CN107768743A - 一种锂离子电池补锂方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种锂离子电池补锂方法。其特征在于：将正负极片和多孔锂箔按照正极|隔膜|多孔锂箔|隔膜|负极的顺序叠片或卷绕，制作成除正极、负极外，还有第三极(补锂极)的电池，然后对电池注液，在化成前，或化成后，或电池经使用出现容量衰减后，连接第三极(补锂极)和负极或连接第三极(补锂极)和正极，对负极或正极进行补锂。用本发明提供的方法能够精确地控制补锂量与补锂时机，改善补锂均匀性，防止局部析锂，通过提高锂离子电池的首次库伦效率进而提高其能量密度和循环寿命。

Description

一种锂离子电池补锂方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池中活性锂补充方法。
背景技术
目前商品化锂离子电池对能量密度的要求越来越高，因此需要具有更高比容量的电极活性材料以及工艺设计被应用到锂离子电池领域。迄今已经有大量新型负极材料被使用，然而电池在首次充电过程中，这些负极材料表面均会形成固体电解质膜(SEI膜)或参与一些不可逆的反应，从而消耗一部分来自正极材料中的锂离子，形成不可逆容量，最终导致电芯的首次库伦效率与容量降低。所以，为了较大幅度的提高电芯的能量密度，需要提高电芯的首次库伦效率。
经研究发现，可以通过补锂的方法来对消耗掉的锂离子进行补充，从而提升锂离子电池的容量。对此，国内外专家展开了广泛的研究，例如，中国专利公开号CN1177417A、CN104993098A、CN102779975A中采用将锂粉通过不同的方式与负极材料混合，或将锂片覆盖在负极片表面进行补锂。但是，锂粉与负极材料共混难度大，操作环境要求苛刻，生产成本高。同时，使用以上方法补锂时，往往也会导致补锂过量、嵌锂不均，从而导致电芯出现析锂、循环性能差等问题。
中国专利公开号CN104953186A中采用的方法是在惰性气氛保护下，首先对负极片使用特定补锂装置进行化成，然后在惰性气体保护下取出负极片，接着干燥处理，然后和正极片与隔膜组装成电池。使用该方法，整个制备流程必须在惰性气氛下进行，负极片的批量化成，转移组装都过于复杂，生产成本高昂。
专利公开号CN103199217A中采用将金属锂片覆盖在负极片表面，然后制备富锂锂离子电池。为控制补锂量，需要通过苛刻的工艺来对金属锂片进行精加工制备成多孔锂片，以使锂片容量与补锂容量匹配。使用这种方法，成本高，工艺复杂，现实很难有效控制补锂量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锂离子电池中活性锂补充方法，通过电化学方法，来实现可控、均匀的补锂，简化制备工艺，从而有效的补充锂离子电池的不可逆容量损失，实现锂离子电池首次库伦效率和容量的提升。
为了实现上述目的，本发明提出了一种锂离子电池补锂方法，具体的技术方案如下：
将锂离子电池的正负极片、隔膜和补锂极(锂箔，优选为多孔锂箔)按照正极|隔膜|补锂极|隔膜|负极的顺序依次设置以叠片或卷绕，将补锂极作为第三极引出极耳，制作成除正极、负极外，还有第三极(补锂极)的锂离子电池。电池封装后，对锂离子电池注液，在化成前、或化成后、或电池经使用容量出现衰减后，连接第三极(补锂极)和负极或连接第三极(补锂极)和正极，在一定温度(10-45℃)下，采用恒定电流或阶梯电流放电，对负极或正极进行补锂。
优选地，在电池注液后，化成前，连接第三极(补锂极)和负极，采用恒定电流或阶梯电流放电，对负极进行补锂；补锂量通过放电时间来控制，经过补锂，可以提高电池在化成过程中的首次效率，提高电池后续的循环寿命。在化成后，连接第三极(补锂极)和负极或者连接第三极(补锂极)和正极，采用恒定电流或阶梯电流放电，对负极或正极进行补锂，弥补在化成过程中的活性锂损失，提高锂离子电池的容量和循环寿命。
另外，在电池使用过程中，不可避免会出现容量的衰减，容量衰减的原因有一部分是因为活性锂的损失。此时，可以连接第三极(补锂极)和负极或者连接第三极(补锂极)和正极，采用恒定电流或阶梯电流放电，对负极或正极进行补锂，弥补电池使用过程中的活性锂损失，提高电池的容量和使用寿命。
其中，补锂电流的大小为0.01C～0.5C，补锂容量为电池设计容量的1％～50％，补锂时间根据补锂容量和补锂电流计算得出。补锂容量根据锂离子电池正、负极材料的不同进行调整，对于石墨类负极，补锂容量为1％～30％之间，对于效率较低的合金类负极，补锂容量为10％～50％之间。
其中，所述锂箔为多孔结构或网状结构(统称，多孔锂箔)，孔径均匀分布，孔径大小为1μm～20μm，锂箔厚度为1μm～300μm。
