CN106099202B - 一种叠片软包装锂离子电池快速化成方法 - Google Patents

一种叠片软包装锂离子电池快速化成方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种叠片软包装锂离子电池的快速化成方法，包括固体电解质相界面膜的形成阶段和化成气体排出阶段。主要理论依据为：固体电解质相界面膜主要形成于化成充电初期，同时伴随着化成气体的排出。SEI膜的形成受电流密度和温度等条件影响，在小电流密度下，负极表面先形成有机锂盐，后形成无机锂盐，这样形成的SEI膜更致密，成分也更加稳定。在此阶段采用高温加压的化成方式，可增加反应活性，加快反应的进行，增大电池表面的压力，可缩短离子迁移距离，提升化成效率和极片表面反应一致性。相对于传统的化成工艺，本发明既缩短了化成时间又使得形成的SEI膜更加致密和稳定，可广泛应用于工业化生产中。

Description

一种叠片软包装锂离子电池快速化成方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种叠片软包装锂离子电池快速化成方法。
背景技术
从上世纪九十年代开始，锂离子电池技术得到飞速发展，各种新的电池结构和材料体系被广泛应用。叠片软包装锂离子电池具有成本低、体积比能量高、内阻小、散热面积大等优势，被广泛应用于新能源汽车领域。早期的A123、Enerdel和Leaf均采用这种电池结构。2010年以来，车用动力锂离子电池市场得到爆发式增长，对动力锂离子电池的安全性、一致性和循环寿命提出了更高的要求，越来越多的电池制造厂家开始采用叠片软包装结构来提高电池的性能。
在电池的制作过程中，化成作为关键工序直接影响到电池的电性能、循环性能和一致性。锂电池化成的主要目的是在电极表面形成固体电解质相界面膜(SEI膜)，阻止溶剂分子共嵌入，保证在充放电过程中电极结构不会发生较大变化。大量研究显示，SEI膜的形成主要集中在化成充电初期(从空电充电至10％SOC阶段)，产生少量H2、CO2和大量烯烃气体。化成工序的改善，主要是通过优化各种化成影响因素如电流大小、电解液成分、负极材料、温度和压力等，来达到提高化成效果和工序生产效率的目的。
现有的叠片软包装锂离子电池化成工艺一般是在常温下对电池连续恒流充电至50％～100％SOC，化成所需要的时间较长，生产效率较低。且由于化成电池受到的压力较小，温度未得到控制，化成中的产气和温度变化会导致电池一致性变得更差。有鉴于此，确有必要开发一种新的化成工艺，在保证化成效果的前提下，提高产品一致性和生产效率。
发明内容
针对以上技术问题，本发明的目的在于提供一种既能形成优异的固体电解质相界面膜(SEI膜)，又能提高生产效率的叠片软包装锂离子电池快速化成方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种叠片软包装锂离子电池快速化成方法，所述锂离子电池采用叠片软包装结构，所述快速化成方法包含固体电解质界面膜形成阶段和气体排出阶段，在快速化成过程中使用高温加压化成夹具，高温高压化成夹具夹具可调温度范围为0～90℃。
在固体电解质相界面膜(SEI膜)的形成期，即化成充电至8％～15％SOC阶段采用高温加压化成方式，提升电池压力，缩短离子迁移距离，使化成效率和极片表面反应一致性得到改善；同时通过调节充电电流和化成温度，控制SEI膜的结构组分和厚度，在得到致密、稳定的SEI膜同时缩短化成时间，据此本发明所提供的快速化成方法中固体电解质相界面膜(SEI膜)的形成阶段，包含以下步骤：
步骤1，预压：采用高温加压化成夹具，对叠片软包装锂离子电池进行预压，同时预加热，整个预压过程保持10～30min；
步骤2，化成：预压结束后保持预压压力和预加热温度，进行恒流充电，直至总充电容量达到电池可逆容量的8％～15％。
进一步，作为优选，所述固体电解质相界面膜(SEI膜)的形成阶段，其中预加热温度范围为30～45℃，预压压力范围为0.05～0.3MPa，恒流充电电流范围为0.01～0.1C。
