CN109489346A - 一种锂离子电池电芯的烘烤方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池电芯的烘烤方法，属于锂离子电池制备技术领域。本发明的烘烤方法，包括以下步骤：1)将电芯预热后在真空状态下采用接触式加热方式对电芯烘烤3～6h，停止加热；接触式加热同时对电芯的表面及电极接线柱加热；2)向烘烤装置内充入0～5℃氮气至常压，保持60～240s，再在真空状态下保压30～240s；3)重复步骤2)至电芯冷却至50℃以下，充入氮气，取出电芯。本发明的烘烤方法，采用接触式加热的方法进行烘烤，同时对电池表面及电极接线柱进行加热，热量可以通过极片的集流体快速传递，有利于具有大面积侧面积的电芯以及两头出极耳的电芯的快速升温，缩短预热时间，电芯内部温度均匀，提高烘烤效率高。

Description

一种锂离子电池电芯的烘烤方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池电芯的烘烤方法，属于锂离子电池制备技术领域。

背景技术

锂离子电池生产过程中对电解液中水分含量有严格的控制，水的存在对锂离子电池危害极大，主要体现为：与电解液中的锂盐反应生成HF，①HF破坏SEI膜，引起二次成膜，消耗电解液中有限的锂离子；②HF也会加速正极材料在电解液中的溶解，特别对LiMn₂O₄材料。上述均会导致电池循环容量衰减加快，缩短电池使用寿命，水分严重超标时，将导致电池鼓胀、外壳腐蚀、电解液泄露，进而发生起火、爆炸等事故。因此，电池注液前必须进行电芯烘烤，尽可能去除水分，烘烤后的水分一般控制在200ppm以内，且越低越好。

传统真空烤箱烘烤电芯用时长、效率低、能耗高，经设备及工艺改进后通常也需要36～48h。为了提高锂离子电池的烘干效率，现有技术中，申请公布号为CN105115250A的中国发明专利申请公开了一种锂离子电池电芯快速干燥方法，该方法包括以下步骤：1)首先将裸电芯放入真空烤箱中，设定真空烤箱温度，真空烤箱达到设定温度后，裸电芯在85±5℃烘烤20～30min；2)然后抽真空至真空烤箱的真空度为-0.095Mpa以下，裸电芯在85±5℃烘烤20～30min；3)最后，在真空烤箱中充入85±5℃的高温干燥氮气，至真空烤箱真空度为-0.01MPa以上，85±5℃烘烤5～10min；4)再依次进行步骤2和步骤3的操作10～20次；5)关闭真空烤箱加热部分，抽真空至真空烤箱真空度-0.08Mpa以下，充入常温干燥氮气，至真空烤箱真空度-0.01MPa以上，自然降温到45℃以下，抽真空至真空度-0.09MPa以下，真空烤箱中电芯干燥完成后，将电芯真空储存备用。该方法虽然能将电芯的烘干时间缩减至8～20h，但烘干过程采用真空烤箱烘烤裸电芯，需进行多次抽真空、充高温干燥氮气，但操作复杂且干燥时间仍较长。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单的锂离子电池电芯的烘烤方法。

为了实现以上目的，本发明的锂离子电池电芯的烘烤方法所采用的技术方案是：

一种锂离子电池电芯的烘烤方法，包括以下步骤：

1)将硬壳电芯或软包电芯预热至烘烤采用的温度，然后于烘烤装置中在真空状态下采用接触式加热方式对电芯烘烤3～6h，停止加热；所述接触式加热同时对电芯的表面及电极接线柱进行接触式加热；烘烤采用的温度为85～110℃；

2)向烘烤装置内充入0～5℃氮气至常压，保持60～240s，再在真空状态下保压30～240s；

3)重复步骤2)3～6次，至电芯冷却至50℃以下，充入0～5℃的氮气，取出电芯。

本发明的锂离子电池电芯的烘烤方法，工艺简单，采用接触式加热的方法进行烘烤，同时对电池侧壁及电极接线柱进行加热，热量可以通过极片的集流体快速传递，有利于具有大面积侧面积的电芯以及两头出极耳的电芯的快速升温，提高传热效率，缩短预热时间，电芯内部温度均匀，提高烘烤效率高；采用接触式加热进行烘烤过程在真空状态下进行，利用水的沸点低的特性，加快水分蒸发，并将烘烤出的水蒸气可及时排出腔体，防止在冷却过程凝结；烘烤后采用冷却的干燥氮气降温，降温速率快，整体缩短电芯烘烤用时，尤其对电芯体积变化的适用性较强，并能防止冷却过程中空气进入电芯造成电芯中箔材氧化或电芯吸水。与传统烤箱烘烤36～48h的方法相比，本发明的烘烤方法在电芯预热、烘烤及降温过程所用的时间均显著减少，烘烤总用时为6h左右，显著提升了电芯烘烤效率。

