CN110707363B - 一种提高软包电芯保液量的方法 - Google Patents

一种提高软包电芯保液量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高软包电芯保液量的方法，包括以下步骤：S1，将注液后的电池放入化成设备中进行化成；S2，化成后，再将电池放入分容设备中进行分容；S3，接着将容量合格的电池进行真空抽气封装。相比于现有技术，本发明将分容阶段与抽气阶段的顺序调换，在化成阶段结束后预先进行分容阶段，如此可以使得电芯经过了多次的充放电，电解液参与了多次的循环，电芯与电解液形成了惯性地循环，保证了极片充分地吸收电解液，有效地解决了软包电芯保液量低的问题，提高了电芯的性能和使用寿命。

Description

一种提高软包电芯保液量的方法
技术领域
本发明涉及软包电池领域，具体涉及一种提高软包电芯保液量的方法。
背景技术
锂离子电池作为一种新型二次电池，具有能量密度和功率密度大、工作电压高、重量轻、体积小、循环寿命长、安全性好、绿色环保等优点，在便携式电器、电动工具、大型贮能、电动交通动力电源等方面具有广阔的应用前景。锂离子电池按形状主要分为圆柱电池、方形电池和软包电池，而圆柱电池和方形电池又称为硬壳电池。相比于硬壳电池，软包电池具有设计灵活、重量更轻、内阻小、不易爆炸、循环次数多和能量密度高等特点，也因此，短期内软包电池将以较高比例占据市场。
软包电池主要包括以下工艺流程：1)搅拌、涂布、辊压、分切；2)制片卷绕；3)铝塑膜成型、卷芯包装；4)顶侧封工序；5)注液、预封工序；6)化成工序；7)二封工序；8)分容等后续工序。由于化成工序中会产生气体，所以二封工序就是抽气然后再次封装。传统的工艺流程同样是按照此流程，即在电芯化成后，静置较短时间后进行抽气封装，然后再进行分容。其中化成就是电池的第一次小电流充电，化成后会形成SEI膜，为使SEI膜稳定，因此化成后一般需要进行静置，不能立即进行放电操作。同时静置也可让极片吸收更多的电解液，但因电池制备效率的考量，静置时间通常都较短，且常规地认为，气体停留时间长对电芯的性能是不利的，也因此，电池短暂静置后就会进行抽真空排气，同时一部分电解液随气体被抽出。
但锂离子电池中的电解液含量对于电池的性能及寿命是有直接影响的，特别是目前的高能量密度电池，由于极片的压实密度较高，使用的隔膜较薄，再加上静置的时间短，化成后立即抽气，严重影响了电解液的浸润吸收，导致电池保液量降低，性能下降。
有鉴于此，确有必要提供一种解决上述问题的技术方案。
发明内容
本发明通过提供一种提高软包电芯保液量的方法，解决现有技术中软包电芯保液量低的问题，提高电芯的性能和使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种提高软包电芯保液量的方法，包括以下步骤：
S1，将注液后的电池放入化成设备中进行化成；
S2，化成后，再将电池放入分容设备中进行分容；
S3，接着将容量合格的电池进行真空抽气封装。
本发明主要采用先分容再抽气封装的方案，在电池进行化成之后，先做分容测试进行多次充放电，如此电解液参与了多次循环，极片可以更加充分地吸收电解液，最后再进行抽气封装。即使最后的抽气封装亦会带走一部分电解液，但相比传统的在化成之后直接进行抽气带走的电解液量大大减少，有效地解决了软包电芯保液量低的问题，最后电池的性能测试结果也表明有效提高了电芯的性能和使用寿命。
优选的，在步骤S1中，所述化成的充电电流为0.01C～2C，充电截止电压为3.8～5.0V，充电截止电流为0.01～0.1C。具体的化成步骤为：先0.01～0.3C恒流充电5～15min；接着0.3～0.7C恒流充电5～15min；再0.7～2C恒流充电20～40min；最后在0.1～0.5C充电5～10min，其中，充电截止电压为3.8～5.0V，充电截止电流为0.01～0.1C，完成化成阶段的电池处于半电状态。本发明采用小电流对电池进行充电，逐步激活电池，使其负极表面形成SEI膜，小电流化成可以使SEI膜的有机成分很快开始形成。形成的SEI膜可以将电极材料与电解液分隔开来，既保证了有机电解液的稳定存在，又不允许电子通过，保证了摇椅式充放电循环的持续进行，同时还阻碍了锂离子的进一步消耗，提高了电池的使用寿命。
