CN106299461B - 一种高能量密度锂离子电芯化成工艺 - Google Patents

一种高能量密度锂离子电芯化成工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种高能量密度锂离子电芯化成工艺，电芯在化成过程中，本发明采用分段加压的形式，在小压力小电流条件下对电芯进行充电，一方面，首次充电过程中，小电流充电使得Li+与电解液反应不会过于剧烈，从而减少产气量，缓解了电芯冲边和移位问题的产生；另一方面，分段加压的形式使得反应所产生的气体逐渐排出，有效地改善了因排气不畅引起的黑斑界面问题。另外，随着化成的深入，产气逐渐增加，本发明通过加大面压和电流，使接触更紧密，从而成膜更稳定，同时提高化成效率和产能。

Description

一种高能量密度锂离子电芯化成工艺
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种高能量密度锂离子电芯化成工艺。
背景技术
锂离子电池作为一种绿色环保电池，具有能量密度高，工作电压高，循环寿命长等优点，近年来在手机、笔记本电脑、UPS电源、电动汽车等移动设备上得到了广泛的应用。
应用领域的扩大及电池需求量的增加促使电芯生产商去精化工艺流程，缩短工序时间并提高生产效率以满足市场需求。随着电芯行业机械化程度提高，化成工序成为目前制约生产效率的重要环节。而随着高能量密度产品的市场需求的加深，高能量密度电芯对于生产商的电芯结构设计优化和制程工序能力要求越来越严格，其中对于化成工艺的要求尤为甚者。
现有的高温夹具化成工艺，在充电开始阶段，对电池施加的压力一般为0.3～0.5Mpa，电流一般为0.1～0.2C，这样的压力和电流都过大，从而使产气量大大增加，具体理由是：1)首次充电过程中，如果电流过大，Li+与电解液反应会过于剧烈，从而导致产气量也过大；2)在高温下，大电流化成相比小电流化成，其所形成的SEI膜不是很致密，成膜遇高温分解也会产生一部分气体。然而，产气量大容易造成产气排除不畅的问题，一方面，这会引起界面黑斑；另一方面，大量产气推动着游离于包装袋内的电解液，这对于电芯的顶封边和角位冲击过大，容易导致冲边或移位。除此之外，现有的化成工艺化成效率和产能也都有待改善。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种高能量密度锂离子电芯化成工艺，以改善化成过程中遇到的黑斑界面、冲边移位不良的问题，同时提高化成效率和产能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高能量密度锂离子电芯化成工艺，包括前处理阶段、化成阶段和烘烤处理阶段，所述化成阶段包括以下步骤：
步骤一，以0.05C的恒定电流为电芯充电，首先给电芯施加300～500kgf的压力，充电15～20min；然后给电芯加压到0.2～0.3MPa，充电10～15min；最后给电芯加压到0.3～0.4MPa，充电5～10min；
步骤二，给步骤一所得电芯施加0.4～0.5MPa的压力，以0.2C的恒定电流为其进行充电，充电时间为20min；
步骤三，保持0.4～0.5MPa的压力，以0.8～1.0C的恒定电流为步骤二所得电芯充电，充电时间为40～60min。
作为本发明所述的高能量密度锂离子电芯化成工艺的一种改进，所述化成阶段的操作温度为75～85℃。
作为本发明所述的高能量密度锂离子电芯化成工艺的一种改进，步骤一所得电芯的实际电压为2.5～3.0V。
作为本发明所述的高能量密度锂离子电芯化成工艺的一种改进，所述电芯的安全充电上限电压为4.4V。
作为本发明所述的高能量密度锂离子电芯化成工艺的一种改进，所述前处理阶段是在常温下，往电芯中注入电解液，静置12-24h，再将电芯置于40～45℃的温度条件下，静置16～24h。