本发明中的硬壳电芯是将电芯置入金属壳并焊接盖板，软包电芯是指将电芯采用铝塑膜封装的电芯，烘烤过程中对电芯表面的接触式加热均是指直接与金属壳或软包装接触的加热。

为了便于烘烤过程中，对电芯内的温度进行控制，可以将测温线及探头引入电芯中，监控电芯温度。

为了进一步提高烘烤的效率，步骤1)中，所述接触式加热对所述电芯的正极接线柱和负极接线柱同时进行接触加热。

为了进一步提高烘烤的效率，步骤1)中，对所述电芯进行预热采用接触式加热方式。所述预热在所述烘烤装置中进行。步骤1)中，所述预热在真空状态下进行；预热过程所采用的真空状态的真空度为1.325～6.325KPa。

所述接触式加热方式通过加热模块与所述电芯的表面贴合进行加热。为了增大加热模块与电芯侧面的接触面积，所述加热模块的形状可随电芯的形状进行适配。如电芯为长方体(具有两个面积最大的相对的侧面)时，可将加热模块设置为两块加热板，每块加热板分别与长方体电芯面积最大的两个相对的侧面贴合进行接触加热。对于柱状电芯，可将加热模块设置为桶状，烘烤时将加热模块套装在电芯上使加热模块与电芯侧壁贴合。

为了在提高烘烤效率的同时并降低烘烤温度对隔膜的影响，步骤1)中，所述烘烤采用的温度为95～110℃。进一步优选的，步骤1)中，所述预热采用的加热模块的初始温度为85℃。

优选的，步骤1)中，所述预热的时间为35～70min。进一步优选的，步骤1)中，所述预热的时间为43～70min。

为了加快水分从电芯内溢出，步骤1)中，烘烤过程采用的真空状态的真空度为1.325～6.325KPa。

为了加快电芯中水分的溢出并降低能耗，步骤2)中，所述真空状态的真空度为1.325～6.325KPa。

为了进一步降低电芯中水分的含量，步骤2)中，充入氮气至常压后，保压的时间为180～240s。为了降低能耗，步骤2)中，在真空状态下保压的时间为30～120s。

优选的，步骤3)中，所述烘烤的时间为4h。

优选的，步骤3)中，重复步骤2)的次数为4次。

优选的，步骤2)和步骤3)中所采用的氮气的纯度≥99.99％，氧含量＜100ppm。

附图说明

图1为本发明的实施例1～7中用于烘烤的铝壳电芯的主视图；

图2为图1中铝壳电芯的俯视图；

图3为本发明的实施例1～7中采用加热板对铝壳电芯接触式加热的示意图；

图4为本发明的其他实施例中用于烘烤的铝塑膜封装后的软包电芯的主视图；

图5为图4中软包电芯的仰视图；

图6为本发明的其他实施例中采用加热板对采用铝塑膜封装后的电芯接触式加热的示意图；

图中，1-铝壳电芯本体，2-正极接线柱，3-负极接线柱，4-加热板；5-铝壳电芯，6-软包电芯本体，7-气袋，8-正极接线柱，9-负极接线柱，10-加热板，11-软包电芯。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。

具体实施方式中在对锂离子电池电芯进行烘烤时的所有操作均在环境相对湿度1％以下的条件下进行。

实施例1～7中烘烤的电芯为铝壳电芯，如图1～2所示，铝壳电芯呈长方体形，包括铝壳电芯本体1以及设置在铝壳电芯本体上的正极接线柱2和负极接线柱3；铝壳电芯本体1具有两个较大面积的侧面和四个较小面积的侧面，正极接线柱2和负极接线柱3分设于两个相对的且面积较小的侧面上。该铝壳电芯采用包括如下步骤的方法制得：将极片切片后以Z型叠片方式进行叠片制成电芯，然后将电芯置于铝壳，再加盖板并进行激光焊接，制成铝壳电芯。

