CN108172919B - 三元锂离子电池化成工艺与三元锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种三元锂离子电池化成工艺与三元锂离子电池及其制备方法，涉及锂离子电池领域，该三元锂离子电池化成工艺，在0.01～0.1C充电电流范围内，以阶梯分段充电方式对三元锂离子电池进行充电，以完成对三元锂离子电池的化成处理。利用该化成工艺能够缓解利用现有化成工艺得到的三元锂离子电池容量不稳定，且容量分散性较大，低容量电池比例较大的技术问题，达到提高电池容量的目的。

Description

三元锂离子电池化成工艺与三元锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种三元锂离子电池化成工艺与三元锂离子电池及其制备方法。
背景技术
锂电池的化成主要有两个方面的作用：一是使电池中活性物质借助于第一次充电转化成具有正常电化学作用的物质；二是使在电极固体相界面与电解液液相界面之间形成一个固体质界面(Solid Electrolyte Interface膜，简称SEI膜)，电解液中有有机物，锂离子会与之形成溶剂化大分子，若没有这个SEI膜，锂离子形成的溶剂化大分子，这个大分子比锂离子外形大，会嵌入碳负极层中，频繁嵌入或脱出，很容易导致碳层塌陷，电池容量降低。而SEI膜的形成，可阻止大分子的进入，只让锂离子进入或让溶剂化大分子中的锂离子分离出来，嵌入碳分层中。
负极表面的SEI膜在锂电池的电化学反应中，对于电池的稳定性扮演着重要的角色。因此电池制造商除将材料及制造过程列为机密外，化成条件也被列为各公司制造电池的重要机密。
目前，对于三元锂电池主要采用两步法进行化成处理，即先在低充电电流(例如0.03C)下充电10h，然后再在高充电电流(例如1C)下充电7h，利用该方法对三元锂电池进行化成后，针对同一工艺调下下生产的电池的容量数据很不稳定，且容量分散性较大，低容量电池的比例常会达到30％左右。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种三元锂离子电池化成工艺，以缓解利用现有化成工艺得到的三元锂离子电池容量不稳定，且容量分散性较大，低容量电池比例较大的技术问题。
本发明的第二目的在于提供一种三元锂离子电池的制备方法，利用该制备方法得到的三元锂离子电池的容量更稳定，且同批电池中容量数据集中，低容量电池的比例较低。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种三元锂离子电池化成工艺，在0.01～0.1C充电电流范围内，以阶梯分段充电方式对三元锂离子电池进行充电，以完成对三元锂离子电池的化成处理。
进一步的，在0.01～0.07C充电电流范围内，以阶梯分段充电方式对三元锂离子电池进行充电，以完成对三元锂离子电池的化成处理。
进一步的，阶梯分段充电方式的段数不少于四个。
进一步的，阶梯分段充电方式的段数为4～10个。
进一步的，先在0.01～0.02C的充电电流下充电50～70min，完后三元锂离子电池充电量的1％～2％；然后在0.02～0.04C下充电100～150min，完后三元锂离子电池充电量的3％～5％；之后再在0.04～0.06C下充电160～200min，完后三元锂离子电池充电量的8％～10％；最后再在0.06～0.1C下充电500～600min，完后三元锂离子电池充电量的42％～48％；以完成对三元锂离子电池的化成处理。
进一步的，以间隔0.01C的梯度增长方式对三元锂离子电池进行充电，每个充电电流下的充电时间以50～70min增加。
进一步的，充电过程中的截止电压为3.7～4.0V。
进一步的，化成温度为25～45℃。
一种三元锂离子电池的制备方法，包括上述三元锂离子电池化成工艺。
