至最终的充电截止电压U5，充电后断电静置60s，再以0.2C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(11)重复步骤(10)1次后结束。
实施例5
(1)将充放电截止电压间电压窗口2.7V-4.2V平均分为U0-U1(2.7-3.0V)、U1-U2(3.0-3.3V)、U2-U3(3.3-3.6V)、U3-U4(3.6-3.9V)和U4-U5(3.9-4.2V)五个阶段；
(2)以0.05C恒流充电至第一阶段充电截止电压U1，充电后断电静置35s，再以0.05C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置90s；
(3)将步骤(2)重复3次后静置3min；
(4)以0.1C恒流充电至第二阶段充电截止电压U2，充电后断电静置45s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置90s；
(5)将步骤(4)重复3次后静置4min；
(6)以0.1C恒流充电至第三阶段充电截止电压U3，充电后断电静置55s，再以0.1C电流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置90s；
(7)将步骤(6)重复3次后静置3min；
(8)以0.2C恒流充电至第四阶段充电截止电压U4，充电后断电静置540s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置90s；
(9)将步骤(8)重复3次后静置2min；
(10)以0.2C恒流充电至最终的充电截止电压U5，充电后断电静置36s，再以0.2C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置90s；
(11)重复步骤(10)1次后结束。
实施例6
(1)将充放电截止电压间电压窗口2.7V-4.2V平均分为U0-U1(2.7-3.0V)、U1-U2(3.0-3.3V)、U2-U3(3.3-3.6V)、U3-U4(3.6-3.9V)和U4-U5(3.9-4.2V)五个阶段；
(2)以0.05C恒流充电至第一阶段充电截止电压U1，充电后断电静置40s，再以0.05C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置70s；
(3)将步骤(2)重复3次后静置200s；
(4)以0.1C恒流充电至第二阶段充电截止电压U2，充电后断电静置40s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置70s；
(5)将步骤(4)重复2次后静置200s；
(6)以0.1C恒流充电至第三阶段充电截止电压U3，充电后断电静置40s，再以0.1C电流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置70s；
(7)将步骤(6)重复3次后静置200s；
(8)以0.2C恒流充电至第四阶段充电截止电压U4，充电后断电静置40s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置70s；
(9)将步骤(8)重复3次后静置200s；
(10)以0.2C恒流充电至最终的充电截止电压U5，充电后断电静置40s，再以0.2C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置70s；
(11)重复步骤(10)1次后结束。
实施例7
(1)将充放电截止电压间电压窗口2.7V-4.2V平均分为U0-U1(2.7-3.0V)、U1-U2(3.0-3.3V)、U2-U3(3.3-3.6V)、U3-U4(3.6-3.9V)和U4-U5(3.9-4.2V)五个阶段；
(2)以0.05C恒流充电至第一阶段充电截止电压U1，充电后断电静置50s，再以0.05C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(3)将步骤(2)重复2次后静置160s；
(4)以0.1C恒流充电至第二阶段充电截止电压U2，充电后断电静置50s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置80s；
(5)将步骤(4)重复2次后静置160s；
(6)以0.1C恒流充电至第三阶段充电截止电压U3，充电后断电静置50s，再以0.1C电流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置80s；
(7)将步骤(6)重复2次后静置160s；
(8)以0.2C恒流充电至第四阶段充电截止电压U4，充电后断电静置50s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置80s；
(9)将步骤(8)重复2次后静置160s；
(10)以0.2C恒流充电至最终的充电截止电压U5，充电后断电静置50s，再以0.2C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置80s；
(11)重复步骤(10)1次后结束。
实施例8
(1)将充放电截止电压间电压窗口2.7V-4.2V平均分为U0-U1(2.7-3.0V)、U1-U2(3.0-3.3V)、U2-U3(3.3-3.6V)、U3-U4(3.6-3.9V)和U4-U5(3.9-4.2V)五个阶段；
(2)以0.05C恒流充电至第一阶段充电截止电压U1，充电后断电静置60s，再以0.05C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(3)将步骤(2)重复4次后静置220s；