各实施例中采用的烘烤设备为接触式烤箱。

接触式烤箱通过加热板与铝壳电芯接触进行接触式加热；如图3所示，加热过程中，分别有加热板4对应贴合于铝壳电芯5的正极接线柱2、负极接线柱3、两个较大面积的侧面上进行接触式加热。

各实施例中采用的干燥氮气的纯度≥99.99％，氧含量＜100ppm。

实施例1

本实施例的锂离子电池电芯的烘烤方法，包括以下步骤：

1)将铝壳电芯放入加热板温度为85℃的接触式烤箱中，加热板与电芯接触，将接触式烤箱腔体抽真空至真空度为6.325KPa保压，预热至电芯温度达到95℃后，持续抽真空，使真空度保持在1.325-3.325KPa继续烘烤5h，然后停止加热；

2)向腔体中充入冷风机冷却的5℃的干燥氮气至常压，保持180s，再抽真空至真空度为6.325kPa保压30s；

3)重复步骤2)3次电芯温度低于50℃，然后充入水冷却的5℃的干燥氮气，取出电芯。

实施例2

本实施例的锂离子电池电芯的烘烤方法，包括以下步骤：

1)将铝壳电芯放入加热板温度为85℃的接触式烤箱中，加热板与电芯接触，接触式烤箱腔体抽真空至真空度为6.325KPa保压，预热至电芯温度达到105℃后，持续抽真空，使真空度保持在1.325-3.325KPa继续烘烤4h，停止加热；

2)向腔体中充入冷风机冷却的0℃的干燥氮气至常压，保持240s，再抽真空至真空度为6.325kPa保压60s；

3)重复步骤2)5次电芯温度低于50℃，然后充入冷风机冷却的5℃的干燥氮气，取出电芯。

实施例3

本实施例的锂离子电池电芯的烘烤方法，包括以下步骤：

1)将铝壳电芯放入加热板温度为85℃的接触式烤箱中，加热板与电芯接触，接触式烤箱腔体抽真空至真空度为6.325KPa保压，预热至电芯温度达到110℃后，持续抽真空，使真空度保持在1.325-3.325KPa继续烘烤3h，停止加热；

2)向腔体中充入冷风机冷却的3℃的干燥氮气至常压，保持240s，再抽真空至真空度为6.325kPa真空保压240s；

3)重复步骤2)6次电芯温度低于50℃，然后充入冷风机冷却的5℃的干燥氮气，取出电芯。

实施例4

本实施例的锂离子电池电芯的烘烤方法，与实施例2的烘烤方法的区别仅在于：步骤1)中，继续烘烤的时间为3h。

实施例5

本实施例的锂离子电池电芯的烘烤方法，与实施例2的烘烤方法的区别仅在于：步骤1)中，继续烘烤的时间为6h。

实施例6

本实施例的锂离子电池电芯的烘烤方法，与实施例2的烘烤方法的区别仅在于：

步骤1)中，预热至电芯温度达到95℃后，持续抽真空，使真空度保持在6.325KPa继续烘烤5h；

步骤2)中，向腔体中充入冷风机冷却的0℃的干燥氮气至常压，保持60s。

实施例7

本实施例的锂离子电池电芯的烘烤方法，与实施例2的烘烤方法的区别仅在于：步骤2)中，向腔体中充入冷风机冷却的0℃的干燥氮气至常压，保持120s。

在锂离子电池电芯的烘烤方法的其他实施例中，烘烤的电芯是软包电芯；如图4～5所示，软包电芯包括正方体形的软包电芯本体6、气袋7、正极接线柱8和负极接线柱9；软包电芯本体6具有两个较大面积的侧面和四个面积较小的侧面，气袋7设置于其中一个面积较小的侧面上，正极接线柱8和负极接线柱9均设置于一个不与设置有气袋的侧面相对且面积较小的侧面上。软包电芯采用包括如下步骤的方法制得：将极片切片完成后以Z型叠片方式进行叠片制成电芯，然后将电芯采用铝塑膜进行封装，制成软包电芯。

加热过程中，接触式烤箱通过加热板与软包电芯接触进行接触式加热，如图6所示，分别有加热板10对应贴合于软包电芯11的正极接线柱8、负极接线柱9、两个较大面积的侧面上进行接触式加热。

