CN107726737B - 圆柱形电芯及其烘烤方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种圆柱形电芯及其烘烤方法。该圆柱形电芯烘烤方法包括如下步骤：将电芯在温度为82‑88℃的条件下进行鼓风干燥9‑11h；将鼓风干燥后的所述电芯进行真空干燥；其中，所述真空干燥包括10‑14次的如下循环过程：先在真空度≤‑0.08Mpa、温度为80‑90℃的条件下真空干燥20‑30min；然后在氮气或惰性气体条件下常压静置处理后，在温度为80‑90℃的条件下加热15‑25min。本发明的圆柱形电芯烘烤方法的各步骤之间通过协同作用，不仅可减少抽真空时间、减少惰性气体充入量，而且比传统单一烘烤方式(鼓风烘烤或真空烘烤)的时间短、成本低、效果更明显。

Description

圆柱形电芯及其烘烤方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种圆柱形电芯及其烘烤方法。
背景技术
烤烤是指圆柱型电池生产过程中，对入壳滚槽后的电芯进行烘干的过程，其保证电芯所含水分控制在一定的范围以内才可进行下一步注液过程。锂离子电池电芯的水分含量高会造成锂电池在充放电过程中，所含水分与电解液发生副反应：一方面，腐蚀钢壳使电芯密封性被破坏；另一方面，副反应产生气体、副产物等更加促进副反应，从而影响锂离子电池的使用寿命和性能(压降、内阻、容量等)。如何有效降低电芯水分含量，提高生产效率，节约成本，是现代圆柱型电池工业化生产过程中的一项重要工艺问题，烘烤后的水分要求因各工艺技术差异有所差异，理论水分含量越低越好。
因圆柱型电池入壳滚槽后，电芯内部与外界交换面积小，电芯所含的水分难以被烘出，现有技术电芯有以下几种：1.通过纯鼓风机热交换，去除电芯内水分；2.通过真空与惰性气体交替更换，去除电芯水水分；现主流的设备有：高温鼓风箱、真空烘烤箱。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种圆柱形电芯及其烘烤方法，旨在解决现有圆柱形电芯烘烤方法效果不理想、效率低，单一烘烤方法烤速率慢、时间长、成本高的技术问题。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种一种圆柱形电芯烘烤方法，包括如下步骤：
将电芯在温度为82-88℃的条件下进行鼓风干燥9-11h；
将鼓风干燥后的所述电芯进行真空干燥；其中，所述真空干燥包括10-14次的如下循环过程：
先在真空度≤-0.08Mpa、温度为80-90℃的条件下真空干燥20-30min；然后在氮气或惰性气体条件下常压静置处理后，在温度为80-90℃的条件下加热15-25min。
另一方面，本发明提供一种圆柱形电芯的制备方法，包括本发明的上述圆柱形电芯烘烤方法。
最后，本发明提供一种圆柱形电芯，由本发明的上述圆柱形电芯制备方法制得。
本发明提供的圆柱形电芯烘烤方法，综合利用鼓风烘烤和真空烘烤相结合的方式：利用鼓风烘烤加热快、受热均匀、可减少电芯自由水的特点；同时，优化真空烘烤程序，改善烘烤效果、减少烘烤时间。该圆柱形电芯烘烤方法过程中，鼓风烘烤可去除电芯中大约85％左右的自由水，同时采用真空烘烤，可减少周转时间，减少环境中所含的水分对烘烤的影响；采用真空烘烤与鼓风烘烤相结合，可使单纯鼓风烘烤未能去除的电芯中的剩余自由水以及其结合水在真空度≤-0.08Mpa内达到沸点，如此可进一步去除电芯内水分。因此，本发明的圆柱形电芯烘烤方法的各步骤之间通过协同作用，不仅可减少抽真空时间、减少惰性气体充入量，而且比传统单一烘烤方式(鼓风烘烤或真空烘烤)的时间短、成本低、效果更明显。
本发明提供一种圆柱形电芯，其制备过程含有上述圆柱形电芯烘烤方法，因此其电芯使用寿命和性能都显著优于常规制备方法得到的电芯。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一方面，本发明实施例提供了一种圆柱形电芯烘烤方法，包括如下步骤：
