CN110380146B - 一种锂离子电池靶向化成方法及锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锂离子电池靶向化成方法及锂离子电池，包括以下步骤：预先确定锂离子电池在化成过程中产气的电位区间；在确定的产气电位区间内，在预设温度下采用不大于0.2C的电流进行充电；静置预设时间后，以不小于0.5C的电流放电至预设电位。本发明提供的锂离子电池靶向化成方法,通过确定锂离子电池化成过程中产生气体的电位区间，并在产生气体的电位区间进行较小电流的充电，在其他电位区间以较大的电流进行充电；进一步通过控制产气区间的化成温度，有利于在电池负极表面形成致密而平滑的SEI膜，显著提升电池性能的同时大大提高了电池的化成效率，该方法简单易行，可快速应用到生产中。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种锂离子电池靶向化成方法及锂离子电池。
背景技术
近年来，新能源汽车及分布式能源快速发展，储能产业也迎来了快速增长期。以锂离子电池为代表的电化学电池因高能量密度、无记忆效应、无污染等优越特性，在电动汽车和储能市场得到广泛应用。电化学储能也对电池的安全性、成本及一致性等方面提出了更高的要求。锂离子电池由于出色的电化学性能，在电化学储能领域成为主流的发展方向，储能工况对锂离子电池的要求可以概括为长寿命、高安全和低成本。在锂离子电池制备过程中，化成是一道重要的工序，化成即对注液搁置后的电池进行首次充电，形成固体电解质界面膜（ＳＥＩ）的过程。不同的化成工艺形成的ＳＥＩ膜则有所不同，ＳＥＩ膜的形态直接影响单体电池的综合性能，特别是对电池的循环性能影响巨大。传统的小电流预充方式有助于稳定的ＳＥＩ膜形成，然而长时间的小电流或高截止电压充电会导致形成的ＳＥＩ膜阻抗增大，从而影响电池的循环性能、倍率性能等。同时，小电流充电导致的长时间化成工序，会导致生产效率低下，增加锂离子电池的生产成本。此外，研究中发现，化成电压的高低也会影响电池ＳＥＩ膜的形成，因为锂离子电池的化成是一个首次活化过程，随着充电的进行，电池内部电压升高且伴随气体的产生，而一旦产气速率高于注液孔的排气速率，气体就会在电池内部的隔膜间聚集，从而会影响负极表面ＳＥＩ膜的形成。
由此可见，锂离子电池电池在生产流程中，化成作为一道重要的工序，化成的好坏直接影响着电池的性能。化成的过程包括电解液浸润、电池界面活化、电池副反应发生和SEI膜形成等过程，化成方式会通过SEI 膜的生长，对膜对电池性能产生很大影响。传统的小电流化成工艺虽能得到较好的正负极界面，但其工艺繁杂、且耗时较长生产成本较高。如何缩短化成时间，节约生产成本也是锂电池工艺不断研究的方向。
目前，高温高压大电流化成因其能有效的缩短化成时间，提高生产效率，而引起研究人员的广泛关注。对电池施加一定的压力，有利于缩短锂离子的扩散距离，同时能保证电池正负极界面平整、均匀接触，有利于电子的均匀分布；而在化成过程中，施加高温，可以降低电解液的黏度，加速离子的扩散，保证在大电流下，电子与离子迅速结合。然而，若电芯表面压力过小则极片接触不够均匀充分，这与传统的化成方式相同；当电芯表面压力过大时，电极表面的电解液被挤出，离子浓度降低，不利于SEI 膜形成；对于化成温度，当化成温度过低时因采用的化成电流较大，离子速度无法达到与电子匹配的速度，对SEI 膜形成有影响；当化成温度过高时，对电解液和材料及后期性能均有影响。
不同的化成方式，生成的SEI 膜的性能不同，不同的SEI 膜对电池性能影响很大，既包括电性能方面的影响，也包括安全方面的影响，致密而平滑的SEI膜对锂枝晶的生长有较好的抑制作用。锂枝晶是指采用液态电解质的锂电池在充电时，锂离子还原形成的树枝状的金属锂单质。锂枝晶是导致发生安全性问题的最主要原因，在充放电过程中金属锂会在电极表面不均匀沉积，形成锂枝晶，且其不断生长，有可能会刺穿隔膜使电池发生内部短路，导致严重的安全问题。锂枝晶生长机理研究发现，改善锂离子电池负极表面形貌，干扰或抑制锂离子在负极表面定向沉积形成锂枝晶，是一直有效的抑制锂枝晶的方法。通过优化化成方法，在锂离子电池负极表面生产一层致密的光滑的SEI膜，干扰锂在SEI膜表面沉积，是一种很好的抑制锂枝晶生长，提高电池安全性能的方法。