一种三元锂离子电池，利用上述制备方法得到。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的三元锂离子电池化成工艺是在0.01C～0.1C充电电流范围内，以阶梯分段充电方式对三元锂离子电池进行充电，对三元锂离子电池的化成处理。该化成工艺中的充电电流选用的0.01C～0.1C，并且在该充电电充范围内采用阶梯分段方式进行充电，即，先在小电流下充电一定时间，然后再在大电流下进行充电。在小电流下，例如0.01～0.02C下充电，得到的SEI膜质量较好，分布均匀，SEI膜的界面清晰完整，然后再逐步增大充电电流，使形成的SEI膜进一步致密化，利用该化成工艺制备得到的SEI膜的热稳定性更好。SEI膜的稳定性越高，电池容量的发挥越高，且容量集中度和一致性提高。
利用该化成工艺得到的三元锂离子电池的容量数据较稳定，同批次三元锂离子电池的容量的集中度高，稳定性好，且低容量比例较低。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的一个方面提供了一种三元锂离子电池化成工艺，在0.01～0.1C充电电流范围内，以阶梯分段充电方式对三元锂离子电池进行充电，以完成对三元锂离子电池的化成处理。
本发明提供的三元锂离子电池化成工艺是在0.01～0.1C充电电流范围内，以阶梯分段充电方式对三元锂离子电池进行充电，对三元锂离子电池的化成处理。该化成工艺中的充电电流选用的0.01C～0.1C，并且在该充电电充范围内采用阶梯分段方式进行充电，即，先在小电流下充电一定时间，然后再在大电流下进行充电。在小电流下，例如0.01～0.02C下充电，得到的SEI膜质量较好，分布均匀，SEI膜的界面清晰完整，然后再逐步增大充电电流，使形成的SEI膜进一步致密化，利用该化成工艺制备得到的SEI膜的热稳定性更好。SEI膜的稳定性越高，电池容量的发挥越高，且容量集中度和一致性提高。
利用该化成工艺得到的三元锂离子电池的容量数据较稳定，同批次三元锂离子电池的容量的集中度高，稳定性好，且低容量比例较低。
本发明中，充电电流典型但非限制性的例如可以为：0.01C、0.02C、0.03C、0.04C、0.05C、0.06C、0.07C、0.08C、0.09C或0.1C。
可以理解的是，本发明的阶梯分段充电方式包括以各种间隔设置的充电电流逐渐升高的充电电流进行充电，但是并未具体限定每个梯段的具体的充电电流大小。
在本发明的一个实施方式中，在0.01～0.07C充电电流范围内，以阶梯分段充电方式对三元锂离子电池进行充电，以完成对三元锂离子电池的化成处理。
通过调整使充电电流在0.01～0.07C范围内，可以进一步提高三元锂离子电池中SEI膜的质量，避免电池温度过高影响其热稳定性。
在本发明的一个实施方式中，阶梯分段充电方式的段数不少于四个。科学合理地对阶梯分段充电方式的梯段数进行划分，可以更进一步地提高充电过程中形成的SEI膜的质量，进而提高三元锂离子电池的容量。
在本发明的一个实施方式中，阶梯分段充电方式的段数为4～10个。通过进一步细化充电梯段，可以得到质量更高的SEI膜。
在本发明的一个实施方式中，先在0.01～0.02C的充电电流下充电50～70min，完后三元锂离子电池充电量的1％～2％；然后在0.02～0.04C下充电100～150min，完后三元锂离子电池充电量的3％～5％；之后再在0.04～0.06C下充电160～200min，完后三元锂离子电池充电量的8％～10％；最后再在0.06～0.1C下充电500～600min，完后三元锂离子电池充电量的42％～48％；以完成对三元锂离子电池的化成处理。
通过限定每个阶段的充电电流，充电时间和充电电量，以进一步控制SEI膜生长的质量，提高电池容量。
在本发明的一个实施方式中，以间隔0.01C的梯度增长方式对三元锂离子电池进行充电，每个充电电流下的充电时间以50～70min增加。
通过优化梯度增长方式，以更精确地控制SEI膜生长的质量，提高电池容量。
在本发明的一个实施方式中，充电过程中的截止电压为3.7～4.0V。通过限定充电过程中的截止电压可以防止过充对电池造成损伤。
在本发明的一个实施方式中，化成温度为25～45℃。