S01：将电芯在温度为82-88℃的条件下进行鼓风干燥9-11h；
S02：将鼓风干燥后的上述电芯进行真空干燥；其中，真空干燥包括10-14次的如下循环过程：
先在真空度≤-0.08Mpa、温度为80-90℃的条件下真空干燥20-30min；然后在氮气或惰性气体条件下常压静置处理后，在温度为80-90℃的条件下加热15-25min。
本实施例的圆柱形电芯烘烤方法的各步骤之间通过协同作用，不仅可减少抽真空时间、减少惰性气体充入量，而且比传统单一种烘烤方式(鼓风烘烤或真空烘烤)的时间短、成本低、效果更明显。
优选地，上述步骤S01中的鼓风干燥过程在鼓风箱中进行，且鼓风干燥时的露点温度≤-21℃。在该露点要求条件下开启鼓风烘烤设备(鼓风箱)，烘烤箱内的干燥热风可与电芯充分接触，使烘烤箱内电芯充分、快速受热。
优选地，上述步骤S01中，为了保证热风与电芯充分接触，电芯置于烘烤箱内的状态有以下要求：将电芯放置于周转箱中在鼓风箱中进行鼓风干燥；且周转箱的侧壁带有通气孔，周转箱的高度低于电芯的高度。这样可保证电芯与热风充分接触，同时烘烤时的风速要求达到鼓风设备最高风速，风速越高，电芯内水分与环境的蒸气压越易被破坏，使电芯内水分不断被去除，直至电芯内水分与烘烤房内水蒸气压达到动态平衡；优选地，本实施例中，鼓风箱设置两个0.45Kw的电机驱动热风循环，可有效提高烘烤时的风速。
烘烤温度设置值85±3℃，在该温度下，本实施例的电芯内的极片、隔膜因其储存和制程所吸收的自由水与鼓风箱内干燥热风中的热水分达到平衡而不断被烘干出。若所述烘烤温度过高，具体的，超过90℃，容易因为长时间烘烤导致圆柱型锂离子电池隔膜容易发生氧化而失效，可将鼓风机的安全上限温度设置在90℃。同时，烘烤10±1h(实验表明鼓风烘烤在烘烤10h附近，即可以去除电芯内大约85％的自由水，如继续使用鼓风烘烤可持续减少电芯内自由水，但烘烤时间成倍数增加，然而电芯内结合水未被烘烤去除)即可转至真空箱，为后续真空烘烤节省了烘烤时间。
优选地，上述步骤S02中的真空干燥过程在真空箱中进行，且在将鼓风干燥后的所述电芯进行真空干燥之前，先于所述真空箱内，在氮气或惰性气体环境中、80-90℃条件下加热25-35min。
因电芯从鼓风箱转至真空箱内烘烤时，电芯会有部分热量损失，从而使电芯温度降低，不利于真空烘烤的进行；所以在真空烘烤前的第一步是充入氮气或惰性气体(因电芯在鼓风机内去除了大部分的自由水，转置真空箱内时，周转箱内会存在含水分的空气，需先抽真空后除去周转箱内含水分的空气，在真空条件下，热的传递是以热辐射为主，加热速率过慢，充入惰性气体能使加热由以热辐射为主变成以热交换为主，传热速度快)。
电芯在80-90℃下加热30±5min，即可以保持烘烤箱内自由水的去除状态，同时，便于电芯通过热交换快速补充损失热量。而温度设定80-90℃，可为下一步真空干燥的循环过程的去除水分作准备；真空条件下去除水分时，真空箱内的热量补充主要是以热辐射为主，损失热量大于补充热量，如未达到此温度，将不利于后续的水分去除，与鼓风烘烤温度选择依据不同，鼓风烘烤温度选择理论应该大于100℃，达到自由水沸点，但因电芯本身温度不得超过95℃，所以在安全上线温度设置为90℃的条件下进行热风交换去除电芯内自由水，而在该真空条件下，自由水的沸点约为63-67℃，设置80-90℃可使自由水在沸点温度以上加快去除。