综上所述，化成方式通过SEI 膜的生长对锂离子电池电化学性能和安全性能均有较大影响，在电池生产和应用中具有重要的作用。但目前来看，无论长时间的小电流化成，还是高压高温大电流化成方法都存在工艺和成本等问题，探索合适的化成化成方法，对优化锂离子电池生产工艺流程和提升电池性能都有重要意义。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种锂离子电池靶向化成方法及锂离子电池，旨在解决现有化成方法所需时间长且化成效果差的问题。
一个方面，本发明提出了一种锂离子电池靶向化成方法，包括以下步骤：
步骤1，预先确定锂离子电池在化成过程中产气的电位区间；步骤2，在所述步骤1中确定的产气电位区间内，在预设温度下采用不大于0.2C的电流进行充电；步骤3，静置预设时间后，以不小于0.5C的电流放电至预设电位。
进一步地，上述锂离子电池靶向化成方法中，所述步骤1中，预先采用不大于0.1C的电流对锂离子电池进行充放电循环，并记录所述锂离子电池充放电过程中产气的电位区间。
进一步地，上述锂离子电池靶向化成方法中，所述锂离子电池产气的电位区间为3.38-3.48V。
进一步地，上述锂离子电池靶向化成方法中，所述步骤2中，在0.1C下对所述锂离子电池进行充电。
进一步地，上述锂离子电池靶向化成方法中，所述步骤2中，预设温度为25-45℃。
进一步地，上述锂离子电池靶向化成方法中，所述预设温度为30℃。
进一步地，上述锂离子电池靶向化成方法中，所述步骤2中，在没有气体产生的电位区间，以不小于0.5C的电流进行充电。
进一步地，上述锂离子电池靶向化成方法中，所述步骤3中，静置时间为5-60分钟。
进一步地，上述锂离子电池靶向化成方法中，所述步骤3中，静置时间为10分钟。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明提供的锂离子电池靶向化成方法，通过确定锂离子电池化成过程中产生气体的电位区间，并在产生气体的电位区间进行较小电流的充电，在其他电位区间以较大的电流进行充电；进一步通过控制产气区间的化成温度，有利于在电池负极表面形成致密而平滑的SEI膜，显著提升电池性能的同时大大提高了电池的化成效率，该方法简单易行，可快速应用到生产中。
另一方面，本发明还提出了一种锂离子电池，该锂离子电池中采用上述的锂离子电池靶向化成方法进行化成处理。
本发明锂离子电池采用本发明锂离子电池化成方法成化处理，从而使得本发明锂离子电池循环性和安全性军较好。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的锂离子电池靶向化成方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的锂离子电池靶向化成方法中，充放电过程中气体产生阶段的电位变化示意图；
图3a为化成前没有SEI膜的负极表面的TEM图；
图3b为采用本发明提供的靶向化成法生成的SEI膜负极表面的TEM图；
图3c为采用现有化成法生成的SEI膜负极表面的TEM图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参阅图1，本发明实施例的锂离子电池靶向化成方法包括以下步骤：
步骤S1，预先确定锂离子电池在化成过程中产气的电位区间。
具体而言，由于在锂离子电池在化成过程中，在特定电位区间会发生副反应，产生H2、CH4、CO2和C2H6等气体，同时，伴随SEI膜生产；但并不是整个充电或放电过程都发生产气和SEI膜的生长，因此精准掌握锂离子电池产气和SEI膜生长的电位区间，对相关电位区间进行有效的充放电设置，在保证化成效果的同时能有效提高化成效率。
具体实施时，可以预先采用不大于0.1C的电流对锂离子电池进行充放电循环，并记录所述锂离子电池充放电过程中产气的电位区间。更具体的，可以在较小的充电电流0.1C下预先对锂离子电池进行充放电循环，同时采用气相色谱原位记录锂离子电池充放电过程中气体的产生情况。如图2所示，以磷酸铁锂电池为例，在3.38-3.48V这一电位区间，有气体产生。