其中，锂离子电池正极包括集流体、活性物质、导电剂和粘结剂，活性物质包括钴酸锂LiCoO2、锰酸锂LiMn2O4、磷酸铁锂LiFePO4、镍钴锰酸锂三元材料Li(NixCoyMnz)O2(0<x<1，0<y<1，0<z<1)、镍钴铝酸锂三元材料Li(NixCoyAlz)O2(0<x<1，0<y<1，0<z<1)、富锂锰基固溶体材料xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(M＝Mn、Ni、Co；0<x<1)中的一种或几种，锂离子电池负极包括集流体、活性物质、导电剂和粘结剂，活性物质包括天然石墨、人造石墨、中间相碳材料、软碳、硬碳、钛酸锂、单质硅、SiO、硅碳复合材料、金属氧化物材料(TiO2-B、MoO2、CoO等)中的一种或多种。
本发明还提出了上述补锂方法构成的锂离子电池。
用本发明提供的方法能够克服传统补锂法带来的技术障碍，解决成本过高，环境污染，安全性较差等问题。能够精确地控制补锂量与补锂时机，只需在补锂时连接第三极(补锂极)和负极或连接第三极(补锂极)和正极，控制通电电流的大小，通电时间来调节；同时在多孔结构的锂箔辅助下，进一步改善嵌锂均匀性，防止局部析锂，降低锂离子电池的不可逆容量，提高首次库伦效率、能量密度，保证电池具有更好的电化学性能与安全性。同时运用本发明提供的方法来制备得到的锂离子电池的制备工艺简单，容易操作，成本低廉。
附图说明
图1是本发明所制作电池的正面示意图。
图2是本发明所制作电池的结构侧视简图(侧边方向)。
图中标记，1为电芯主体，2为正极极耳，3为负极极耳，4为第三极极耳(补锂极)。5为负极片，6为正极片，7为多孔锂箔，8为隔膜。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明一种锂离子电池补锂方法做更详尽的描述。但本发明并不限于以下实施例。
实施例一：
以三元材料(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)作为正极活性材料，按照92.5％正极活性材料(基于正极质量)、3.8％导电炭黑(基于正极质量)、3.7％PVDF(基于正极质量)的比例溶于N-甲基吡咯烷酮溶剂中，制备成均匀无气泡浆料，涂覆在铝箔集流体的正反面上，然后经烘干，辊压制备成正极片。
以石墨作为负极活性材料，按照94％负极活性材料(基于负极质量)、1.5％导电炭黑(基于负极质量)、1.5％CMC(基于负极质量)、2.5％SBR(基于负极质量)的比例溶于水中，制备成均匀无气泡浆料，涂覆在铜箔集流体的正反面上，然后经烘干，辊压制备成负极片。
隔膜选用双面陶瓷涂覆聚丙烯微孔膜。
多孔锂箔的孔径为10μm左右，厚度为150μm。
将制备好的正负极片、隔膜和多孔锂箔按照正极|隔膜|多孔锂箔|隔膜|负极的顺序叠片，将多孔锂箔作为第三极(补锂极)引出极耳，制作成除正极、负极外，还有第三极(补锂极)的锂离子电池，然后用铝塑膜封装，制备成电芯。
将电芯注入电解液，静置24h,待电解液浸润后，在化成前，将负极与第三极(补锂极)连接，在一定温度下(35℃)，采用恒定电流0.05C放电对负极进行预嵌锂，补锂容量为电池设计容量的7％。然后对电池进行化成，即制得锂离子电池。
实施例二：
同实施例一，除以下补锂步骤与实施例一的不同之处：
将电芯注入电解液，静置24h,待电解液浸润后，在化成后，将负极与第三极(补锂极)连接，在一定温度下(20℃)，采用恒定电流0.1C放电对负极进行补锂，补锂容量为电池设计容量的7％，即制得锂离子电池。
实施例三：
同实施例一，除以下与实施例一的不同之处：
将电芯注入电解液，静置24h,待电解液浸润后，对电池进行化成，即制得锂离子电池。在电池循环使用500圈后，将负极与第三极(补锂极)连接，在一定温度下(30℃)，采用恒定电流0.05C放电对负极进行补锂，补锂容量为电池设计容量的10％。
实施例四：
同实施例一，除以下与实施例一的不同之处：
将电芯注入电解液，静置24h,待电解液浸润后，在化成后，将正极与第三极(补锂极)连接，在一定温度下(20℃)，采用恒定电流0.1C放电对正极进行补锂，补锂容量为电池设计容量的7％，即制得锂离子电池。
实施例五：
同实施例一，除以下与实施例一的不同之处：
将电芯注入电解液，静置24h,待电解液浸润后，对电池进行化成，即制得锂离子电池。在电池循环使用500圈后，将正极与第三极(补锂极)连接，在一定温度下(25℃)，采用恒定电流0.5C放电对正极进行补锂，补锂容量为电池设计容量的10％。
实施例六：
同实施例一，除以下与实施例一的不同之处：
将电芯注入电解液，静置24h,待电解液浸润后，在化成前，将负极与第三极(补锂极)连接，在一定温度下(15℃)，采用阶梯电流，先0.1C放电，然后0.02C放电对负极进行预嵌锂，前后补锂容量比例为10:1，总补锂容量为电池设计容量的7％。然后对电池进行化成，即制得锂离子电池。
实施例七：
同实施例一，除以下与实施例一的不同之处：
以石墨与硅的混合料作为负极活性材料，来制备负极片。
