CN107910592A - 一种锂离子电池的化成方法及锂离子电池 - Google Patents

一种锂离子电池的化成方法及锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明是关于一种锂离子电池的化成方法及锂离子电池，涉及电池技术领域。主要采用的技术方案为：一种锂离子电池的化成方法包括如下步骤：预压，对电芯进行预压、阶梯式充电，在不低于预压压力的压力下，对电芯进行阶梯式充电、老化，对电芯进行老化处理；冷压，对电芯进行冷压处理。一种锂离子电池由上述的化成方法化成后得到。本发明主要用于缩短锂离子电池的化成时间，提高化成效率及提高锂离子电池的性能。

Description

一种锂离子电池的化成方法及锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种电池技术领域，特别是涉及一种锂离子电池的化成方法及锂离子电池。
背景技术
锂离子电池在生产过程中要经过化成工序，通过化成工序使正、负极材料被激活，在电极相界面(主要是负极相界面)形成一层钝化膜，即SEI膜(固体电解质相界膜)。SEI膜的作用是允许Li+自由通过，同时阻止溶剂大分子嵌入负极碳层，以防止电解材料结构坍塌，造成电池容量衰减甚至失效。
为了使负极碳材料表面形成均匀的SEI膜，通过采用阶梯式充放电的化成方法。而现有技术中主要有以下两种化成方法：第一种是常规的化成方法，具体是在常温常压(20±5℃、0.1Mpa)下，采用多步分段小电流对电芯进行充电。第二种是将电芯直接放置在高温加压的环境下，采用分段大电流对电芯进行阶梯式充电。
但是，本发明的发明人发现上述两种化成方法分别存在如下问题：
第一、对于上述第一种化成方法：由于采用小电流充电，使得化成时间缓慢，约20个小时，化成效率低，并且，化成容量、电池的循环性能及电池的一致性不佳，此外电池的厚度也无法控制到较薄且一致的水平。
第二、对于上述第二种化成方法：由于采用大电流充电，虽然能缩短时间、提高化成效率；但是，将电芯放置在高压的环境中直接进行阶梯式充电，由于压力的突然增大，会使得电芯内部结构移位，使得充电不均匀，从而影响锂电池的性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种锂离子电池的化成方法及锂离子电池，主要目的在于提高锂离子电池的化成效率及提高锂离子电池的性能。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明的实施例提供一种锂离子电池的化成方法，对锂离子电池的电芯进行化成，其中，包括如下步骤：
预压：对所述电芯进行预压；
阶梯式充电：在不低于预压压力的压力下，对所述电芯进行阶梯式充电；
老化：对所述电芯进行老化处理；
冷压：对所述电芯进行冷压处理。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选地，所述预压的步骤具体为：在0.2-0.3MPa的压力下对所述电芯进行预压。
优选地，在所述预压的步骤中：
对所述电芯进行预压的时间为2-5min；和/或
对所述电芯进行预压的温度为50-80℃。
优选地，在所述阶梯式充电的步骤中，在所述第一预设压力下，对所述电芯进行阶梯式充电；所述第一预设压力为0.5-1MPa。
优选地，在所述阶梯式充电的步骤中，所述阶梯式充电的步骤具体为：在第一预设压力和第一预设温度下，对所述电芯进行阶梯式充电；其中，所述第一预设温度为50-80℃。
优选地，对所述电芯进行阶梯式充电的步骤，包括：
第一次充电：采用第一电流对所述电芯进行第一次恒流充电，充电至第一截止电压；
第二次充电：采用第二电流对所述电芯进行第二次恒流充电，充电至第二截止电压。
优选地，所述第一截止电压为3.5-4V；和/或所述第二截止电压为4-4.2V。
优选地，在所述第一次充电的步骤中：
所述第一电流为0.1-0.5C；所述第一次恒流充电的充电时间为40-50min。
优选地，在所述第二次充电的步骤中：
所述第二电流为0.5-1C；所述第二次恒流充电的充电时间为60-70min。
优选地，在所述第一次充电的步骤结束后，使所述电芯静置5-10min，再进行第二次充电的步骤；
在所述第二次充电的步骤结束后，使所述电芯静置5-10min，再进行老化的步骤。
优选地，在所述老化的步骤中：
对所述电芯进行老化的温度为75-85℃；和/或
对所述电芯进行老化的压力为0.5-1MPa。
优选地，在所述预压的步骤之前，还包括：
