CN110994056A - 一种大容量磷酸铁锂电池化成激活工艺 - Google Patents

一种大容量磷酸铁锂电池化成激活工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大容量磷酸铁锂电池化成激活工艺,包括以下步骤:对陈化后的电池施加压力,使电池内部电压保持正压,直至电压达到3.2V;使电池内部电压转为负压直至荷电量达到电池设计容量的30%‑35%;重复正压和负压的过程,直至化成电池电压至3.65V‑3.85V结束。本发明的化成激活工艺可以使得在化成过程中产生的气体及时排出,保证电池的首充效率和电性能。

Description

一种大容量磷酸铁锂电池化成激活工艺
技术领域
本发明属于锂电池领域,具体涉及一种大容量磷酸铁锂电池化成激活工艺。
背景技术
随着工业的发达,能源消耗量的快速增长,污染也越来越严重,PM2.5成为了热门话题,越来越多的人们开始关注空气中污染物对健康的危害,“新能源汽车”“绿色交通”等字眼成为焦点,磷酸铁锂具有无毒、无污染、安全性能好、原材料来源广泛、价格便宜,寿命长等优点,成为了新一代锂离子电池的理想正极材料。目前市场上需求的都是高电压、高容量的新能源系统,而磷酸铁锂电池的额定电压只有3.2V左右,所以只能通过用多个单体电池先并后串或者先串后并来达到此要求。但在使用过程中,单体电池数量越多产生的外在问题越多,比如连接问题、短板效应问题、管理系统监测难问题等等,由于以上原因大容量磷酸铁锂电池成为大家研发生产的主要方向。
现有的大容量磷酸铁锂化成工艺一般都是针对常规小型锂电池在微负压下进行恒功率或恒流充电化成激活。但大容量磷酸铁锂电池相对小容量磷酸铁锂电池内部极片尺寸大、层数多,化成过程中产生的气体很难在常规的微负压下排出,造成SEI膜形成不致密,影响首充效率和后续的电性能且稳定期较长。
众所周知充放电都是通过锂离子在负极嵌脱过程而完成的,由于锂离子的嵌入过程必然经由覆盖在碳负极上的SEI膜,因此SEI膜的好坏成了锂电池的最关键影响因素之一,而SEI膜是在电池化成的首次充放电时形成,所以一个合适的化成工艺,不但能充分激活电池内的活性物质还能提高电池的性能。
发明内容
有鉴于此,本发明有必要提供一种大容量磷酸铁锂电池化成激活工艺,通在化成过程中根据充电的副反应及SEI膜形成原理通过阶段式的正负压交替,将化成过程中产生的气体及时排出,保证了电池的首充效率和电性能,解决了现有技术中存在的由于化成过程中产生的气体很难在常规的微负压下排出,造成SEI膜形成不致密,影响首充效率和后续的电性能且稳定性的技术问题。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
本发明公开了一种大容量磷酸铁锂电池化成激活工艺,包括以下步骤:
a、对陈化后的电池施加压力,使电池内部电压保持正压,同时在正压状态下对电池充电至内部电压达到3.2V;
b、抽真空使电池内部电压转为负压,保持所述负压状态继续对电池进行充电直至荷电量达到电池设计容量的30%-35%;
c、对电池内部加高纯惰性气体或氮气使电池内部电压转为正压状态继续充电,并保持正压30s-120s后,抽真空使电池内部电压转为负压状态,并保持负压,其中,所述高纯惰性气体或氮气的纯度大于99.99%;
d、继续充电,电池荷电量每增加5%-8%时重复步骤c,直至化成电池电压至3.65V-3.85V结束。
需要说明的是,这里的化成激活工艺仅仅是磷酸铁锂电池化成激活工艺中的激活步骤,激活工艺后的步骤均与现有的化成工艺相同,因此,这里不再详细赘述。此外,步骤a中电池的陈化为本领域常规的陈化工艺,因此,这里不再进行限定,在本发明的一些实施方式中,陈化的具体操作为:在干燥室内往电池安全排气口上装一带PP气管的球阀,然后关闭球阀,把电池放在35℃-45℃的恒温箱内进行陈化一段时间。
进一步的,所述化成激活工艺中,所述的正压在0.005MPa-0.03MPa。
进一步的,当电池保持所述正压状态时,电池的外壳形变量不超过8%。
进一步的,所述化成激活工艺中,所述负压小于-0.2MPa。
进一步的,所述化成激活工艺过程中,充电电流≤0.3C。
进一步的,所述电池为以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池,单个电芯容量80Ah-200Ah,外部无并联。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明通过在化成过程中根据充电的副反应及SEI膜形成原理通过阶段式的正负压交替,使其产生的气体及时排出但又不会带出过多的电解液防止了在老化过程中SEI膜的多次形成造成循环寿命的衰减,减少了SEI膜的溶解破坏,增强其稳定性,同时减少SEI膜形成过程中锂离子的损失,提高了首充效率及电性能
