CN109411702A - 一种锂离子电池电极的预处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池电极的预处理方法，包括：S1：在电极预处理槽中配置含电解质锂盐的溶液，锂离子电池电极以设定速度通过所述电极预处理槽中；S2：在锂离子电池电极和惰性电极之间施加电流，并控制电流大小、反应温度和电极速度；S3：取出锂离子电池电极，并在50℃~250℃下烘干。通过上述方式，本发明能够去除锂离子电池电极中首次不可逆锂离子，可以大幅度提高电极的首次库伦效率，降低对电极用量，提升锂离子电池的能量密度、降低原材料成本。此发明预处理过程工艺简单、不需要惰性气氛保护，易于批量化应用。

Description

一种锂离子电池电极的预处理方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种锂离子电池电极的预处理方法。
背景技术
锂离子电池是一种新型的化学电源，正负极分别采用两种能可逆地嵌入和脱出锂离子的电极活性材料作为正负极而构成，电解液提供锂离子的传导通道。当电池充电时，锂离子从锂离子电池正极中脱嵌出来，并在负极中嵌入；放电时锂离子从负极活性物质中脱嵌，同时在正极中嵌入。由于锂离子电池具有高能量密度、高电压、无污染，循环寿命高、无记忆效应等诸多优点，广泛应用在笔记本电脑、手机和其他便携式电器中。目前，智能手机、便携式电器对续航能力的要求的不断提升，对锂离子电池的能量密度也提出了更高的要求。
镍钴锰三元材料、镍酸锂具有较高的能量密度，已经作为锂离子电池正极活性材料在锂离子电池中得到广泛应用，富锂锰基电极材料也有望成为下一代高能量密度正极活性材料。但该类材料首次效率偏低，即在首次充电过程中，很大一部分脱出的锂离子在放电过程中不能可逆的重新嵌入，导致材料首次不可逆容量偏大，库伦效率低，因此需要额外增加匹配负极活性物质用量，用于嵌入电极脱出不可逆锂离子，防止锂离子在负极表面析出。电极材料的库伦效率越低，需要额外的负极材料越多，引起电池能量密度降低越多。
针对这一问题，为了改善电极材料首次库伦效率，提升电池的能量密度，研究人员从不同方面出发改善电极活性材料的首次效率。万向A一二三系统有限公司专利106058168A通过在电极活性物质中添加纳米氟化锂来改变正极的首次库伦效率；合肥国轩高科动力能源有限公司105845894 A用金属锂片作为对电极对负电极进行于锂化，提高负极材料的首次效率；天津巴莫科技股份有限公司专利104538591 A采用金属锂对负极进行预锂化。
上述方案中，专利106058168 A仅能降低电极首次库伦效率，不能提高正极的库伦效率，并且引入氟离子杂质，对电池的寿命有一定副作用。其它专利中采用金属理进行负极预锂化，但金属理非常活泼，很容易与空气中的氧气和氮气反应，整个操作过程需要惰性气体保护，工艺复杂，不易于工业化应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有锂离子技术中部分电极材料首次库伦效率偏低，负极首次库伦效率偏高，正负极首次库伦效率匹配性差的问题，提供一种锂离子电池电极的预处理方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：提供一种锂离子电池电极的预处理方法，至少包括如下步骤：
S1：配置含电解质锂盐的溶液，并加入到电极预处理槽中，锂离子电池电极以设定速度通过所述电极预处理槽中；
S2：在锂离子电池电极和惰性电极之间施加电流，并控制电流倍率在0.5C~2C之间，反应温度在20-60℃之间，及电极速度为0.1~10m/s；
S3：从所述电极预处理槽中取出锂离子电池电极，并在50℃~250℃下烘干。
其中，所述锂离子电池电极是由碳素类导电剂、电极活性物质、粘结剂在N~甲基吡咯烷酮中混合均匀后，涂覆在集流体上制成的。
其中，所述电极活性物质为镍钴锰三元材料及改性物、镍酸锂及改性物、富锂锰基固溶体及改性物、钴酸锂及钴酸锂的改性物及磷酸铁锂中的一种，且所述活性物质的粒度为0.03μm~200μm。
其中，所述集流体由厚度2~30μm的铝箔制成。
其中，所述碳素类导电剂为纳米碳管、碳纤维、乙炔黑、科琴黑、Super P、超导碳黑中的至少一种。
其中，所述粘结剂为PVDF或丁苯橡胶及改性物。
其中，所述电解质锂盐为氯化锂、氢氧化锂、氟化锂、硫酸锂、硝酸锂及高氯酸锂中的至少一种。
其中，所述溶液中的溶剂为水或碳酸酯类溶剂。
其中，所述碳酸酯类溶剂为碳酸二甲酯DMC、碳酸二乙酯DEC、碳酸甲乙酯EMC、乙烯碳酸酯EC、丙烯碳酸酯PC中的至少一种溶剂。
其中，所述的惰性电极为不锈钢电极或碳素类电极。
本发明的有益效果在于：区别于现有技术，本发明不使用高活性金属锂，工艺过程不需要惰性气体保护，工艺简单，便于大规模应用，只需要通过调整施加电流和极片穿过电解质的速度，得到不同首次库伦效率的电池极片，从而提升锂离子电池的能量密度。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式予以说明。
为了提升锂离子电池库伦效率，本发明将电极活性物质、导电剂、粘接剂混合均匀制成浆料，然后均匀的涂覆在导电集流体铝上制成锂离子电池极片；将一定浓度的锂盐电解质注入预处理槽，预处理槽底部为一个与极片平行的惰性电极；锂离子电极片以一定速度通过电极预处理槽；锂离子电极片与惰性电极之间施加一定的预处理电流；然后将锂离子电池极片50℃~250℃烘干，即制得高首次库伦效率锂离子电池电极极片。通过调整施加电流和极片穿过电解质的速度，得到不同首次库伦效率的锂离子电池极片。该工艺简单易行，不需要惰性气体保护，便于规模化应用。
所述电极活性物质为锂镍钴锰三元材料或富锂锰基固溶体材料。