注液：将电解液注入锂离子电池的电芯后，使所述电芯静置。
优选地，在40-45℃的温度下，使注液后电芯的静置30-38h。
优选地，所述冷压的步骤具体为：在20±5℃的温度和0.2-0.3MPa的压力下，对所述电芯进行夹具冷压。
优选地，在所述冷压的步骤中，对所述电芯进行冷压的时间为30-60min。
优选地，在所述冷压的步骤之后，还包括：对所述电芯进行除气封装的步骤。
优选地，所述预压步骤、阶梯式充电步骤、老化步骤均在高温压力化成设备中进行。
另一方面，本发明的实施例提供一种锂离子电池，其中，所述锂离子电池由上述任一项所述的化成方法化成后得到。
与现有技术相比，本发明的锂离子电池的化成方法及锂离子电池至少具有下列有益效果：
一方面，本发明实施例提供的锂离子电池的化成方法，通过在压力夹持的条件下，对电芯进行阶梯式充电的步骤中，这样设置能缩短锂电池化成的时间，提高化成效率、减薄电池的厚度，以提高电池的能量密度；关键在于，本发明在阶梯式充电的步骤之前，对电芯进行预压，使电芯提前适应高压环境，这样设置能避免电芯由常压环境中一下转移至高压环境中进行充电发生电芯内部结构移位、充电不均匀问题的发生，从而提高锂离子电池的性能。具体地，预压作为后一步增大压力充电前的保压措施，效果在于整形和缓冲压力冲击，有效避免直接施加大压力对电芯的冲击，造成卷芯移位，电芯主体受压不均，进而影响后期充电时电流分布的均匀性，影响化成的一致性等性能。
进一步地，本发明实施例提供的锂离子电池的化成方法，通过在高温、高压(50-80℃、0.5-1MPa)下对电芯进行化成，由于在化成过程中，有压力加持、且温度较高，因此对电芯进行阶梯式充电时的电流较大，因此，相对于现有技术的分段小电流化成方法，缩短了化成的时间，提高了化成效率。
进一步地，本发明实施例提供的锂离子电池的化成方法，在0.5-1MPa的压力和50-80℃的温度下，采用0.1-0.5C的电流对电芯进行第一次恒流充电(充电时间为40-50min，电压上限为3.5-4V)，静置5-10min后，再采用0.5-1C的电流对电芯进行第二次恒流充电(充电时间为60-70min，电压上限为4-4.2V)，通过该步骤能对电芯的容量及后期的循环性能有所提高。
进一步地，本发明实施例提供的锂离子电池的化成方法主要在高温压力化成设备中进行，由于有压力加持，在实际操作中，需用夹板将电芯夹紧，能减小电芯在充电过程中的膨胀体积，从而减小化成后电芯的厚度。
另一方面，本发明实施例提供的锂离子电池，通过上述的化成方法化成后得到，使得本发明实施例提供的锂离子电池的容量、循环性能有所提高、电池的一致性较好、以及电池的厚度较薄。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的实施例提供的一种锂离子电池的化成方法的流程图；
图2是采用实施例1所述化成方法得到的锂离子电池的循环性能测试曲线图；
图3是采用实施例2所述化成方法得到的锂离子电池的循环性能测试曲线图；
图4是采用对比例所述化成方法得到的锂离子电池的循环性能测试曲线图；
图5为采用实施例1、实施例2及对比例的化成容量图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
一方面，本发明实施例提供一种锂离子电池的化成方法，对锂离子电池的电芯进行化成(锂离子电池在制备过程中，先制作出电芯，电芯化成及后续一些工序结束后，在电芯上安装保护板得到锂离子电池)；如图1所示，主要包括如下步骤：
第一、注液：将电解液注入锂离子电池的电芯后，使电芯静置。
较佳地，在该步骤中，在40-45℃的温度下，使注液后电芯的静置30-38h(优选静置36h)，这样有利于电解液充分地被电芯上的活性物质吸收，使活性物质充分地得到激活。
第二、预压：在0.2-0.3MPa、50-80℃条件下，对注液静置后的电芯进行预压2-5min。
由于电芯在化成之前处于常压无电状态，而进行阶梯充放电步骤时，处于高压的环境，若将电芯由常压的环境一下转移至高压的环境中，由于压力太大，会使得电芯内部结构移位，进而使得充电不均匀，从而影响锂电池的性能。预压作为后一步增大压力充电前的保压措施，效果在于整形和缓冲压力冲击，有效避免直接施加大压力对电芯的冲击，造成卷芯移位，电芯主体受压不均，进而影响后期充电时电流分布的均匀性，影响化成的一致性等性能。
在此，通过对注液静置后的电芯进行预压，使电芯有一个压力的过渡，以更好地适应高温高压阶梯式充电步骤中，有利于提高锂电池的性能。
