CN107768721B - 一种锂离子动力电池高效化成与分选方法 - Google Patents

一种锂离子动力电池高效化成与分选方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子动力电池高效化成与分选方法。包括以下几个步骤：（1）将待化成的电池进行第一次高温浸润；（2）将电池进行第一次预充电；（3）对电池进行第二次高温浸润；（4）将电池进行第二次预充电；（5）对电池进行抽气、封边和压平；（6）对电池进行恒流充电至4.2V；（7）对电池进行搁置；（8）根据电池总充电容量和自放电电压对步骤（7）所得电池进行分选。本发明利用小电流预充电减少了长时间搁置负压的风险，提高了电池的循环寿命，利用充电方式代替现有的充放电循环方式筛选容量的方法，提高了分选效率，降低成本。

Description

一种锂离子动力电池高效化成与分选方法
技术领域
本发明属于锂电池技术领域，尤其是涉及一种锂离子动力电池高效化成与分选方法。
背景技术
化成工序是锂离子动力电池制作的关键，是锂离子动力电池初始化，完成电池固体电解质界面（SEI）膜最为重要的工序。传统的锂离子动力电池化成工艺是将锂电池注液完成后经过浸润后，再进行充电并除去电池内部产生的气体，搁置一段时间后再进行循环充放电，从而完成锂离子动力电池化成与分选。现有锂离子动力电池化成工艺的不足之处在于，化成周期长，需要经过长时间的浸润后，再进行充电。在长时间浸润过程中，电池的电势差有下降至负压的风险，从而使电池的循环寿命降低。另一方面，锂离子动力电池在进行分选时，需要进行循环充放电，而循环时间长，需要大量的化成设备，同时长时间的循环充放电需要消耗大量的能耗，增加制造成本。
目前，针对锂离子动力电池化成耗时过长、循环性能有待改进的问题，已有专利公开。如专利CN102760908A公开了一种适应多种正极材料体系的锂离子动力电池的快速化成方法，提出充分浸润后的锂离子动力电池的化成分三阶段进行，每个阶段以不同电流大小且呈阶梯式逐渐增大对电池进行恒流充电，以确保SEI膜有效生成且避免锂离子的消耗；专利CN102403536A公开了圆柱锂电池化成方法，提出首先将注酸后电池常温搁置4～12小时，待极片和隔膜充分浸润后上化成柜进行三个半周期的充放电循环，在充放电的三个半循环周期里完成电池负极SEI 膜的形成，并进行电池的分容和低压筛选。CN102969537A公开了一种大容量动力磷酸铁锂电池化成方法，提出将浸润24～48小时后的电池进行分阶段充电以实现对磷酸铁锂电池的化成。总得来说，这几种方法的基本思路是利用逐渐增大的电流对电池进行充电，在一定程度上提高了SEI膜的致密性，也提高了锂电池化成的效率。然而各锂电池的化成方法都是在锂电池经电解质充分浸润的条件下进行，而长时间浸润过程中，电池的电势差有下降至负压的风险，从而使电池的循环寿命降低。此外，以上锂离子动力电池的分选也是采用传统的循环充放电的方式进行，长时间的循环充放电需要大量的能耗，也将增加锂电池的制造成本。
发明内容
为克服现有锂离子动力电池在长时间的浸润过程中，电池的电势差有下降至负压的风险从而导致电池循环寿命下降以及传统循环充放电的方式进行分选所引起的耗时、耗能问题，本发明提供一种锂离子动力电池高效化成和分选方法，既可以克服锂动力电池长时间浸润出现的电池负压的风险，也可提升锂离子动力电池分选的效率。
本发明是通过以下技术实现的：
一种锂离子动力电池高效化成与分选方法，包括以下步骤：
（1）将已注电解液待化成的电池，进行第一次高温浸润，浸润完毕，冷却至室温；
（2）将步骤（1）所得电池放到充电柜上进行第一次预充电；
（3）对步骤（2）所得电池，进行第二次高温浸润，浸润完毕，自然冷却至室温；
（4）将步骤（3）所得电池放到充电柜上进行第二次预充电；
（5）对步骤（4）所得电池进行抽气、封边和压平；
（6）对步骤（5）所得电池进行恒流充电至上限电压4.2V终止；
（7）对步骤（6）所得电池进行第一次室温搁置，第一次室温搁置完毕，测试电池的开路电压为V1，随后进行高温搁置，高温搁置完毕，自然冷却至室温进行第二次室温搁置，第二次室温搁置完毕，测试电池的开路电压为V2；
（8）根据电池总充电容量和自放电电压对步骤（7）所得电池进行分选。
优选地，所述第一次高温浸润的温度为38～45℃，时间为1～8小时。
优选地，所述第一次预充电的电流为0.002～0.008C，时间为30～90秒，所述第一次预充电的充电容量为C1。
优选地，所述第二次高温浸润的温度为38～45℃，时间为12～48小时。
传统的锂电池在小电流预充电前需要经过电解液4～48小时的浸润，使极片和隔膜得到充分的浸润再上柜进行预充电。然而，过长时间的浸润会使电池的电势差有下降至负压的风险从而导致电池循环寿命下降。本发明采用两次高温浸润、两次小电流预充电的方法来避免电池的电势差有下降至负压的风险，第一次高温浸润时间较短，更优选的时间为2～4小时，特别优选3小时。经过短时间第一次高温浸润后，以小电流对电池进行预充电，更优选第一次预充电电流为0.004～0.006C，特别优选所述第一次预充电电流为0.005C。经过第一次预充电使电池具有一定的电势差，也使锂离子负极SEI膜开始初步形成。因为第一次预充电是为电池形成一定的电势差，可以在较少的时间内形成，特别优选时间为60秒。第一次预充电完成后随即进行第二次高温浸润。由于经过第一次的预充电，电池已经形成一定的电势差，第二次高温浸润可以适当延长时间，使电解液更加充分浸润极片、隔膜等部件，特别优选时间为36小时。