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面将结合具体的实施例对本发明进行更全面的描述。但是,本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施方式。相反地,提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的,不是旨在于限制本发明。
以下实施例中所述的大容量磷酸铁锂电池:正极为磷酸铁锂,集流体为铝箔、负极为石墨集流体为铜箔、隔膜为PE/PP/PE三层复合膜、电解液为LIPF6,流程为搅拌-涂布-制片-叠片-注液-化成激活-分容。
实施例1
本实施例中的大容量磷酸铁锂为前述常规制作流程制成的200Ah电池,经电池注液后,首先,在干燥室内往电池安全排气口上装一带PP气管的球阀,然后关闭球阀,把电池放在35℃-45℃的恒温箱内进行陈化48h。
然后对陈化后的电池进行化成激活,具体步骤如下:
a、把陈化后的电池放在恒温25℃-30℃的化成房内接上压力装换装置使电池内部保持0.015MPa的正压同时进行0.1C化成充电,用0.1C恒流充电至3.2V时;
b、利用压力装换装置抽真空使电池内部电压转为-0.15MPa负压,并继续0.1C恒流充电至电池荷电量达到电池设计容量的30%;;
c、利用压力装换装置对电池加高纯氮气(纯度>99.99%)使电池内部电压转为0.015MPa的正压继续充电,并保持正压90s后,然后用0.2C恒流充电且利用压力装换装置抽真空使电池内部转为-0.15MPa负压同时以0.2C恒流继续充电;
d、充电过程中,电池荷电量每增加设计容量的8%时,重复步骤c,直至电池电压达到3.75V,完成化成激活工艺。
然后再用3.75V恒压充电,截止电流为0.03C,搁置20min后用额定功率的15%放电至3.1V,转用恒流0.05C放电至2.0V,搁置20min后用0.1C恒流充电至额定容量的40%,完成整个化成工艺。
对化成后的电池进行相关性能检测,结果见表1。
实施例2
本实施例中的大容量磷酸铁锂为前述常规制作流程制成的200Ah电池,经电池注液后,首先,在干燥室内往电池安全排气口上装一带PP气管的球阀,然后关闭球阀,把电池放在35℃-45℃的恒温箱内进行陈化48h。
然后对陈化后的电池进行化成激活,具体步骤如下:
a、把陈化后的电池放在恒温25℃-30℃的化成房内接上压力装换装置使电池内部保持0.02MPa的正压同时进行0.15C化成充电,用0.15C恒流充电至3.2V时;
b、利用压力装换装置抽真空使电池内部电压转为-0.18MPa负压,并继续0.15C恒流充电至电池荷电量达到电池设计容量的30%;;
c、利用压力装换装置对电池加高纯氮气(纯度>99.99%)使电池内部电压转为0.02MPa的正压继续充电,并保持正压60s后,然后用0.2C恒流充电且利用压力装换装置抽真空使电池内部转为-0.18MPa负压同时以0.2C恒流继续充电;
d、充电过程中,电池荷电量每增加设计容量的6%时,重复步骤c,直至电池电压达到3.75V,完成化成激活工艺。
然后再用3.75V恒压充电,截止电流为0.03C,搁置20min后用额定功率的15%放电至3.1V,转用恒流0.05C放电至2.0V,搁置20min后用0.1C恒流充电至额定容量的40%,完成整个化成工艺。
对化成后的电池进行相关性能检测,结果见表1。
实施例3
本实施例中的大容量磷酸铁锂为前述常规制作流程制成的200Ah电池,经电池注液后,首先,在干燥室内往电池安全排气口上装一带PP气管的球阀,然后关闭球阀,把电池放在35℃-45℃的恒温箱内进行陈化48h。
然后对陈化后的电池进行化成激活,具体步骤如下:
a、把陈化后的电池放在恒温25℃-30℃的化成房内接上压力装换装置使电池内部保持0.01MPa的正压同时进行0.2C化成充电,用0.2C恒流充电至3.2V时;
b、利用压力装换装置抽真空使电池内部电压转为-0.1MPa负压,并继续0.2C恒流充电至电池荷电量达到电池设计容量的32%;;
c、利用压力装换装置对电池加高纯氮气(纯度>99.99%)使电池内部电压转为0.01MPa的正压继续充电,并保持正压60s后,然后用0.15C恒流充电且利用压力装换装置抽真空使电池内部转为-0.1MPa负压同时以0.15C恒流继续充电;
d、充电过程中,电池荷电量每增加设计容量的7%时,重复步骤c,直至电池电压达到3.8V,完成化成激活工艺。
然后再用3.8V恒压充电,截止电流为0.03C,搁置20min后用额定功率的15%放电至3.1V,转用恒流0.05C放电至2.0V,搁置20min后用0.1C恒流充电至额定容量的40%,完成整个化成工艺。