第三、阶梯式充电：在不低于预设压力的压力下，对电芯进行阶梯式充电。
较佳地，在第一预设压力下，采用不同的电流对电芯进行分段恒流充电。第一预设压力为0.5-1Mpa。
较佳地，在第一预设压力和第一预设温度下，采用不同的电流对电芯进行分段恒流充电。第一预设温度为50-80℃。优选为68-80℃；进一步优选为68-75℃。
较佳地，采用不同的电流对电芯进行分段恒流充电的步骤具体包括：
1)第一次充电：采用第一电流对所述电芯进行第一次恒流充电。
在该步骤中，第一电流为0.1-0.5C；第一次恒流充电的充电时间为40-50min；第一次恒流充电的截止电压为3.5-4V。
较佳地，在该步骤中，采用第一电流对电芯进行第一次恒流充电结束后，使电芯静置5-10min，再进行第二次充电的步骤，以使形成的SEI膜稳定一段时间，若连续充电的话，有可能破坏SEI膜。
2)第二次充电：采用第二电流对所述电芯进行第二次恒流充电。
在该步骤中，第二电流为0.5-1C；第二次恒流充电的充电时间为60-70min、第二次恒流充电的截止电压为4-4.2V。
较佳地，在该步骤中，采用第二电流对电芯进行第二次恒流充电结束后，使电芯静置5-10min，再进行老化的步骤，以使形成的SEI膜稳定一段时间，避免SEI膜破坏。
较佳地，第一截止电压为3.5V，对应的第二截止电压为4V。或第一截止电压为3.7V，对应的第二截止电压为4.2V。
第四、老化：在0.5-1MPa的压力下，将温度提升至75-85℃，使电芯进行老化，以使电芯内部的结构稳定。该步骤的老化即高温保压，化成充电结束后，保持压力不变，提高温度，保持20-30min，目的在于使之前化成形成的SEI膜稳定，避免破坏，以提高后期的电池性能。
上述步骤中的预压步骤、阶梯式充电步骤、老化步骤均在高温压力化成设备中的化成柜中进行。
第五、冷压：对电芯进行冷压处理。
该步骤中，冷压的温度为15-25℃；冷压的压力为0.2-0.3MPa。对电芯进行夹具冷压的时间为30-60min。该步骤具体为：将老化后的电芯下柜，进行夹具冷压。
较佳地，该步骤主要在高温压力化成设备中的冷压夹具中进行。
第六、除气封装：对冷压处理后的电芯进行除气封装，化成工序结束。
另一方面，本发明实施例还提供一种锂离子电池，该锂离子电池经上述的化成方法化成后得到。
下面通过实验实施例进一步具体说明。
实施例1
将电解液注入锂离子电池的电芯后，使电芯在45℃的温度下静置36h。采用高温化成设备对注液静置后的电芯进行化成，先在0.2Mpa的压力和68℃的温度下对电芯进行预压，预压时间为5min。预压结束后，保持温度不变，将压力由0.2Mpa提高至0.5Mpa，采用0.1C的电流对电芯进行第一次恒流充电，充电时间为50min，电压上限为3.5V。第一次充电完成后，将电芯静置5min。再采用0.5C的电流进行第二次恒流充电，充电时间为70min，电压上限为4V。第二次充电完成后将电芯静置5min。保持压力不变，将温度提高至80℃，使电池老化。老化结束后，将电芯下柜，在25℃的温度和0.3Mpa的压力下对电芯进行夹具冷压，冷压时间为30min。最后，除气封装，化成工序结束。
实施例2
将电解液注入锂离子电池的电芯后，使电芯在45℃的温度下静置36h。采用高温化成设备对注液静置后的电芯进行化成，先在0.2Mpa的压力和68℃的温度下对电芯进行预压，预压时间为5min。预压结束后，保持温度不变，将压力由0.2Mpa提高至0.5Mpa，采用0.2C的电流对电芯进行第一次恒流充电，充电时间为40min，电压上限为3.7V。第一次充电完成后，将电芯静置5min。再采用0.5C的电流进行第二次恒流充电，充电时间为70min，电压上限为4.2V。第二次充电完成后将电芯静置5min。保持压力不变，将温度提高至80℃，使电池老化。老化结束后，将电芯下柜，在25℃的温度和0.3Mpa的压力下对电芯进行夹具冷压，冷压时间为30min。最后，除气封装，化成工序结束。
实施例3
将电解液注入锂离子电池的电芯后，使电芯在45℃的温度下静置36h。采用高温化成设备对注液静置后的电芯进行化成，先在0.25Mpa的压力和50℃的温度下对电芯进行预压，预压时间为5min。预压结束后，保持温度不变，将压力由0.25Mpa提高至0.5Mpa，采用0.25C的电流对电芯进行第一次恒流充电，充电时间为45min，电压上限为3.5V。第一次充电完成后，将电芯静置10min。再采用0.6C的电流进行第二次恒流充电，充电时间为60min，电压上限为4.2V。第二次充电完成后将电芯静置5min。保持压力不变，将温度提高至85℃，使电池老化。老化结束后，将电芯下柜，在15℃的温度和0.2Mpa的压力下对电芯进行夹具冷压，冷压时间为40min。最后，除气封装，化成工序结束。