优选的，在步骤S1中，所述化成的压力为800～2000kgf；所述化成的温度为60～100℃。本发明采用高温化成，可以加快电化学反应的速度和SEI的生长速度且提高了膜的一致性，但同时配以小电流充电逐步化成，如此不会导致形成的SEI膜疏松不稳定。
优选的，在步骤S2中，所述分容的充电电流为0.01C～5C，充电截止电压为3.8～5.0V，充电截止电流为0.01～0.1C，放电电流为0.1～5C。具体的分容步骤为：先0.01～0.3C恒流充电5～15min；再0.3～0.7C恒流充电5～15min；接着0.7～5C恒流充电20～40min；再以0.1～0.5C充电5～10min至电池满格；最后采用大电流进行放电完成电池的分容过程，其中，充电截止电压为3.8～5.0V，充电截止电流为0.01～0.1C，放电电流为0.1～5C。本发明将分容阶段提前实现，由于化成阶段已形成了稳定SEI膜，此时的分容阶段是预先完成电池的首轮完整充放电过程，使其电解液和极片可以形成一种惯性的循环，提高了极片对电解液的吸收率，当然，分容阶段可以进行多次的充放电，使极片完全适应电解液，有效提高了电芯的保液量。
优选的，在步骤S2中，所述分容的压力为0～3000kgf；所述分容的温度为10～100℃。分容阶段的压力可以为常压或者高压，温度也可以为常温或者高温，此时的电芯已有了充电的基础，压力维持在0～3000kgf，温度维持在10～100℃即可，无需特别控制两者的范围。
优选的，所述抽气封装的真空度为-80～-90kPa。在化成阶段会产气一定量的气体，常规地认为及时地排气有助于保证界面的一致性。而本发明虽将抽气阶段置于分容阶段的后面，却也不会影响界面的一致性，主要是因为分容阶段的电池是处于稳定有序的循环，锂离子的嵌入或脱出保持一种稳定状态，即使电池中存在一些未排出的气体，但由于整体的流动性，却也不会对界面的稳定造成影响。而抽气的真空度保持在-80～-90kPa为佳，可以有效将气体排出，却并不会带走过多的电解液，保证了电解液的稳定性，提高了软包电芯的保液量。
优选的，在步骤S1和/或S2中，提高软包电芯保液量的方法还包括静置阶段。在化成结束之后，需静置电池一段时间，使得形成的SEI膜更加稳定，同时也能使得极片充分吸收电解液，但出于电池生产效率的考量，此静置时间一般较短，而目前极片的压实密度较高，较短时间内极片吸收电解液量也有效。但之后进行的分容过程，实际上也相当于延长了电池的静置时间却不会影响电池的生产效率反而提高了电池的生产效率，在分容之后，对电池再一次的静置，保证了极片充分吸收电解液，此次的静置时间也不会过长。但经过了分容阶段后，电池已进行过多次的充放电，已形成稳定有序的循环，再次的静置并不需要花费很长时间也可以达到使极片充分吸收电解液的效果。
优选的，所述静置阶段的温度为10～90℃，所述静置阶段时间为0.5～48h。更优选的，静置的温度为10～60℃。由于此时电池已形成SEI膜，如保持高温静置，则有可能导致SEI膜热失控，使已形成好的SEI膜外层发生分解，影响SEI膜的性能，进而影响电池的性能和使用寿命。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
1)本发明提供了一种提高软包电芯保液量的方法，包括以下步骤：S1，将注液后的电池放入化成设备中进行化成；S2，化成后，再将电池放入分容设备中进行分容；S3，接着将容量合格的电池进行真空抽气封装。相比于现有技术，本发明将分容阶段与抽气阶段的顺序调换，在化成阶段结束后预先进行分容阶段，如此可以使得电芯经过了多次的充放电，电解液参与了多次的循环，电芯与电解液形成了惯性地循环，保证了极片充分地吸收电解液，有效地解决了软包电芯保液量低的问题，提高了电芯的性能和使用寿命。