此种软包装叠片锂离子电池快速化成方法的气体排出阶段，包含以下步骤：
步骤1，高温高压：采用高温加压化成夹具，对叠片软包装锂离子电池进行高温高压处理，达到指定温度和压力后保持10～30min；
步骤2，化成排气：高温高压结束后保持温度和压力，进行恒流充电，直至总充电容量达到电池可逆容量的50％～100％。
进一步，作为优选，所述气体排出阶段，其中高温温度范围为40～70℃，高压压力范围为0.6～1MPa，恒流充电电流范围为0.1～1C。
本发明的有益效果：
相对于本领域技术人员所公知的化成工艺，本发明所提出的快速化成方法，利用了固体电解质相界面膜(SEI膜)主要形成于化成充电至8％～15％SOC，便在此阶段提出了高温加压化成的方法，从两方面促使反应的快速进行，一方面：较高的温度既可以增加反应的活性又可以提高化成气体排出的速率，另一方面：大幅度提升电池压力，缩短离子迁移距离，可提升化成效率和极片表面反应一致性；而在随后的气体排出阶段，SEI膜已基本形成，采用比固体电解质相界面膜(SEI膜)形成时更高的温度和压力，同时以大电流充电方式来促使SEI膜结构重整稳定和气体充分排出。
附图说明
图1为本发明的实施例1、2与对比实施例1的1C充放电循环曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例中所用电池类型为叠片软包装锂离子电池。
本实施例中所述的快速化成方法，固体电解质相界面膜(SEI膜)的形成包含以下步骤：
步骤1，预压：采用高温加压化成夹具，对叠片软包装锂离子电池进行预压，压强约为0.1MPa，同时预加热，加热至温度为35℃，整个预压过程保持20min；
步骤2，化成：预压结束后保持预压压力和预加热温度，采用0.08C对锂电池进行恒流充电，直至充电容量达到电池可逆容量的12％。
本实施例中所述的快速化成方法，气体排出阶段，包含以下步骤：
步骤1，采用高温加压化成夹具，对叠片软包装锂离子电池进行高温高压处理，温度为50℃，压强为0.8MPa,达到指定温度和压力后保持20min；
步骤2，化成排气：高温高压结束后保持温度和压力，用1C电流对锂电池进行恒流充电，直至总充电容量达到电池可逆容量的100％(50％～100％)。
化成结束后的电池进行老化、抽真空封口和分容，制得成品电池。记录成品电池首次充放电效率、电池内阻、厚度和1C充放电循环500次后容量剩余率。
本实施例中的成品电池1C循环500次后的容量剩余率为96.27％。
实施例2
本实施例中所用电池类型为叠片软包装锂离子电池。
本实施例中所述的快速化成方法，固体电解质相界面膜(SEI膜)的形成包含以下步骤：
步骤1，预压：采用高温加压化成夹具，对叠片软包装锂离子电池进行预压，压强约为0.1MPa，同时预加热，加热至温度为35℃，整个预压过程保持20min；
步骤2，化成：预压结束后保持预压压力和预加热温度，采用0.05C对锂电池进行恒流充电，直至充电容量达到电池可逆容量的8％。
本实施实例中所述的快速化成方法，气体排出阶段，包含以下步骤：
步骤1，采用高温加压化成夹具，对叠片软包装锂离子电池进行高温高压处理，温度为45℃，压强为0.9MPa,达到指定温度和压力后保持20min；
步骤2，化成排气：高温高压结束后保持温度和压力，用1C电流对锂电池进行恒流充电，直至总充电容量达到电池可逆容量的80％(50％～100％)。
化成结束后的电池进行老化、抽真空封口和分容，制得成品电池。记录成品电池首次充放电效率、电池内阻、厚度和1C充放电循环500次后容量剩余率。
本实施实例中的成品电池1C循环500次后的容量剩余率为95.39％。
对比例1
本实施实例中所用电池类型为叠片软包装锂离子电池。
本实施实例中所述的化成方法为传统的化成工艺，具体方法包含以下步骤：
步骤1，预压，在常温下对叠片软包装锂离子电池进行预压，压强约为0.01MPa,整个预压过程保持5min；