实施例4
将电解液注入锂离子电池的电芯后，使电芯在40℃的温度下静置30h。采用高温化成设备对注液静置后的电芯进行化成，先在0.3Mpa的压力和80℃的温度下对电芯进行预压，预压时间为5min。预压结束后，保持温度不变，将压力由0.3Mpa提高至0.7Mpa，采用0.3C的电流对电芯进行第一次恒流充电，充电时间为45min，电压上限为3.8V。第一次充电完成后，将电芯静置10min。再采用0.8C的电流进行第二次恒流充电，充电时间为65min，电压上限为4V。第二次充电完成后将电芯静置5min。保持压力不变，将温度提高至85℃，使电池老化。老化结束后，将电芯下柜，在20℃的温度和0.25Mpa的压力下对电芯进行夹具冷压，冷压时间为30min。最后，除气封装，化成工序结束。
实施例5
将电解液注入锂离子电池的电芯后，使电芯在45℃的温度下静置38h。采用高温化成设备对注液静置后的电芯进行化成，先在0.2Mpa的压力和50℃的温度下对电芯进行预压，预压时间为2min。预压结束后，保持温度不变，将压力由0.2Mpa提高至1Mpa，采用0.5C的电流对电芯进行第一次恒流充电，充电时间为40min，电压上限为4V。第一次充电完成后，将电芯静置5min。再采用1C的电流进行第二次恒流充电，充电时间为70min，电压上限为4.2V。第二次充电完成后将电芯静置5min。保持压力不变，将温度提高至75℃，使电池老化。老化结束后，将电芯下柜，在25℃的温度和0.3Mpa的压力下对电芯进行夹具冷压，冷压时间为30min。最后，除气封装，化成工序结束。
对比例
本对比例主要是采用常规的方法对锂离子电池进行化成。具体地，在常温常压下，采用分段小电流对锂离子电池的电芯进行充电。具体地，先采用0.02C的电流对注液静止后的电芯进行第一次恒流充电，充电时间为120min，充电上限电压为3.5V。用0.05C的电流对电芯进行第二次恒流充电，充电时间为60min，充电上限电压为3.8V；用0.1C的电流对电芯进行第三次恒流充电，充电时间为120min，充电上限电压为3.95V。用0.2C的电流对电芯进行恒流恒压充电300min，充电上限电压为4.2V。在0.2C的电流下，对电芯进行恒流放电，放电时间为300min；放电电压下限为3V；用0.2C的电流对电芯进行恒流恒压充电，充电时间为300min，充电上限电压为4V。
(1)采用实施例1所述的化成方法得到的三个锂离子电池样品(样品1、样品2、样品3)进行循环性能测试。测试结果如图2所示。
(2)采用实施例2所述的化成方法得到的两个锂离子电池样品(样品4、样品5)进行循环性能测试，测试结果如图3所示。
(3)采用由对比例所述化成方法得到的三个锂离子电池样品(样品6、样品7、样品8)进行循环性能测试，测试结果如图4所示。
(4)采用实施例1、实施例2及对比例化成后得到锂离子电池样品进行电芯容量测试，测试结果详见图5所示。
从图2和图4可以看出：相对于常规化成方法，采用实施例1提供的锂离子电池的化成方法化成得到的锂离子电池的循环一致性更好；样品1、样品2及样品3的曲线趋势一致，循环后期未出现离散，同期(240周)循环平均保持率较对比例高0.2％。
从图3和图4可以看出：相对于常规化成方法，采用实施例2提供的锂离子电池的化成方法化成得到的锂离子电池的循环一致性更好；样品4、样品5的曲线趋势一致，循环后期未出现离散。
从图5可以看出：相对于常规的化成方法，采用本发实施例提供的锂离子电池的化成方法化成得到的锂离子电池的化成容量明显提高(实施例1所述化成方法能使电池的容量提高了17.39％，实施例2所述的化成方法能使电池容量提高了22.63％)。
(5)对实施例1-实施例5及对比例化成方法得到的锂离子电池样品进行容量测试、循环性能测试以及化成前后电芯的厚度。测试结果如表1所示。
表1
从表1可以看出：相对于常规的化成方法，采用本发明实施例提供的锂离子电池的化成方法化成得到的锂离子电池的厚度较薄、提高了平均容量以及循环一致性较好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (18)

1.一种锂离子电池的化成方法，对锂离子电池的电芯进行化成，其特征在于，包括如下步骤：
预压：对所述电芯进行预压；
阶梯式充电：在不低于预压压力的压力下，对所述电芯进行阶梯式充电；