2)本发明还包括静置阶段，同时分容阶段也起到了延长电池静置时间的作用，保证了SEI膜形成的稳定性，同时亦不影响电池的生产效率。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式，对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种提高软包电芯保液量的方法，包括以下步骤：
①按照常规的锂离子电池的制造工艺，制得以钴酸锂为正极材料的正极片和以石墨为负极材料的负极片，将正极、负极与隔膜卷绕成电芯，再将电池放于冲压好的铝塑膜壳体内，进行顶封和侧封，真空干燥后，将电解液注入电池内，再将电池进行静置；
②将注液后的电池放入压力化成设备中进行化成；控制压力为1000kgf,温度85℃，先是0.1C恒流充电10min，0.6C恒流充电5min，0.8C恒流充电30min，0.3C充电5min，其中，充电截止电压为3.8～5.0V，充电截止电流为0.01～0.1C，完成化成阶段；接着将电芯静置，静置温度为25℃，静置时间为12h；
③化成后，再将电池放入分容设备中进行分容；控制压力为100kgf,温度25℃，先是0.1C恒流充电10min，0.6C恒流充电5min，0.8C恒流充电30min，0.3C充电5min至电池充满电，最后在3C下放电完全，再给电池补充一部分电量，其中，充电截止电压为3.8～5.0V，充电截止电流为0.01～0.1C，放电电流为0.1～5C完成分容阶段；接着将电芯静置，静置温度为25℃，静置时间为8h；
④接着将容量合格的电池进行真空抽气封装，保证抽气封装的真空度为-80～-90kPa。
实施例2
一种提高软包电芯保液量的方法，包括以下步骤：
①按照常规的锂离子电池的制造工艺，制得以镍钴锰酸锂(镍钴锰三种元素的摩尔比为8:1:1)为正极材料的正极片和以石墨为负极材料的负极片，将正极、负极与隔膜卷绕成电芯，再将电池放于冲压好的铝塑膜壳体内，进行顶封和侧封，真空干燥后，将电解液注入电池内，再将电池进行静置；
②将注液后的电池放入压力化成设备中进行化成；控制压力为800kgf,温度60℃，先是0.05C恒流充电15min，0.3C恒流充电15min，0.7C恒流充电40min，0.5C充电5min，其中，充电截止电压为3.8～5.0V，充电截止电流为0.01～0.1C，完成化成阶段；接着将电芯静置，静置温度为25℃，静置时间为12h；
③化成后，再将电池放入分容设备中进行分容；控制压力为1000kgf,温度25℃，先是0.05C恒流充电15min，0.3C恒流充电15min，0.7C恒流充电40min，0.5C充电5min至电池充满电，最后在4C下放电完全，再给电池补充一部分电量，其中，充电截止电压为3.8～5.0V，充电截止电流为0.01～0.1C，放电电流为0.1～5C完成分容阶段；接着将电芯静置，静置温度为25℃，静置时间为8h；
④接着将容量合格的电池进行真空抽气封装，保证抽气封装的真空度为-90kPa。
实施例3
一种提高软包电芯保液量的方法，包括以下步骤：
①按照常规的锂离子电池的制造工艺，制得以磷酸铁锂为正极材料的正极片和以石墨为负极材料的负极片，将正极、负极与隔膜卷绕成电芯，再将电池放于冲压好的铝塑膜壳体内，进行顶封和侧封，真空干燥后，将电解液注入电池内，再将电池进行静置；
②将注液后的电池放入压力化成设备中进行化成；控制压力为1500kgf,温度100℃，先是0.3C恒流充电5min，0.7C恒流充电5min，1.5C恒流充电20min，0.1C充电10min，其中，充电截止电压为3.8～5.0V，充电截止电流为0.01～0.1C，完成化成阶段；接着将电芯静置，静置温度为25℃，静置时间为12h；
③化成后，再将电池放入分容设备中进行分容；控制压力为3000kgf,温度25℃，先是0.3C恒流充电5min，0.7C恒流充电5min，1.5C恒流充电20min，0.1C充电10min至电池充满电，最后在4C下放电完全，再给电池补充一部分电量，其中，充电截止电压为3.8～5.0V，充电截止电流为0.01～0.1C，放电电流为0.1～5C完成分容阶段；接着将电芯静置，静置温度为25℃，静置时间为8h；