优选地，所述第二次预充电的步骤包括：首先以0.01～0.03C充电30～90分钟，随后以0.05～0.08C充电90～120分钟，最后以0.2～0.4C充电30～90分钟，所述第二次预充电的充电容量为C2。
第二次预充电是SEI膜形成的重要时期。本发明采用分三段增加恒流充电方式完成对锂电池的预充电，经发明人的不断尝试，特别优选的第二次预充电的步骤：以0.01C恒流充电60分钟，随后以0.05C恒流充电108分钟，最后以0.2C恒流充电60分钟。采用特别优选的第二次预充电方式可以获得稳定且致密的锂离子负极SEI膜，SEI膜的阻抗较低，从而提高了电池的充放电效率、循环性能。
优选地，所述抽气的真空度为-92KPa～-98KPa，时间为2～8秒，所述压平的压力为0.2～0.6MPa，时间为10～60秒。
优选地，所述恒流充电的电流为0.4～0.6C，充电容量为C3。
优选地，所述第一次室温搁置的时间为20～24小时，所述高温搁置的温度为38～45℃，时间为48～96小时，所述第二次室温搁置的时间为3～5小时。
优选地，所述电池总充电容量为C1、C2与C3之和，所述自放电电压为V1与V2之差。
优选地，所述分选的步骤包括：首先按电池总充电容量对锂离子动力电池进行预选，电池总充电容量为电池标称容量的90%～100%为预选合格，对预选合格的电池进行自放电测试，自放电电压为0～20mV为最终合格锂离子动力电池。
传统锂离子动力电池分选采用循环充放电的方式进行，长时间的循环充放电需要大量的能耗，也将增加锂电池的制造成本。本发明根据电池总充电容量和自放电电压对电池进行分选，这也是本说明书中的重要发明点之一。以电池容量5000mAh为例，发明人经过反复实验测试首先建立电池容量（x，mAh）与开路电压（y，mV）的关系，其关系为：y=3×10- 5x2-0.0048x+3537.9。利用电池容量与开路电压的关系即可实现通过自放电电压的测量来计算获得锂离子动力电池的电池容量保持率。对于电池的分选，测试各化成工序中的充电容量之和，若电池总充电容量大于4500mAh时为预选合格，对于对预选合格的锂离子动力电池进行自放电测试，自放电电压小于20mV为最终合格锂离子动力电池。由电池容量与开路电压的关系，此时可以计算得该锂离子动力电池的电池容量保持率大于97%。经本发明人验证，采用以上的锂离子动力电池分选方法所得合格锂离子动力电池与传统的循环充放电的方式结果基本一致。
本发明公开的一种锂离子动力电池高效化成与分选方法，其有益效果为：（1）采用两次高温浸润、两次小电流预充电可以避免电池在浸润过程中电压下降至负压的风险，也可以获得稳定且致密的锂离子负极SEI膜，提高锂离子动力电池的充放电效率、循环性能；（2）采用充电的方法代替充放电分选容量的方法，可以减少长时间循环充放电需要的时间以及相关设备的使用，减少能耗，节约制造成本，提高生产效率，有利于实现大规模化生产。
附图说明
图1是本发明锂离子动力电池循环后容量保持率。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例，对本发明申请所述的一种锂离子动力电池高效化成与分选方法。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。
实施例
对容量为5000mAh的锂电池进行化成与分选。
将已注电解液待化成的电池，进行第一次高温浸润，浸润温度为42℃，浸润时间为4小时；将第一次高温浸润好的电池常温冷却至室温后，放到充电柜上进行第一次预充电，第一次预充电电流为0.005C，时间为60秒，充电容量为C1；将第一次预充电完成后的电池，进行第二次高温浸润，第二次高温浸润温度为42℃，浸润时间为24小时；第二次高温浸润完毕后，待电池常温冷却至室温后，放到充电柜上进行第二次预充电，第二次预充电步骤包括：0.01C恒流充电60分钟，随后以0.05C恒流充电108分钟，最后以0.2C恒流充电60分钟，第二次预充电容量为C2；对第二次预充电完成的电池进行真空抽气和封边，抽气真空度为-96KPa，抽真空时间为5秒；对完成抽气的电池进行压平，压力方向与极片表面垂直，压力大小为0.4MPa，时间为40秒；对压平的电池以0.5C电流恒流进行充电至上限电压4.2V终止，充电容量为C3；取充电完毕的电池进行常温搁置，时间为22小时，测试所述电池的开路电压为V1，随后进行高温搁置，温度为42℃，时间为72小时，最后冷却至常温继续搁置，时间为4小时，测试电池的开路电压为V2。开路电压为锂离子动力电池在无负载下正负极两端的电压。
锂离子动力电池的分选步骤如下：首先按电池总充电容量对电池进行预选，电池总充电容量为4500mAh以上为预选合格，对预选合格的锂离子动力电池进行自放电测试，自放电电压小于20mV为最终合格锂离子动力电池。
采用本发明高效化成合格电池与普通化成合格电池进行电池循环测试，结果如图1所示。
由图1可以看出，当常温循环进行到1386周时，普通化成合格电池的容量保持率84.2%，本发明合格电池容量保持率为96.2%，该对比数据可知，本发明中增加小电流对电池进行预充，对于延长电池的常温循环寿命有较大的帮助。

