CN108183262A - 一种高比能锂离子软包电池的化成方法 - Google Patents

一种高比能锂离子软包电池的化成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高比能锂离子软包电池的化成方法，包括以下步骤：S1.电池注液后经过充分静置，以0.01C‑0.05C的小倍率进行充电10h‑20h；S2.将充电完成后的电池静置12h‑60h，并在真空度为‑0.06MPa—‑0.09MPa条件下进行抽气封口保留部分气袋；S3.将电池用夹具进行固定，以0.05C‑0.2C进行充电至4.2V‑4.7V；S4.在真空度‑0.06MPa—‑0.09MPa条件下进行抽气封口；S5.以0.05C‑0.2C进行放电至3.0V‑1.5V，并在此电压区间内，以0.05C‑0.2C进行小电流活化1‑10周。本发明的有益效果：能够有效改善软包电池产气带来的负面影响，不仅减少软包电池由于产气和极片膨胀带来的极片褶皱，而且提高电池的安全性以及电化学性能。

Description

一种高比能锂离子软包电池的化成方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体来说，涉及一种高比能锂离子软包电池的化成方法。
背景技术
随着新能源汽车近些年的快速发展以及消费者对其长续航里程的需求，高比能锂离子动力电池成为动力电池发展的必然趋势。由于高比能量锂离子动力电池需要采用新的电池体系来提供更高的比能量，因此，与其相匹配的制造工艺需要在现有的锂离子动力电池的制作工艺基础上进行优化改进，以提高高比能锂离子动力电池的安全性、电性能，进而满足高里程、长寿命新能源汽车的需求。
高比能锂离子动力电池对应的新的电池体系，要求体系由高能量密度正极材料、高能量密度负极材料以及相适配的电解液构成。新的高比能锂离子电池体系与传统电池体系相比，其电化学原理也不尽相同，不仅有高电压、高比容量，还有负极体积变化带来的膨胀。因此，其化成过程的控制，对于高比能锂离子电池的安全性、循环寿命、以及其他电性能就尤为重要。
在软包电池中，开发应用高比能锂离子动力电池的化成工艺，一方面需要解决传统软包电池中出现的产气问题。例如CN106025370A中提到，软包锂电池在化成过程中需要关注产气气压与电池电压之间的关系，找到平衡点，进而更好进行过程控制，提高软包电池品质。或者，如CN104157920A中所述，采用阶梯化成方法，在减少产气量的同时，稳定SEI膜，提高电池的电性能。另一方面，由于软包电池松散的叠片工装工艺，导致高比能量负极材料的膨胀会对电池的化成排气过程产生负面影响，因此，需要有别于现有化成工艺的，与高比能锂离子软包动力电池相适配的新化成工艺。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种高比能锂离子软包电池的化成方法，能够有效改善软包电池产气带来的负面影响，不仅减少软包电池由于产气和极片膨胀带来的极片褶皱，而且提高电池的安全性以及电化学性能。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高比能锂离子软包电池的化成方法，包括以下步骤：
S1 电池注液后经过充分静置，以0.01C-0.05C的小倍率进行充电10h-20h；
S2 将充电完成后的电池静置12h-60h，并在真空度为-0.06MPa—-0.09MPa条件下进行抽气封口保留部分气袋；
S3 将电池用夹具进行固定，以0.05C-0.2C进行充电至4.2V-4.7V；
S4 在真空度-0.06MPa—-0.09MPa条件下进行抽气封口;
S5 以0.05C-0.2C进行放电至3.0V-1.5V，并在此电压区间内，以0.05C-0.2C进行小电流活化1-10周。