④接着将容量合格的电池进行真空抽气封装，保证抽气封装的真空度为-80kPa。
对比例1
与实施例1不同的是抽气的顺序，在完成电池的化成阶段后，先进行抽气封装，最后再进行分容阶段。
其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例2
与实施例2不同的是抽气的顺序，在完成电池的化成阶段后，先进行抽气封装，最后再进行分容阶段。
其余同实施例2，这里不再赘述。
对比例3
与实施例3不同的是抽气的顺序，在完成电池的化成阶段后，先进行抽气封装，最后再进行分容阶段。
其余同实施例3，这里不再赘述。
分别对实施例1～3和对比例1～3所制得的同一批次锂电池在相同条件下进行首次效率、能量密度和循环性能测试。测试结果见表1。
表1锂电池的性能测试结果
编号 初始容量 保液量 800周循环容量保持率(％)
实施例1 2758 6.8 90
实施例2 3942 7.3 85
实施例3 5414 12.2 77
对比例1 2761 4.3 83
对比例2 3948 5.9 79
对比例3 5213 9.6 70
从实施例1与对比例1、实施例2与对比例2、实施例3与对比例3的对比中都可以看出，不管是小容量电池或是大容量电池，或是不同材料的锂电池，或是化成或分容中电流电压的不同，在将分容步骤提前之后，锂电池的保液量和800周循环容量保持率都有所上升，证明了改变常规步骤后制备的电池，其性能非但没有下降反而有所上升。本实验结果打破了常规的思维偏见，认为化成停留的气体会影响界面的一致性进而影响电池性能，本发明通过将分容阶段与抽气封装调换顺序，相比于现有技术，经过分容阶段的多次充放电，使得极片可以充分吸收电解液，提高了软包电芯的保液量，进而提高了电芯的性能和使用寿命。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (7)

1.一种提高软包电芯保液量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将注液后的电池放入化成设备中进行化成；
S2，化成后，再将电池放入分容设备中进行分容，分容步骤包括：
以0 .01～0.3C恒流充电5～15min；
以0 .3～0 .7C恒流充电5～15min；
以0 .7～5C恒流充电20～40min；
以0 .1～0 .5C充电5～10min至电池满格，然后以电流为0.1~5C进行放电；
S3，接着将容量合格的电池进行真空抽气封装。
2.根据权利要求1所述的一种提高软包电芯保液量的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述化成的充电电流为0.01C~2C，充电截止电压为3.8~5.0V，充电截止电流为0.01~0.1C。
3.根据权利要求1所述的一种提高软包电芯保液量的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述化成的压力为800~2000kgf；所述化成的温度为60~100℃。
4.根据权利要求1所述的一种提高软包电芯保液量的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述分容的压力为0~3000kgf；所述分容的温度为10~100℃。
5.根据权利要求1所述的一种提高软包电芯保液量的方法，其特征在于，所述抽气封装的真空度为-80~-90kPa。
6.根据权利要求1所述的一种提高软包电芯保液量的方法，其特征在于，在步骤S1和/或S2中，还包括静置阶段。
7.根据权利要求6所述的一种提高软包电芯保液量的方法，其特征在于，所述静置阶段的温度为10~90℃，所述静置阶段时间为0.5~48h。
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