作为本发明所述的高能量密度锂离子电芯化成工艺的一种改进，所述烘烤处理阶段是将所述化成阶段所得电芯在温度为80～90℃的条件下烘烤4～6h。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种高能量密度锂离子电芯化成工艺，电芯在化成过程中，本发明采用分段加压的形式，在小压力小电流条件下对电芯进行充电，一方面，首次充电过程中，小电流充电使得Li+与电解液反应不会过于剧烈，从而减少产气量，缓解了电芯冲边和移位问题的产生；另一方面，分段加压的形式使得反应所产生的气体逐渐排出，有效地改善了因排气不畅引起的黑斑界面问题。另外，随着化成的深入，产气逐渐增加，本发明通过加大面压和电流，使接触更紧密，从而成膜更稳定，同时提高化成效率和产能。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明及其有益效果作进一步详细说明，但是，本发明的具体实施方式并不局限于此。
实施例1
一种高能量密度锂离子电芯化成工艺，包括以下步骤：
1)前处理阶段：在常温下，往电芯中注入电解液，静置12h，再将电芯置于45℃的温度条件下，静置16h。
2)化成阶段：步骤一，以0.05C的恒定电流为电芯充电，首先给电芯施加300kgf的压力，充电20min；然后给电芯加压到0.2MPa，充电15min；最后给电芯加压到0.3MPa，充电10min；电芯的实际电压为2.5V；步骤二，给步骤一所得电芯施加0.4MPa的压力，以0.2C的恒定电流为其进行充电，充电时间为20min；步骤三，保持0.4MPa的压力，以0.8C的恒定电流为步骤二所得电芯充电，充电时间为60min。化成阶段的操作温度为75℃。
3)烘烤处理阶段：将化成阶段所得电芯在温度为80℃的条件下烘烤6h。
实施例2
一种高能量密度锂离子电芯化成工艺，包括以下步骤：
1)前处理阶段：在常温下，往电芯中注入电解液，静置18h，再将电芯置于40℃的温度条件下，静置20h。
2)化成阶段：步骤一，以0.05C的恒定电流为电芯充电，首先给电芯施加400kgf的压力，充电18min；然后给电芯加压到0.25MPa，充电12min；最后给电芯加压到0.35MPa，充电10min；电芯的实际电压为3.0V；步骤二，给步骤一所得电芯施加0.45MPa的压力，以0.2C的恒定电流为其进行充电，充电时间为20min；步骤三，保持0.45MPa的压力，以0.9C的恒定电流为步骤二所得电芯充电，充电时间为50min。化成阶段的操作温度为80℃。
3)烘烤处理阶段：将化成阶段所得电芯在温度为85℃的条件下烘烤5h。
实施例3
一种高能量密度锂离子电芯化成工艺，包括以下步骤：
1)前处理阶段：在常温下，往电芯中注入电解液，静置24h，再将电芯置于40℃的温度条件下，静置24h。
2)化成阶段：步骤一，以0.05C的恒定电流为电芯充电，首先给电芯施加500kgf的压力，充电15min；然后给电芯加压到0.3MPa，充电10min；最后给电芯加压到0.4MPa，充电5min；电芯的实际电压为3.0V；步骤二，给步骤一所得电芯施加0.5MPa的压力，以0.2C的恒定电流为其进行充电，充电时间为20min；步骤三，保持0.5MPa的压力，以1.0C的恒定电流为步骤二所得电芯充电，充电时间为40min。化成阶段的操作温度为85℃。
3)烘烤处理阶段：将化成阶段所得电芯在温度为90℃的条件下烘烤4h。
对比例1
一种高能量密度锂离子电芯化成工艺，包括以下步骤：
1)前处理阶段：在常温下，往电芯中注入电解液，静置12h，再将电芯置于45℃的温度条件下，静置16h。
2)化成阶段：步骤一，给电芯施加0.3MPa的压力，以0.1C的恒定电流为电芯充电，充电45min；步骤二，给步骤一所得电芯施加0.4MPa的压力，以0.2C的恒定电流为其进行充电，充电时间为20min；步骤三，保持0.4MPa的压力，以0.5C的恒定电流为步骤二所得电芯充电，充电时间为100min。化成阶段的操作温度为75℃。
3)烘烤处理阶段：将化成阶段所得电芯在温度为80℃的条件下烘烤6h。