具体地，上述步骤S02中的真空干燥的循环过程：先在真空度为≤-0.08Mpa(提供一个真空的环境使电芯内的自由水和结合水的沸点降低，同时抽除惰性气体以及在加热过程中所交换出的水分)的条件下，将电芯控制在80-90℃下烘烤25±5min(在此真空条件下，水的沸点约为63～67℃，箱内80-90℃时电芯内水分达到沸点值，电芯内水分加快挥发到箱内，直至达到蒸气压平衡或完成烘烤时间，从而进一步去除电芯中的自由水和结合水)。抽真空操作为：将原烘烤箱内含有水分的氮气或惰性气体抽除，根据不同压力下水的沸点可知，在真空度≤-0.08Mpa下水的沸点约为63-67℃，在设置温度80-90℃下，可将电芯内结合水与自由水加热成气体挥发到真空烘烤箱内，因加热时烘烤箱内处于真空状态，热量的损失与补偿是能过热辐射方式进行，结合水与自由水的挥发需消耗热量，因此真空烘烤时电芯总体热量会损失，为保证电芯继续保续在80-90℃温度控制条件，后续需补充热量。抽真空烘烤后，然后充入氮气或惰性气体，将预热后的电芯解压至常压静置5min(充入干燥的氮气或惰性气体可将电芯内挥发出的水分置换到氮气或惰性气体内，同时为后续加热提供加热介质补充热量)；最后，电芯在85±5℃下加热20±5min(真空烘烤箱内会有部分热量损失使电芯温度降低，不利于真空烘烤的进行，所以真空烘烤充入氮气或惰性气体后，需重新加热，便于电芯通过热交换快速使电芯补充损失热量，达到设定温度)。如此循环12±2次，即完成电芯烘烤。
在一优选的实施例中，圆柱形电芯烘烤方法包括如下步骤：
将电芯置于鼓风机中，在温度为85℃的条件下进行鼓风干燥10h；
将鼓风干燥后的电芯放置于真空箱中，进行氮气或惰性气体充气，并于80-90℃加热30min；然后进行10次如下循环过程：
先在真空度≤-0.08Mpa、温度为80-90℃的条件下真空干燥25min；然后在氮气或惰性气体条件下常压静置处理5min后，在温度为80-90℃的条件下加热20min。
总之：本发明实施例的圆柱形电芯烘烤方法中，鼓风干燥的工艺参数设计即能保证电芯未注液前的安全性，同时能保证电芯中约85％的自由水分被去除；而真空干燥的温度设计在保证电芯安全的前提下，加快去除电芯中的水分。目前现有技术中，单纯真空烘烤基速率慢，为保证工业化生产，需减少烘烤时间，增加效率，本发明实施例设计的方案满足电芯工艺技术要求下(电芯≤200ppm的水分)，同时优化真空烘烤时间；实验证明在相同真空烘烤时间下，真空循环次数越多，水分含量越小，同时去除水分速率降低直至达到新的动态平衡。
另一方面，本发明实施例提供一种圆柱形电芯的制备方法，包括本发明实施例的上述圆柱形电芯烘烤方法。
最后，本发明实施例提供一种圆柱形电芯，由本发明实施例的上述圆柱形电芯制备方法制得。
本发明先后进行过多次试验，现举一部分试验结果作为参考对发明进行进一步详细描述，下面结合具体实施例进行详细说明。
实施例1
一种圆柱形电芯烘烤方法(鼓风干燥与真空干燥结合)，包括如下步骤：
S11：将电芯置于鼓风机中，在温度为85℃的条件下进行鼓风干燥10h；
S12：将鼓风干燥后的上述电芯进行置于真空箱中，进行N2/惰性气体充气，并于80-90℃加热30min；然后进行10次如下循环过程：
先在真空度≤-0.08Mpa、温度为80-90℃的条件下真空干燥25min；然后在N2/惰性气体条件下常压静置处理5min后，在温度为80-90℃的条件下加热20min。
对比例1
一种圆柱形电芯鼓风烘烤方法，包括如下步骤：
将电芯置于鼓风机中，在温度为85℃的条件下进行鼓风干燥(热循环)20-25h。
对比例2
一种圆柱形电芯真空烘烤方法，包括如下步骤：
将电芯置于真空机中，并按下述表1中的步骤进行真空干燥。
表1
测试分析
将上述实施例1和对比例1、对比例2的圆柱形电芯烘烤方法得到的电芯按下列要求进行测试，最终得到的测试结果见表2。
测试环境要求：烘箱房内测试环境要求：温度20±5℃；露点≤-26℃(特殊情况根据特殊文件来定)；测试溶液要加到100～150mL处。
测试方法：
1.空铝舟测定：
1.1首先准备好一个干净无污的周转盒，将空铝舟一个一个整齐地摆放到周转盒里面，再一起放到烘箱中以85±5℃的温度烘烤30min；
1.2烘烤结束后在烤箱中打上手动→真空(达到-0.085Mpa以下)→干燥(使真空为0)→打开烤箱门；