步骤2，化成：预压结束后保持预压压力，采用0.05C对锂电池进行恒流充电，直至充电容量达到电池可逆容量的15％，后用0.1C对锂电池进行恒流充电，直至充电容量达到电池可逆容量的35％，继续采用0.2C对锂电池进行恒流充电，直至充电容量达到电池可逆容量的75％。
化成结束后的电池进行老化、抽真空封口和分容，制得成品电池。记录成品电池首次充放电效率、电池内阻、厚度和1C充放电循环500次后容量剩余率。
本实施实例中的成品电池1C循环500次后的容量剩余率为93.59％。
实验分析
性能测试方法和对比测试结果见下表：
1、1C充放电循环曲线
将实施例1、2与对比实施例1制备的成品电池在常温下采用1C恒流充电至3.65V并恒压至0.02C，搁置10分钟后，以1C恒流放电至2.5V，如此重复进行充放电测试500次后计算第500次放电容量与初始放电容量百分比。对比结果见表1：
表1不同实施例1C充放电循环500次对比结果
实验条件 1C充放电循环500次
实施例1 剩余容量96.27％
实施例2 剩余容量95.39％
对比实施例1 剩余容量93.59％
2.电池性能对比
将实施例1、2与对比实施例1制备的成品电池进行性能对比。对比结果见表2：
表2不同实施例电池性能对比结果
实验条件 首次充放电效率 交流内阻(1KHz) 电池厚度
实施例1 89.1％ 1.2mΩ 13.8mm
实施例2 88.7％ 1.2mΩ 13.7mm
对比实施例1 86.8％ 1.4mΩ 14.1mm
3.化成时间对比
实施例1、2与对比实施例1化成所用的时间对比结果见表3：
表3不同实施例所用化成时间对比结果
实验条件 所用化成时间
实施例1 3小时
实施例2 3小时
对比实施例 7小时
相对于本领域技术人员所公知的化成工艺，本发明所提出的快速化成方法，利用了固体电解质相界面膜(SEI膜)主要形成于化成充电至8％～15％SOC，便在此阶段提出了高温加压化成的方法，从两方面促使反应的快速进行，一方面：较高的温度既可以增加反应的活性又可以提高化成气体排出的速率，另一方面：大幅度提升电池压力，缩短离子迁移距离，可提升化成效率和极片表面反应一致性；而在随后的气体排出阶段，SEI膜已基本形成，采用比固体电解质相界面膜(SEI膜)形成时更高的温度和压力，同时以大电流充电方式来促使SEI膜结构重整稳定和气体充分排出。其既能形成优异的固体电解质相界面膜(SEI膜)，又能提高生产效率的叠片软包装锂离子电池快速化成方法。
最终，以上实施例和附图仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种叠片软包装锂离子电池快速化成方法，其特征在于：所述锂离子电池采用叠片软包装结构，所述快速化成方法包含固体电解质界面膜形成阶段和气体排出阶段，其中，
所述的固体电解质界面膜形成阶段包含以下步骤：
步骤1，预压：
采用高温加压化成夹具，对叠片软包装锂离子电池进行预压，预压压力范围为0.05～0.3Mpa，同时预加热，预加热温度为35℃，整个预压过程保持10～30min；
步骤2，化成：
预压结束后保持预压压力和预加热温度，进行恒流充电，恒流充电电流范围为0.01～0.1C，直至总充电容量达到电池可逆容量的8%～15%；
所述气体排出阶段包含以下步骤：
步骤1，高温高压：
采用高温加压化成夹具，对叠片软包装锂离子电池进行高温高压处理，高压处理的温度范围为40～70℃，压力范围为0.6～1MPa，达到指定温度和压力后保持10～30min；
步骤2，化成排气：
高温高压结束后保持温度和压力，进行恒流充电，恒流充电电流范围为0.1～1C，直至总充电容量达到电池可逆容量的50%～100%。
2.根据权利要求1所述的一种叠片软包装锂离子电池快速化成方法，其特征在于：所述高温加压化成夹具的可调温度范围为0～90℃。
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