对比例2
一种高能量密度锂离子电芯化成工艺，包括以下步骤：
1)前处理阶段：在常温下，往电芯中注入电解液，静置18h，再将电芯置于40℃的温度条件下，静置20h。
2)化成阶段：步骤一，给电芯施加0.4MPa的压力，以0.1C的恒定电流为电芯充电，充电40min；步骤二，给步骤一所得电芯施加0.45MPa的压力，以0.2C的恒定电流为其进行充电，充电时间为20min；步骤三，保持0.45MPa的压力，以0.5C的恒定电流为步骤二所得电芯充电，充电时间为90min。化成阶段的操作温度为80℃。
3)烘烤处理阶段：将化成阶段所得电芯在温度为85℃的条件下烘烤5h。
对比例3
一种高能量密度锂离子电芯化成工艺，包括以下步骤：
1)前处理阶段：在常温下，往电芯中注入电解液，静置24h，再将电芯置于40℃的温度条件下，静置24h。
2)化成阶段：步骤一，给电芯施加0.45MPa的压力，以0.1C的恒定电流为电芯充电，充电30min；步骤二，给步骤一所得电芯施加0.5MPa的压力，以0.2C的恒定电流为其进行充电，充电时间为20min；步骤三，保持0.5MPa的压力，以0.5C的恒定电流为步骤二所得电芯充电，充电时间为75min。化成阶段的操作温度为85℃。
3)烘烤处理阶段：将化成阶段所得电芯在温度为90℃的条件下烘烤4h。
测试结果
分别对实施例1～3和对比例1～3的电芯进行测试，测试结果如表1所示。
表1测试结果
由表1可以看出，实施例1～3的电芯不存在界面黑斑、不发生冲边和移位，而对比例1～3的电芯基本都存在界面黑斑、发生冲边或移位，由此可见，本发明的化成工艺能有效改善化成过程中遇到的黑斑界面、冲边移位不良的问题，这是因为本发明以恒定小电流为电芯充电而且采用了分段加压的形式给电芯施加压力，减少产气量同时也减慢了产气速度，解决了排气不畅的问题，从而解决了界面黑斑的问题，同时避免发生冲边和移位。另外，由表1中的化成阶段用时可以看出，实施例1～3的用时比对比例1～3的用时短，化成效率有所提高，这是因为实施例1～3在化成阶段的最后一步以0.8～1.0C的恒定电流为电芯充电，而对比例1～3均是以0.5C的恒定电流为电芯充电，也就是说，本发明在化成阶段的最后一步采取了大电流充电的形式，从而缩短了化成时间，而且这不影响电芯的其它性能。
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 (5)

1.一种高能量密度锂离子电芯化成工艺，包括前处理阶段、化成阶段和烘烤处理阶段，其特征在于，所述化成阶段包括以下步骤：
步骤一，以0.05C的恒定电流为电芯充电，首先给电芯施加300~500kgf的压力，充电15~20min；然后给电芯加压到0.2~0.3MPa，充电10~15min；最后给电芯加压到0.3~0.4MPa，充电5~10min；
步骤二，给步骤一所得电芯施加0.4~0.5MPa的压力，以0.2C的恒定电流为其进行充电，充电时间为20min；
步骤三，保持0.4~0.5MPa的压力，以0.8~1.0C的恒定电流为步骤二所得电芯充电，充电时间为40~60min；
所述化成阶段的操作温度为75~85℃。
2.根据权利要求1所述的高能量密度锂离子电芯化成工艺，其特征在于，步骤一所得电芯的实际电压为2.5~3.0V。
3.根据权利要求1所述的高能量密度锂离子电芯化成工艺，其特征在于，所述电芯的安全充电上限电压为4.4V。
4.根据权利要求1所述的高能量密度锂离子电芯化成工艺，其特征在于，所述前处理阶段是在常温下，往电芯中注入电解液，静置12-24h，再将电芯置于40~45℃的温度条件下，静置16~24h。
5.根据权利要求1所述的高能量密度锂离子电芯化成工艺，其特征在于：所述烘烤处理阶段是将所述化成阶段所得电芯在温度为80~90℃的条件下烘烤4~6h。
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