(4)以0.1C恒流充电至第二阶段充电截止电压U2，充电后断电静置60s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(5)将步骤(4)重复4次后静置130s；
(6)以0.1C恒流充电至第三阶段充电截止电压U3，充电后断电静置60s，再以0.1C电流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(7)将步骤(6)重复4次后静置140s；
(8)以0.2C恒流充电至第四阶段充电截止电压U4，充电后断电静置60s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(9)将步骤(8)重复4次后静置160s；
(10)以0.2C恒流充电至最终的充电截止电压U5，充电后断电静置60s，再以0.2C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置60s；
(11)重复步骤(10)1次后结束。
实施例9
(1)将充放电截止电压间电压窗口2.7V-4.2V平均分为U0-U1(2.7-3.0V)、U1-U2(3.0-3.3V)、U2-U3(3.3-3.6V)、U3-U4(3.6-3.9V)和U4-U5(3.9-4.2V)五个阶段；
(2)以0.05C恒流充电至第一阶段充电截止电压U1，充电后断电静置35s，再以0.05C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置90s；
(3)将步骤(2)重复1次后静置170s；
(4)以0.1C恒流充电至第二阶段充电截止电压U2，充电后断电静置45s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置90s；
(5)将步骤(4)重复1次后静置4min；
(6)以0.1C恒流充电至第三阶段充电截止电压U3，充电后断电静置55s，再以0.1C电流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置90s；
(7)将步骤(6)重复1次后静置3min；
(8)以0.2C恒流充电至第四阶段充电截止电压U4，充电后断电静置540s，再以0.1C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置90s；
(9)将步骤(8)重复1次后静置2min；
(10)以0.2C恒流充电至最终的充电截止电压U5，充电后断电静置36s，再以0.2C恒流放电至电池电容放电截止电压U0后，断电静置90s；
(11)重复步骤(10)1次后结束。
电池的测试均采用软包铝塑膜锰酸锂电池，电池设计容量为5Ah，在通过本发明方案化成后，电池化成结束后，均以2C电流下进行充放电循环。
采用本发明方案的化成方法，电池的性能均满足首次充放电效率为95.2％，化成后软包膨胀率在28％-34％，将气体放出进行二次封装，进行2C电流下循环测试，1000次后容量保持率为94.3％，软包装未见有胀气现象。
而作为对比的，采用传统的化成方法，同等条件下电池的性能为首次充放电效率为91.3％，化成后软包装膨胀率在14％-17％，将气体放出进行二次封装，进行2C电流下循环测试，1000次后容量保持率在91.9％，软包装仍有少量胀气。
本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内；同时本发明方案所有列举或者未列举的实施例中，在同一实施例中的各个参数仅仅表示其技术方案的一个实例(即一种可行性方案)，而各个参数之间并不存在严格的配合与限定关系，其中各参数在不违背公理以及本发明述求时可以相互替换，特别声明的除外。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种三元体系电池电容的化成方法，其特征在于，所述化成方法为对电池电容采用恒电流多步重复充放电，所述恒电流多步重复充放电为：将电池电容的充放电截止电压间电压窗口划分为包括U0-U1、U1-U2、U2-U3、U3-U4、U4-U5的5个电压区间，并对应所述5个电压区间设置5个区间充放电步骤并按照电压递增的顺序实施，每一个区间充放电步骤均包括对电池电容依次进行恒流充电至该区间截止电压、断电静置t1和恒流放电，其中每一次恒流放电时电压均降低至U0；
同一电压区间内实施的区间充放电步骤的恒流放电与恒流充电操作之间还包括断电静置t2；
不同电压区间内实施的区间充放电步骤的恒流放电与恒流充电操作之间还包括断电静置t3；
其中t1≤t2≤t3。
2.根据权利要求1所述的三元体系电池电容的化成方法，其特征在于，所述恒电流多步重复充放电中同一区间内的区间充放电步骤至少重复2次再进行下一区间的区间充放电步骤。
3.根据权利要求1或2所述的三元体系电池电容的化成方法，其特征在于，所述每一个区间充放电步骤中恒流放电均为放电至电压U0。
4.根据权利要求1所述的三元体系电池电容的化成方法，其特征在于，所述t1为30-60s。
5.根据权利要求1所述的三元体系电池电容的化成方法，其特征在于，所述t2为60-90s。
6.根据权利要求1所述的三元体系电池电容的化成方法，其特征在于，所述t3为120-240s。
7.根据权利要求1所述的三元体系电池电容的化成方法，其特征在于，所述电池电容的充放电截止电压间电压窗口为2.7-4.2V。
8.根据权利要求1所述的三元体系电池电容的化成方法，其特征在于，所述U0为2.7V、U1为3.0V、U2为3.3V、U3为3.6V、U4为3.9V、U5为4.2V。
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