一种三元锂离子电池的制备方法，包括上述三元锂离子电池化成工艺。
一种三元锂离子电池，利用上述制备方法得到。
下面将结合实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
本实施例是一种三元锂离子电池的化成工艺，该实施例中的三元锂离子电池为镍钴锰酸锂电池，该化成工艺包括以下步骤：
第一步，在0.01C的充电电流下充电60min，充电量为三元锂离子电池容量的1％，截止电压为3.9V；
第二步，在0.02C的充电电流下充电120min，充电量为三元锂离子电池容量的4％，截止电压为3.9V；
第三步，在0.03C的充电电流下充电180min，充电量为三元锂离子电池容量的4％，截止电压为3.9V；
第四步，在0.06C的充电电流下充电540min，充电量为三元锂离子电池容量的45％，截止电压为3.9V；
经过上述四步充电后，完成对镍钴锰酸锂电池的化成处理。
实施例2
本实施例是一种三元锂离子电池的化成工艺，该实施例中的三元锂离子电池为镍钴锰酸锂电池，该化成工艺包括以下步骤：
第一步，在0.01C的充电电流下充电50min，充电量为三元锂离子电池容量的1％，截止电压为3.9V；
第二步，在0.02C的充电电流下充电100min，充电量为三元锂离子电池容量的4％，截止电压为3.9V；
第三步，在0.03C的充电电流下充电200min，充电量为三元锂离子电池容量的4％，截止电压为3.9V；
第四步，在0.06C的充电电流下充电500min，充电量为三元锂离子电池容量的45％，截止电压为3.9V；
经过上述四步充电后，完成对镍钴锰酸锂电池的化成处理。
实施例3
本实施例是一种三元锂离子电池的化成工艺，该实施例中的三元锂离子电池为镍钴锰酸锂电池，该化成工艺包括以下步骤：
第一步，在0.01C的充电电流下充电70min，充电量为三元锂离子电池容量的1％，截止电压为3.9V；
第二步，在0.03C的充电电流下充电100min，充电量为三元锂离子电池容量的2％，截止电压为3.9V；
第三步，在0.04C的充电电流下充电100min，充电量为三元锂离子电池容量的2％，截止电压为3.9V；
第四步，在0.05C的充电电流下充电160min，充电量为三元锂离子电池容量的3％，截止电压为3.9V；
第五步，在0.06C的充电电流下充电200min，充电量为三元锂离子电池容量的3％，截止电压为3.9V；
第六步，在0.07C的充电电流下充电550min，充电量为三元锂离子电池容量的40％，截止电压为3.9V；
经过上述六步充电后，完成对镍钴锰酸锂电池的化成处理。
实施例4
本实施例是一种三元锂离子电池的化成工艺，该实施例中的三元锂离子电池为镍钴锰酸锂电池，该化成工艺包括以下步骤：
第一步，在0.01C的充电电流下充电60min，充电量为三元锂离子电池容量的1％，截止电压为3.9V；
第二步，在0.03C的充电电流下充电100min，充电量为三元锂离子电池容量的2％，截止电压为3.9V；
第三步，在0.04C的充电电流下充电100min，充电量为三元锂离子电池容量的2％，截止电压为3.9V；
第四步，在0.05C的充电电流下充电170min，充电量为三元锂离子电池容量的3％，截止电压为3.9V；
第五步，在0.06C的充电电流下充电170min，充电量为三元锂离子电池容量的3％，截止电压为3.9V；
第六步，在0.1C的充电电流下充电500min，充电量为三元锂离子电池容量的40％，截止电压为3.9V；
经过上述六步充电后，完成对镍钴锰酸锂电池的化成处理。
实施例5
本实施例是一种三元锂离子电池的化成工艺，该实施例中的三元锂离子电池为镍钴锰酸锂电池，该化成工艺包括以下步骤：
第一步，在0.01C的充电电流下充电60min，充电量为三元锂离子电池容量的1％，截止电压为3.9V；
第二步，在0.02C的充电电流下充电60min，充电量为三元锂离子电池容量的1％，截止电压为3.9V；