进一步的，所述电池的正极材料为xLi2MnO3·（1-x）LiMO2，其中其中0≤x<1，M为Ti、Mn、Ni、Al、Fe、Mo、Co、Mg、Cr中的一种或几种，所述电池的负极材料为纳米硅、硅碳、氧化亚硅/石墨、硅合金、金属氧化物、锡合金中的一种或几种。
进一步的，步骤S2中，抽气封口保留部分气袋的处理步骤为：在真空度-0.06MPa—-0.09MPa下静止2min-10min，并以140℃-190℃进行热封处理。
进一步的，步骤S2中，保留的气袋长度为10cm-40cm。
进一步的，步骤S3中，所述夹具为亚克力板、电木板、钢板、铝板、PP板、环氧树脂板中的一种或几种。
进一步的，所述夹具的厚度为10mm-30mm。
进一步的，步骤S2和S4中，所述抽气的操作环境为：露点低于-50℃，气温为20℃-28℃。
本发明的有益效果：1.可以有效保证针对高比能量负极的成膜添加剂有效作用于负极，使负极SEI膜进行有效稳定生长；
2.在较低SOC状态下有效排气，一方面减少高比能负极褶皱，另一方面减少残留气体对后续化成过程中，尤其是在高电压下对电池的负面影响；
3.使用高强度的电池夹板，可以有效抑制高比能负极电极膨胀以及将残留气体及时排出；
4.在高电压下，部分电解液会分解产气，此过程的排气可以有效减少残留气体对电池的伤害；
5.采用此化成方法，可以有效减少软包电池的褶皱，改善外观，安全性以及电性能。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明实施例所述的一种高比能锂离子软包电池的化成方法，包括以下步骤：
S1 电池注液后经过充分静置，以0.01C-0.05C的小倍率进行充电10h-20h；
S2 将充电完成后的电池静置12h-60h，并在真空度为-0.06MPa—-0.09MPa条件下进行抽气封口保留部分气袋；
S3 将电池用夹具进行固定，以0.05C-0.2C进行充电至4.2V-4.7V；
S4 在真空度-0.06MPa—-0.09MPa条件下进行抽气封口;
S5 以0.05C-0.2C进行放电至3.0V-1.5V，并在此电压区间内，以0.05C-0.2C进行小电流活化1-10周。
在本发明的一个具体实施例中，所述电池的正极材料为xLi2MnO3·（1-x）LiMO2，其中其中0≤x<1，M为Ti、Mn、Ni、Al、Fe、Mo、Co、Mg、Cr中的一种或几种，所述电池的负极材料为纳米硅、硅碳、氧化亚硅/石墨、硅合金、金属氧化物、锡合金中的一种或几种。
在本发明的一个具体实施例中，步骤S2中，抽气封口保留部分气袋的处理步骤为：在真空度-0.06MPa—-0.09MPa下静止2min-10min，并以140℃-190℃进行热封处理。
在本发明的一个具体实施例中，步骤S2中，保留的气袋长度为10cm-40cm。
在本发明的一个具体实施例中，步骤S3中，所述夹具为亚克力板、电木板、钢板、铝板、PP板、环氧树脂板中的一种或几种。
在本发明的一个具体实施例中，所述夹具的厚度为10mm-30mm。
在本发明的一个具体实施例中，步骤S2和S4中，所述抽气的操作环境为：露点低于-50℃，气温为20℃-28℃。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例和对比例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
实施例一
制备软包叠片电池：
正极部分：按照富锂锰基固溶体正极材料（240mAh/g）：SuperP（导电炭黑）：KS-6（导电石墨）：PVDF（聚偏氟乙烯）=92：2：2：4的质量比例称取材料，并烘干去除水分。将粉末材料加入匀浆机进行干混后加入PVDF制作的胶液，搅拌均匀。然后将浆料涂敷在铝箔双面上，单面面密度为200g/m2，之后进行辊压、分切，并按照VDA尺寸进行制片。