所述锂镍钴锰三元材料化学式为LiNixM(1-x)O2，其中M＝Co、Mn、Al中的一种或多种，0.6≤x＜1。
所述富锂锰基固溶体材料化学式为xLi2MnO3·(1～x)LiYO2，其中，Y为Co、Mn、Mg、Ni、Cr、Al、Ti、Mo、Nd中的一种，且0＜x＜1。
本发明不使用高活性金属锂，工艺过程不需要惰性气体保护，工艺简单，便于大规模应用。可以通过调整施加电流和极片穿过电解质的速度，得到不同首次库伦效率的电池极片，提升锂离子电池的能量密度。
下面通过具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1
(1)将正极活性物质锂镍钴锰三元材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2，碳黑导电剂SP，PVDF，按照93%：4%：3%的比例称量，然后将各组分加入NMP有机溶剂中混合均匀，制成电极浆料，均匀涂覆在20微米铝箔表面，涂覆面密度为300g/m2；极片涂敷宽度为0.5m；
(2)预处理槽内的电解质为0.5mol/L的硫酸锂水溶液；通过电解质槽的极片长度为2m，速度为5m/min；施加在惰性电极和极片的电流是20A（或0.5C）；
(3)然后将锂离子电池极片120℃烘干8h。
实施例2
(1)将正极活性物质锂镍钴锰三元材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2，SP，PVDF，按照93%：4%：3%的比例称量，然后将各组分加入NMP有机溶剂中混合均匀，制成电极浆料，均匀涂覆在20微米铝箔表面，涂覆面密度为300g/m2；极片涂敷宽度为0.5m；
(2)预处理槽内的电解质为0.5mol/L的硫酸锂水溶液；通过电解质槽的极片长度为2m，速度为5m/min；施加在惰性电极和极片的电流是40A（或1C）；
(3)然后将锂离子电池极片120℃烘干8h。
实施例3
(1)将正极活性物质锂镍钴锰三元材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2，SP，PVDF，按照93%：4%：3%的比例称量，然后将各组分加入NMP有机溶剂中混合均匀，制成电极浆料，均匀涂覆在20微米铝箔表面，涂覆面密度为300g/m2；极片涂敷宽度为0.5m；
(2)预处理槽内的电解质为0.5mol/L的硫酸锂水溶液；通过电解质槽的极片长度为2m，速度为5m/min；施加在惰性电极和极片的电流是80A（或2C）；
(3)然后将锂离子电池极片120℃烘干8h。
将上述各实施例制成的浆料经碾压制成极片，采用锂片作为负极片，组装成型号为2032的半电池，对制成的半电池进行首周充放电效率测试，测试的结果如表1所示：
表1：
样品编号 库伦效率
实施例1 89.7%
实施例2 91.3%
实施例3 94.3%
从表1可以看到，本发明的锂离子电池极片预处理方法可以有效提高正极的库仑效率，通过控制施加在惰性电极和锂离子电池正极上的施加电流可以控制极片的首次效率，该发明可应用于电动汽车、移动电子设备和其它高能量密度电子产品。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池电极的预处理方法，其特征在于，至少包括如下步骤：
S1： 配置含电解质锂盐的溶液，并加入到电极预处理槽中，锂离子电池电极以设定速度通过所述电极预处理槽中；
S2： 在锂离子电池电极和惰性电极之间施加电流，并控制电流倍率在0.5C~2C之间，反应温度在20-60℃之间，及电极速度为0.1~10m/s；
S3：从所述电极预处理槽中取出锂离子电池电极，并在50℃~250℃下烘干。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池电极的预处理方法，其特征在于，所述锂离子电池电极是由碳素类导电剂、电极活性物质、粘结剂在N~甲基吡咯烷酮中混合均匀后，涂覆在集流体上制成的。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池电极的预处理方法，其特征在于，所述电极活性物质为镍钴锰三元材料及改性物、镍酸锂及改性物、富锂锰基固溶体及改性物、钴酸锂及钴酸锂的改性物及磷酸铁锂中的一种，且所述活性物质的粒度为0.03μm~200μm。
4.根据权利要求2所述的锂离子电池电极的预处理方法，其特征在于，所述集流体由厚度2~30μm的铝箔制成。
5.根据权利要求2所述的锂离子电池电极的预处理方法，其特征在于，所述碳素类导电剂为纳米碳管、碳纤维、乙炔黑、科琴黑、Super P、超导碳黑中的至少一种。
6.根据权利要求2所述的锂离子电池电极的预处理方法，其特征在于，所述粘结剂为PVDF或丁苯橡胶及改性物。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池电极的预处理方法，其特征在于，所述电解质锂盐为氯化锂、氢氧化锂、氟化锂、硫酸锂、硝酸锂及高氯酸锂中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的锂离子电池电极的预处理方法，其特征在于，所述溶液中的溶剂为水或碳酸酯类溶剂。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池电极的预处理方法，其特征在于，所述碳酸酯类溶剂为碳酸二甲酯DMC、碳酸二乙酯DEC、碳酸甲乙酯EMC、乙烯碳酸酯EC、丙烯碳酸酯PC中的至少一种溶剂。
10.根据权利要求1所述的锂离子电池电极的预处理方法，其特征在于，所述的惰性电极为不锈钢电极或碳素类电极。
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