步骤S2，在所述步骤1中确定的产气电位区间内，在预设温度下采用不大于0.2C的电流进行充电。
具体而言，由于产生反应对温度比较敏感，因此通过温度来控制产气速率在合理区间。为保障产气反应以正常速率发生，温度不能太低；为了避免因产气反应较快发生，造成SEI膜表面不平滑，温度不能超过45℃。优选的，预设温度为25-45℃，优选为30℃。
具体实施时，在确定产气电位区间后，可以较小的电流，例如0.1C、0.15 C或0.2 C对锂离子电池进行充电。
本实施例中，在没有气体产生的电位区间，以不小于0.5C的电流进行充电，在不影响SEI膜产生的前提下可以加速化成速率。
步骤S3，静置预设时间后，以不小于0.5C的电流放电至预设电位。
具体而言，静置时间为5-60分钟，优选为10分钟。其中，预设电位即为放电的终止电位，其需要根据电池种类确定，比如磷酸铁锂的电池放电终止电位在2.6-2.9V内，钛酸锂终止电位在1.4-1.6V内。
上述显然可以得出，本实施例中提供的锂离子电池靶向化成方法，通过确定锂离子电池化成过程中产生气体的电位区间，并在产生气 体的电位区间进行较小电流的充电，在其他电位区间以较大的电流进行充电；进一步通过控制产气区间的化成温度，有利于在电池负极表面形成致密而平滑的SEI膜，显著提升电池性能的同时大大提高了电池的化成效率，该方法简单易行，可快速应用到生产中。
以下以磷酸铁锂电池的一个具体实例详细说明本发明：
1、确定产气的电位区间3.38-3.48V；
2、靶向化成工步（结合图2）：
（1）0.5 C 恒流充电至3.38 V；
（2）在25-45℃下，以 0.1 C 恒流从3.38 V充电至3.48V；
（3）0.5 C下，从3.48 V恒流充电至3.75 V ；
（4）静置10分钟；
（5）0.5 C下从3.75V 恒流放电至2.8 V。
再结合图3a-3c，可以看出，本发明提供的靶向化成方法得到的SEI膜表面光滑致密，而现有化成方法不但时间长，而且SEI膜表面粗糙，不致密。因此通过本发明化成的电池，电化学性能较好，而且电极表面还具有光滑致密的SEI膜，能有效抑制锂枝晶的生长。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种锂离子电池靶向化成方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，预先采用不大于0.1C的电流对锂离子电池进行充放电循环，并记录所述锂离子电池充放电过程中产气的电位区间，同时采用气相色谱原位记录锂离子电池充放电过程中气体的产生情况； 步骤2，在所述步骤1中确定的产气电位区间内，在预设温度下采用不大于0.2C的电流进行充电，所述预设温度为25-45℃；在没有气体产生的电位区间，以不小于0.5C的电流进行充电； 步骤3，静置预设时间后，以不小于0.5C的电流放电至预设电位。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池靶向化成方法，其特征在于，所述锂离子电池 产气的电位区间为3.38-3.48V。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池靶向化成方法，其特征在于，所述步骤2中，在0.1C下对所述锂离子电池进行充电。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池靶向化成方法，其特征在于，所述预设温度为30℃。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池靶向化成方法，其特征在于，所述步骤3中，静置时间为5-60分钟。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池靶向化成方法，其特征在于，所述步骤3中，静置时间为10分钟。
7.一种锂离子电池，其特征在于：所述锂离子电池经过权利要求1至6中任一项所述的锂离子电池靶向化成方法进行化成处理。
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