老化：对所述电芯进行老化处理；
冷压：对所述电芯进行冷压处理。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，所述预压的步骤具体为：在0.2-0.3MPa的压力下对所述电芯进行预压。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，在所述预压的步骤中：
对所述电芯进行预压的时间为2-5min；和/或
对所述电芯进行预压的温度为50-80℃。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，在所述阶梯式充电的步骤中，在所述第一预设压力下，对所述电芯进行阶梯式充电；所述第一预设压力为0.5-1MPa。
5.根据权利要求1或4所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，在所述阶梯式充电的步骤中：在第一预设压力和第一预设温度下，对所述电芯进行阶梯式充电；其中，所述第一预设温度为50-80℃。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，对所述电芯进行阶梯式充电的步骤，包括：
第一次充电：采用第一电流对所述电芯进行第一次恒流充电，充电至第一截止电压；
第二次充电：采用第二电流对所述电芯进行第二次恒流充电，充电至第二截止电压。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，所述第一截止电压为3.5-4V；和/或所述第二截止电压为4-4.2V。
8.根据权利要求6或7所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，在所述第一次充电的步骤中：
所述第一电流为0.1-0.5C；所述第一次恒流充电的充电时间为40-50min。
9.根据权利要求6或7所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，在所述第二次充电的步骤中：
所述第二电流为0.5-1C；所述第二次恒流充电的充电时间为60-70min。
10.根据权利要求6所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，在所述第一次充电的步骤结束后，使所述电芯静置5-10min，再进行第二次充电的步骤；
在所述第二次充电的步骤结束后，使所述电芯静置5-10min，再进行老化的步骤。
11.根据权利要求1所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，在所述老化的步骤中：
对所述电芯进行老化的温度为75-85℃；和/或
对所述电芯进行老化的压力为0.5-1MPa。
12.根据权利要求1所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，在所述预压的步骤之前，还包括：
注液：将电解液注入锂离子电池的电芯后，使所述电芯静置。
13.根据权利要求12所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，在40-45℃的温度下，使注液后电芯的静置30-38h。
14.根据权利要求1所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，所述冷压的步骤具体为：在20±5℃的温度和0.2-0.3MPa的压力下，对所述电芯进行夹具冷压。
15.根据权利要求14所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，在所述冷压的步骤中，对所述电芯进行冷压的时间为30-60min。
16.根据权利要求1所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，在所述冷压的步骤之后，还包括：对所述电芯进行除气封装的步骤。
17.根据权利要求1所述的锂离子电池的化成方法，其特征在于，所述预压步骤、阶梯式充电步骤、老化步骤均在高温压力化成设备中进行。
18.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池由权利要求1-17任一项所述的化成方法化成后得到。
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