负极部分：按照硅氧碳材料（克容量>700mAh/g）：SuperP（导电炭黑）：KS-6（导电石墨）：SBR（丁苯橡胶）：CMC（羧甲基纤维素）=92：2：2：1.8：2.2的质量比例称取材料，除SBR乳液外，进行烘干去除水分。将CMC溶解到去离子水中制成胶液，将导电剂加入其中，制成导电浆料，之后加入主材硅氧碳，进行搅拌，最后加入SBR乳液进行混合，制成浆料。然后将浆料涂覆在铜箔的双面上，单面面密度为80g/cm2，之后进行辊压、分切，并按照VDA尺寸进行制片。
电池制作：将上述的正极极片14片、负极极片15片以及隔膜、按照交替顺序进行堆叠制成电芯，之后进行电芯极耳焊接及顶侧封，将烘干24h的电芯注入高压电解液，预留气袋长度为30cm。
将上述制成的软包叠片电池进行化成，具体步骤为：
步骤1 将电池注液结束后，使用20mm厚电木夹具将电池夹紧，静置24h；
步骤2 以0.01C进行充电12h，进行静置24h，并在真空度-0.09MPa的条件下进行抽气封口并预留部分气袋；
步骤3 以0.1C将电池进行充电至4.6V；
步骤4 在真空度-0.09MPa的条件下进行抽气封口；
步骤5 将电池以0.1C的电流放电至2.2V，并在2.2-4.6V区间内以0.1C电流进行小电流活化5周。
实施例二
制备软包叠片电池：
正极部分：按照富锂锰基固溶体正极材料（240mAh/g）：SuperP（导电炭黑）：KS-6（导电石墨）：PVDF（聚偏氟乙烯）=92：2：2：4的质量比例称取材料，并烘干去除水分。将粉末材料加入匀浆机进行干混后加入PVDF制作的胶液，搅拌均匀。然后将浆料涂敷在铝箔双面上，单面面密度为200g/m2，之后进行辊压、分切，并按照VDA尺寸进行制片。
负极部分：按照硅氧碳材料（克容量>1000mAh/g）：SuperP（导电炭黑）：KS-6（导电石墨）：SBR（丁苯橡胶）：CMC（羧甲基纤维素）=92：2：2：1.8：2.2的质量比例称取材料，除SBR乳液外，进行烘干去除水分。将CMC溶解到去离子水中制成胶液，将导电剂加入其中，制成导电浆料，之后加入主材硅氧碳，进行搅拌，最后加入SBR乳液进行混合，制成浆料。然后将浆料涂覆在铜箔的双面上，单面面密度为80g/cm2，之后进行辊压、分切，并按照VDA尺寸进行制片。
电池制作：将上述的正极极片14片、负极极片15片以及隔膜、按照交替顺序进行堆叠制成电芯，之后进行电芯极耳焊接及顶侧封，将烘干24h的电芯注入高压电解液，预留气袋长度为30cm。
将上述制成的软包叠片电池进行化成，具体步骤为：
步骤1 将电池注液结束后，使用20mm厚电木夹具将电池夹紧，静置24h；
步骤2 以0.01C进行充电10h，进行静置24h，并在真空度-0.09MPa的条件下进行抽气封口并预留部分气袋；
步骤3 以0.1C将电池进行充电至4.6V；
步骤4 在真空度-0.09MPa的条件下进行抽气封口；
步骤5 将电池以0.1C的电流放电至2.2V，并在2.2-4.6V区间内以0.1C电流进行小电流活化5周。
对比例一
制备软包叠片电池：与实施例一电池的制备方式相同。
将上述制成的软包叠片电池进行化成，具体步骤为：
步骤1 将电池注液结束后，使用20mm厚电木夹具将电池夹紧，静置24h；
步骤2 以0.01C进行充电10h，以0.1C将电池进行充电至4.6V；
步骤3 在真空度-0.09MPa的条件下进行抽气封口；
步骤4 将电池以0.1C的电流放电至2.2V，并在2.2-4.6V区间内以0.1C电流进行小电流活化2周。
对比例二
制备软包叠片电池：与实施例一电池的制备方式相同。
将上述制成的软包叠片电池进行化成，具体步骤为：
步骤1 将电池注液结束后，使用20mm厚电木夹具将电池夹紧，静置24h；
步骤2 以0.1C进行充电至4.2V后，静置1h，再以0.1C放电至2.8V；