将电芯注入电解液，静置24h,待电解液浸润后，在化成前，将负极与第三极(补锂极)连接，在一定温度下(35℃)，采用恒定电流0.05C放电对负极进行预嵌锂，补锂容量为电池设计容量的20％。然后对电池进行化成，即制得锂离子电池。
对比例一：
同实施例一，除以下与实施例一的不同之处：
将制备好的正负极片和隔膜按照正极|隔膜|负极的顺序叠片，将正极、负极引出，然后用铝塑膜封装，制备成电芯。
将电芯注入电解液，静置24h,待电解液浸润后，对电池进行化成，即制得锂离子电池。
对比例二：
同对比例一，除以下与对比例一的不同之处：
以石墨与硅的混合料作为负极活性材料，来制备负极片。
表1所示为上述实施例所制作电池的性能数据对比。其中，各实施例为相同正极活性材料(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)与两种负极活性材料(石墨或石墨与硅的混合料)经相同制备过程得到的电池，从测试结果可以看出，实施例一和实施例六、以及实施例七的锂离子电池的首次库伦效率分别明显高于对比例一和对比例二，其中实施例七较对比例二的首次库伦效率高出近20％，这是因为，对负极补的锂离子有效替代了从正极释放出的锂，在负极材料表面成为SEI膜的组分，从而降低了不可逆容量，提高了电池循环寿命。从其它实施例能看到锂离子电池在55℃高温循环中，保持了更高的循环寿命，当容量衰减到80％，循环寿命提高了近123～253次，即，提高了13.8％-28.4％；对于循环寿命较差的硅碳复合材料负极的电池循环寿命效果也更为明显，提高了54.3％。这是由于电池在化成后或者循环500圈后，本发明的方法采用电化学反应对电池负极或正极进行补锂，缓解了活性锂的损失。同时降低了正极释放锂的消耗，对正极材料的结构稳定性起到了保护作用，从而有效的提高了电池的循环寿命。同时，从对比的改善效果最为明显的实施例一和六、以及实施例七可知，在化成前通过本发明的方法对负极的补锂的方法以及其制得的锂离子电池为本发明的优选方式。
表1各实施例所制作电池的性能数据对比。
组别 类型 首次库伦效率 补锂容量 55℃循环寿命≥80％
实施例一 负极 95％ 7％ 1120次
实施例二 负极 89％ 7％ 1090次
实施例三 负极 89％ 10％ 1038次
实施例四 正极 89％ 7％ 1025次
实施例五 正极 89％ 10％ 1013次
实施例六 负极 96％ 7％ 1143次
实施例七 负极 94％ 25％ 375次
对比例一 / 89％ / 890次
对比例二 / 73％ / 243次

Claims (12)

1.一种锂离子电池补锂方法，其特征在于：所述电池还包括补锂极，该补锂极在化成前、或化成后、或电池经使用容量出现衰减后与负极或正极连接，对负极或正极进行补锂。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池补锂方法，其特征在于，所述补锂极为锂箔。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池补锂方法，其特征在于，所述电池的结构为在正负极片中插入所述补锂极。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池补锂方法，其特征在于，所述电池的结构为按照正极、隔膜、所述补锂极、隔膜、负极的顺序依次设置各极片。
5.根据上述任一权利要求所述的锂离子电池补锂方法，其特征在于，连接补锂极和正极或连接补锂极和负极，采用恒定电流或阶梯电流放电的方式，对正极或负极补锂。
6.根据上述任一权利要求所述的锂离子电池补锂方法，其特征在于，所述补锂极作为第三极，控制电流在0.01C～0.5C，补锂容量为电池设计容量的1％～50％之间，对正极或负极补锂。
7.根据上述任一权利要求所述的锂离子电池补锂方法，其特征在于，所述锂箔为多孔结构或网状结构，孔径相同并均匀分布。
8.根据上述任一权利要求所述的锂离子电池补锂方法，其特征在于，所述锂箔的孔的孔径为1μm～20μm。
9.根据上述任一权利要求所述的锂离子电池补锂方法，其特征在于，所述锂箔的厚度为1μm～300μm。
10.根据上述任一权利要求所述的锂离子电池补锂方法，其特征在于，所述正极的活性物质为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂三元材料、镍钴铝酸锂三元材料、富锂锰基固溶体材料中的一种或几种。
11.根据上述任一权利要求所述的锂离子电池补锂方法，其特征在于，所述负极的活性物质为天然石墨、人造石墨、中间相碳材料、软碳、硬碳、钛酸锂、单质硅、SiO、硅碳复合材料、金属氧化物材料(TiO2-B、MoO、CoO等)中的一种或多种。
12.一种根据上述任一权利要求所述的锂离子电池补锂方法设置的锂离子电池，其特征在于，所述电池的结构为按照正极、隔膜、所述补锂极、隔膜、负极的顺序依次设置各极片。
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