第三步，在0.03C的充电电流下充电120min，充电量为三元锂离子电池容量的1％，截止电压为3.9V；
第四步，在0.04C的充电电流下充电120min，充电量为三元锂离子电池容量的1％，截止电压为3.9V；
第五步，在0.05C的充电电流下充电160min，充电量为三元锂离子电池容量的2％，截止电压为3.9V；
第六步，在0.06C的充电电流下充电160min，充电量为三元锂离子电池容量的3％，截止电压为3.9V；
第七步，在0.07C的充电电流下充电520min，充电量为三元锂离子电池容量的40％，截止电压为3.9V；
经过上述七步充电后，完成对镍钴锰酸锂电池的化成处理。
对比例1
本对比例是一种三元锂离子电池的化成工艺，该实施例中的三元锂离子电池为镍钴锰酸锂电池，该化成工艺包括以下步骤：
第一步，在0.01C的充电电流下充电600min，充电量为三元锂离子电池容量的30％，截止电压为3.9V；
第二步，在1C的充电电流下充电300min，充电量为三元锂离子电池容量的35％，截止电压为3.9V；
经过上述两步充电后，完成对镍钴锰酸锂电池的化成处理。
对比例2
本对比例是一种三元锂离子电池的化成工艺，该实施例中的三元锂离子电池为镍钴锰酸锂电池，该化成工艺包括以下步骤：
第一步，在0.01C的充电电流下充电600min，充电量为三元锂离子电池容量的30％，截止电压为3.9V；
第二步，在0.5C的充电电流下充电400min，充电量为三元锂离子电池容量的35％，截止电压为3.9V；
经过上述两步充电后，完成对镍钴锰酸锂电池的化成处理。
对比例3
本对比例是一种三元锂离子电池的化成工艺，该实施例中的三元锂离子电池为镍钴锰酸锂电池，该化成工艺包括以下步骤：
第一步，在0.1C的充电电流下充电40min，充电量为三元锂离子电池容量的5％，截止电压为3.9V；
第二步，在0.2C的充电电流下充电60min，充电量为三元锂离子电池容量的8％，截止电压为3.9V；
第三步，在0.3C的充电电流下充电60min，充电量为三元锂离子电池容量的8％，截止电压为3.9V；
第四步，在0.4C的充电电流下充电400min，充电量为三元锂离子电池容量的30％，截止电压为3.9V；
经过上述四步充电后，完成对镍钴锰酸锂电池的化成处理。
分别用实施例1-5和对比例1-3提供的化成工艺对同一批次的镍钴锰酸锂电池进行化成处理，之后对得到的镍钴锰酸锂电池进行容量测试并计算不同容量范围内的比例，测试结果如表1所示。
表1容量测试结果
Figure BDA0001523677610000101
从表中的数据可以看出，利用本发明提供的化成工艺得到的镍钴锰酸锂电池的容量集中度更高，且容量在0.08C以下的电池所占的比例比对比例1-3降低了50％以上。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (4)

1.一种三元锂离子电池化成工艺，其特征在于，在0.01C的充电电流下充电60min，充电量为三元锂离子电池容量的1％，然后在0.03C的充电电流下充电100min，充电量为三元锂离子电池容量的2％，然后在0.04C的充电电流下充电100min，充电量为三元锂离子电池容量的2％，然后在0.05C的充电电流下充电170min，充电量为三元锂离子电池容量的3％，然后在0.06C的充电电流下充电170min，充电量为三元锂离子电池容量的3％，然后在0.1C的充电电流下充电500min，充电量为三元锂离子电池容量的40％；
充电过程中的截止电压为3.9V。
2.根据权利要求1所述的三元锂离子电池化成工艺，其特征在于，化成温度为25～45℃。
3.一种三元锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括权利要求1或2所述的三元锂离子电池化成工艺。
4.一种三元锂离子电池，其特征在于，利用权利要求3所述的制备方法得到。
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