对比例

对比例用于烘烤的锂离子电池电芯完全同实施例1，也是铝壳电芯，将铝壳电芯放入真空烤箱中升温，然后按照以下步骤进行：

第一步：温度升至90℃，抽真空至真空度10kPa，烘烤80min；

第二步：先真空干燥10min，再充氮气保持10min，循环该步骤2次；

第三步：先抽真空至10kPa，保持110min，再充氮气保持10min，循环该步骤4次；

第四步：先充氮气保持10min，再抽真空至10kPa，保持80min；

第五步：关闭加热，抽真空至真空度10kPa，120min后电芯出烤箱。

对比例的烘烤工艺总用时810min，电芯烘烤时间长，能耗高，并且由于长时间烘烤，造成隔膜收缩增大、透气度降低，进而严重影响电池安全性和离子导电性能。

实验例

分别对实施例1～5及对比例中电芯出烤箱后拆解，测试正极片、负极片和电芯水分，测试电芯最外层隔膜的透气度，测试过程中，水分均在湿度RH＜-50℃、温度23℃的条件下采用卡尔费休水分测试仪测得。烘烤后，水分标准要求：正极片＜160ppm，负极片＜230ppm；隔膜性能要求：隔膜横向收缩率＜0.2％；纵向收缩率＜2％，透气度＜180Sec/100mL。

实施例1～3及对比例的过程及测试结果如表1所示，实施例4～5的电芯的测试结果见表2。

表1实施例1～3及对比例的电芯的测试结果

对于隔膜来说，收缩率、透气值越小越好，由表1可知，实施例3用时最短，但因烘烤温度高，隔膜横向收缩率＞0.2％，后续注液等制程易出现正负极错位而导致电芯短路；实施例1烘烤后电芯中负极片水分不合格；实施例2的隔膜收缩率、透气度及水分测试均合格，且烘烤时间仅为对比例的1/3左右，收缩率低说明实施例2的烘烤方法对隔膜的影响小，可有效防止电芯在后续移动、制造过程中因极片错位导致的短路，透气性好对锂离子电池倍率充放电性能更有利，因此，优选实施例2所示参数烘烤电芯。虽然相较于设定的标准，实施例1和实施例3的锂离子电池的具有较高含量水分，但是相较于对比例1，在大幅缩短烘烤时间的情况下，基本能达到现有技术的效果，大大节约了能耗、降低了成本。

表2实施例4～5的电芯的检测结果

由表2可知，105℃烘烤3h时，正极片152.4ppm，负极片240～260ppm水分含量不合格；烘烤6h时，正极片149.0ppm，负极片155.01pm，电芯水分150.54ppm，水分含合格。实施例5中电芯的隔膜横向收缩率均满足要求，透气度变化不大。考虑接触式烤箱温度的波动，即105±3℃的条件下，烘烤4～6h，均满足标准要求，4h用时最短，且烘烤过程对隔膜的影响也较小，因此，烘烤温度105℃、烘烤采用的真空度1.325-3.325KPa、烘烤时间为4h的烘烤方法最优。

Claims (6)

1.一种锂离子电池电芯的烘烤方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将硬壳电芯或软包电芯预热至烘烤采用的温度，然后于烘烤装置中在真空状态下采用接触式加热方式对电芯烘烤3～6h，停止加热；所述接触式加热同时对电芯的表面及电极接线柱进行接触式加热；烘烤采用的温度为85～110℃；

2)向烘烤装置内充入0～5℃氮气至常压，保持60～240s，再在真空状态下保压30～240s；

3)重复步骤2)3～6次，至电芯冷却至50℃以下，充入0～5℃的氮气，取出电芯。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池电芯的烘烤方法，其特征在于：步骤1)中，所述接触式加热对所述电芯的正极接线柱和负极接线柱同时进行接触加热。

3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池电芯的烘烤方法，其特征在于：步骤1)中，所述预热在真空状态下进行；预热过程所采用的真空状态的真空度为1.325～6.325KPa。

4.根据权利要求1或2所述的锂离子电池电芯的烘烤方法，其特征在于：步骤1)中，所述预热的时间为35～70min。

5.根据权利要求1或2所述的锂离子电池电芯的烘烤方法，其特征在于：步骤1)中，烘烤过程采用的真空状态的真空度为1.325～6.325KPa。

6.根据权利要求1或2所述的锂离子电池电芯的烘烤方法，其特征在于：步骤2)中，所述真空状态的真空度为1.325～6.325KPa。