1.3将烘好的空铝舟放在瓶子里冷却后再测试，漂移值≤10ug/min；
2.极片水分测试：
2.1在烤箱循环完成后，打上手动→真空(达到-0.085Mpa以下)→干燥(使真空为0)→真空(达到-0.085Mpa以下)→干燥(使真空为0)→开门取料；
2.2准备好样品空瓶，从烘箱中指定位置拿出烘烤结束的专用于水份测试的电芯，取其负极片作样品，用剪刀剪碎放入空瓶中，扭紧瓶盖不可松动，取料必须在1min内完成，取料完毕后要立刻关闭烘箱门；
2.3取样：用斜口钳将准备好的样品电芯钢壳拆解后，取其负极作样品，用剪刀剪碎放入瓶中后，扭紧瓶盖，要求样品在0.5±0.05g范围内，一个极片取两个样品，分别应取负极两端约7cm处的位置；
2.4测试：开启卡氏炉的star键，当温度达到150℃时，开启仪器右侧下面的一个开关，然后再开启氮气表上的开关，氮气压力为0.1Mpa,流量调至120～160m2/min之间；
2.5在仪表上点击D308进入工作状态，再开始测试，测试前要轻轻摇晃溶液杯，以消除溶液杯的水份，测试完成时，仪器上显示水份含量，水份含量应≤200PPM(平均值)，记录测试结果。
2.6测试下一个样品，重复2.1～2.5步骤。
样品准备与设备维护：拆掉已测试完成的样品瓶盖，将样品和盖子放到回收桶内，使用后的空瓶需用水清洗干净，放入烘箱内85℃干燥1小时以上，做好现场6S；若长时间不使用仪器，须关闭卡氏炉的加热开关，待温度降到50℃以下后，再关闭电源开关。
表2
从表2的数据可知，本发明实施例的圆柱形电芯烘烤方法的效果优于现有单一的真空烘烤或鼓风烘烤的效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种圆柱形电芯烘烤方法，其特征在于，包括如下步骤：
将电芯在温度为82-88℃的条件下进行鼓风干燥9-11h；
将鼓风干燥后的所述电芯进行真空干燥；其中，所述真空干燥包括10-14次的如下循环过程：
先在真空度≤-0.08Mpa、温度为80-90℃的条件下真空干燥20-30min；然后在氮气或惰性气体条件下常压静置处理后，在温度为80-90℃的条件下加热15-25min。
2.如权利要求1所述的圆柱形电芯烘烤方法，其特征在于，所述鼓风干燥过程在鼓风箱中进行，且所述鼓风干燥时的露点温度≤-21℃。
3.如权利要求2所述的圆柱形电芯烘烤方法，其特征在于，所述电芯放置于周转箱中，在所述鼓风箱内进行鼓风干燥；且所述周转箱的侧壁带有通气孔，所述周转箱的高度低于所述电芯的高度。
4.如权利要求2所述的圆柱形电芯烘烤方法，其特征在于，所述鼓风箱设置两个0.45Kw的电机驱动热风循环。
5.如权利要求1-4任一所述的圆柱形电芯烘烤方法，其特征在于，所述真空干燥过程在真空箱内进行，且在将鼓风干燥后的所述电芯进行真空干燥之前，先于所述真空箱内，在氮气或惰性气体环境中、80-90℃条件下加热25-35min。
6.如权利要求1-4任一所述的圆柱形电芯烘烤方法，其特征在于，所述静置处理的时间为5min。
7.如权利要求1所述的圆柱形电芯烘烤方法，其特征在于，
将所述电芯置于鼓风箱中，在温度为85℃的条件下进行鼓风干燥10h；
将鼓风干燥后的所述电芯放置于真空箱中，进行氮气或惰性气体充气，并于80-90℃加热30min；然后进行10次如下循环过程：
先在真空度≤-0.08Mpa、温度为80-90℃的条件下真空干燥25min；然后在氮气或惰性气体条件下常压静置处理5min后，在温度为80-90℃的条件下加热20min。
8.一种圆柱形电芯的制备方法，其特征在于，包括权利要求1-7任一所述的圆柱形电芯烘烤方法。
9.一种圆柱形电芯，其特征在于，由权利要求8所述的圆柱形电芯制备方法制得。
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