Claims (9)

1.一种锂离子动力电池高效化成与分选方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)将已注电解液待化成的电池，进行第一次高温浸润，第一次高温浸润的温度为38～45℃，时间为1～8小时，浸润完毕，冷却至室温；
(2)将步骤(1)所得电池放到充电柜上进行第一次预充电，第一次预充电的电流为0.002～0.008C，时间为30～90秒，所述第一次预充电的充电容量为C1；
(3)对步骤(2)所得电池，进行第二次高温浸润，第二次高温浸润的温度为38～45℃，时间为12～48小时，浸润完毕，自然冷却至室温；
(4)将步骤(3)所得电池放到充电柜上进行第二次预充电，第二次预充电的步骤包括：首先以0.01～0.03C充电30～90分钟，随后以0.05～0.08C充电90～120分钟，最后以0.2～0.4C充电30～90分钟，所述第二次预充电的充电容量为C2；
(5)对步骤(4)所得电池进行抽气、封边和压平；
(6)对步骤(5)所得电池进行恒流充电至上限电压4.2V终止；
(7)对步骤(6)所得电池进行第一次室温搁置，第一次室温搁置完毕，测试电池的开路电压为V1，随后进行高温搁置，高温搁置完毕，自然冷却至室温进行第二次室温搁置，第二次室温搁置完毕，测试电池的开路电压为V2；
(8)根据电池总充电容量和自放电电压对步骤(7)所得电池进行分选，所述分选的步骤包括：首先按电池总充电容量对锂离子动力电池进行预选，电池总充电容量为电池标称容量的90％～100％为预选合格，对预选合格的电池进行自放电测试，自放电电压为0～20mV为最终合格锂离子动力电池。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池高效化成与分选方法，其特征是，所述第一次高温浸润的温度为42℃，时间为4小时。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池高效化成与分选方法，其特征是，所述第一次预充电的电流为0.005C，时间为60秒。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池高效化成与分选方法，其特征是，所述第二次高温浸润的温度为42℃，时间为24小时。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池高效化成与分选方法，其特征是，所述第二次预充电的步骤包括：首先以0.01C充电60分钟，随后以0.05C充电108分钟，最后以0.2C充电60分钟。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池高效化成与分选方法，其特征是，所述抽气的真空度为-92KPa～-98KPa，时间为2～8秒，所述压平的压力为0.2～0.6MPa，时间为10～60秒。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池高效化成与分选方法，其特征是，所述恒流充电的电流为0.4～0.6C，充电容量为C3。
8.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池高效化成与分选方法，其特征是，所述第一次室温搁置的时间为20～24小时，所述高温搁置的温度为38～45℃，时间为48～96小时，所述第二次室温搁置的时间为3～5小时。
9.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池高效化成与分选方法，其特征是，所述电池总充电容量为C1、C2与C3之和，所述自放电电压为V1与V2之差。
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