步骤3 以0.1C进行充电至4.35V后，静置1h，再以0.1C放电至2.8V；
步骤4 以0.1C进行充电至4.4V后，静置1h，再以0.1C放电至2.8V；
步骤5 以0.1C进行充电至4.5V后，静置1h，再以0.1C放电至2.8V；
步骤6 以0.1C进行充电至4.6V后，静置1h，再以0.1C放电至2.8V；
对比例三
制备软包叠片电池：与实施例二电池的制备方式相同。
将上述制成的软包叠片电池进行化成，具体步骤为：
步骤1 将电池注液结束后，使用10mm厚电木夹具将电池夹紧，静置24h；
步骤2 以0.01C进行充电10h，以0.1C将电池进行充电至4.6V；
步骤3 在真空度-0.09MPa的条件下进行抽气封口；
步骤4 将电池以0.1C的电流放电至2.2V，并在2.2-4.6V区间内以0.1C电流进行小电流活化2周。
将上述实施例一、实施例二、对比例一、对比例二、对比例三化成后的电池进行拆 解，观察极片有无褶皱及黑斑并列于表1。
类别 褶皱 黑斑
实施例一 无明显褶皱 无黑斑
实施例二 无明显褶皱 无黑斑
对比例一 可观察的中度褶皱 少量黑斑
对比例二 可观察的轻微褶皱 少量黑斑
对比例三 可观察的严重褶皱 大量黑斑
通过表1中的所列对比结果，可以看出，采用本方法的化成，可以有效减小高比能锂离子软包电池的极片褶皱，以及由于褶皱导致局部充放电不均造成的析锂黑斑，一方面不仅可以大大提高电池画成后的电性能，而且可以提高电池的安全性。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高比能锂离子软包电池的化成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1 电池注液后经过充分静置，以0.01C-0.05C的小倍率进行充电10h-20h；
S2 将充电完成后的电池静置12h-60h，并在真空度为-0.06MPa—-0.09MPa条件下进行抽气封口保留部分气袋；
S3 将电池用夹具进行固定，以0.05C-0.2C进行充电至4.2V-4.7V；
S4 在真空度-0.06MPa—-0.09MPa条件下进行抽气封口;
S5 以0.05C-0.2C进行放电至3.0V-1.5V，并在此电压区间内，以0.05C-0.2C进行小电流活化1-10周。
2.根据权利要求1所述的一种高比能锂离子软包电池的化成方法，其特征在于，所述电池的正极材料为xLi2MnO3·（1-x）LiMO2，其中其中0≤x<1，M为Ti、Mn、Ni、Al、Fe、Mo、Co、Mg、Cr中的一种或几种，所述电池的负极材料为纳米硅、硅碳、氧化亚硅/石墨、硅合金、金属氧化物、锡合金中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种高比能锂离子软包电池的化成方法，其特征在于，步骤S2中，抽气封口保留部分气袋的处理步骤为：在真空度-0.06MPa—-0.09MPa下静止2min-10min，并以140℃-190℃进行热封处理。
4.根据权利要求3所述的一种高比能锂离子软包电池的化成方法，其特征在于，步骤S2中，保留的气袋长度为10cm-40cm。
5.根据权利要求1所述的一种高比能锂离子软包电池的化成方法，其特征在于，步骤S3中，所述夹具为亚克力板、电木板、钢板、铝板、PP板、环氧树脂板中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的一种高比能锂离子软包电池的化成方法，其特征在于，所述夹具的厚度为10mm-30mm。
7.根据权利要求1所述的一种高比能锂离子软包电池的化成方法，其特征在于，步骤S2和S4中，所述抽气的操作环境为：露点低于-50℃，气温为20℃-28℃。
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