对化成后的电池进行相关性能检测,结果见表1。
实施例4
本实施例中的大容量磷酸铁锂为前述常规制作流程制成的80Ah电池,经电池注液后,首先,在干燥室内往电池安全排气口上装一带PP气管的球阀,然后关闭球阀,把电池放在35℃-45℃的恒温箱内进行陈化48h。
然后对陈化后的电池进行化成激活,具体步骤如下:
a、把陈化后的电池放在恒温25℃-30℃的化成房内接上压力装换装置使电池内部保持0.005MPa的正压同时进行0.2C化成充电,用0.2C恒流充电至3.2V时;
b、利用压力装换装置抽真空使电池内部电压转为-0.3MPa负压,并继续0.2C恒流充电至电池荷电量达到电池设计容量的35%;;
c、利用压力装换装置对电池加高纯氦气(纯度>99.99%)使电池内部电压转为0.005MPa的正压继续充电,并保持正压30s后,然后用0.2C恒流充电且利用压力装换装置抽真空使电池内部转为-0.3MPa负压同时以0.2C恒流继续充电;
d、充电过程中,电池荷电量每增加设计容量的5%时,重复步骤c,直至电池电压达到3.75V,完成化成激活工艺。
然后再用3.75V恒压充电,截止电流为0.03C,搁置20min后用额定功率的15%放电至3.1V,转用恒流0.05C放电至2.0V,搁置20min后用0.1C恒流充电至额定容量的40%,完成整个化成工艺。
实施例5
本实施例中的大容量磷酸铁锂为前述常规制作流程制成的100Ah电池,经电池注液后,首先,在干燥室内往电池安全排气口上装一带PP气管的球阀,然后关闭球阀,把电池放在35℃-45℃的恒温箱内进行陈化48h。
然后对陈化后的电池进行化成激活,具体步骤如下:
a、把陈化后的电池放在恒温25℃-30℃的化成房内接上压力装换装置使电池内部保持0.03MPa的正压同时进行0.1C化成充电,用0.1C恒流充电至3.2V时;
b、利用压力装换装置抽真空使电池内部电压转为-0.3MPa负压,并继续0.1C恒流充电至电池荷电量达到电池设计容量的30%;;
c、利用压力装换装置对电池加高纯氦气(纯度>99.99%)使电池内部电压转为0.03MPa的正压继续充电,并保持正压120s后,然后用0.1C恒流充电且利用压力装换装置抽真空使电池内部转为-0.3MPa负压同时以0.1C恒流继续充电;
d、充电过程中,电池荷电量每增加设计容量的8%时,重复步骤c,直至电池电压达到3.75V,完成化成激活工艺。
然后再用3.75V恒压充电,截止电流为0.03C,搁置20min后用额定功率的15%放电至3.1V,转用恒流0.05C放电至2.0V,搁置20min后用0.1C恒流充电至额定容量的40%,完成整个化成工艺。
对比例1
本实施例中的大容量磷酸铁锂为前述常规制作流程制成的200Ah电池,经电池注液后,首先,在干燥室内往电池安全排气口上装一带PP气管的球阀,然后关闭球阀,把电池放在35℃-45℃的恒温箱内进行陈化48h。
然后对陈化后的电池进行化成激活,具体步骤如下:
a、把陈化后的电池放在常温的房间内接上真空装置使内部保持-0.3MPa~-0.1MPa的微负压进行化成充放电;
b、用0.15C恒流充电至3.8V,用3.8V恒压充电至截止电流0.03C,搁置20min后用额定功率的15%放电至3.1V,转用恒流0.05C放电至2.0V,搁置20min后用0.1C恒流充电至额定容量的40%完成整个化成工艺。
对化成后的电池进行相关性能检测,结果见表1。
表1实施例1-3和对比例1中的化成工艺后的电池性能检测
电池性能 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1
首充效率 92.3% 92.6% 92.5% 90.3%
正极克容量(mAh/g) 146.3 146.9 146.7 141.4
300次容量保持率(%) 96.52% 96.63% 96.78% 94.75%
600次容量保持率(%) 94.14% 94.09% 94.41% 92.75%
注:表1中的检测方法为:
(1)记录化成首次充放电效率;
(2)40℃老化10天后分容,先用0.5C恒流充电至3.65V转3.65V恒压充电,截止电流为0.05C,搁置20min后用0.5C恒流放电至2.5V,搁置20min后用0.5C恒流充电至3.65V转3.65V恒压充电,截止电流为0.05C,搁置20min后用0.5C恒流放电1h。正极克容量以分容实际放电容量推算;
(3)用0.5C做充放电循环测试,恒流充电截止电压为3.65V、恒压充电截止电流为0.05C、恒流放电截止电压为2.5V、充放电一次间隔为20min。
由表1中的数据可以看出,采用本发明的大容量磷酸铁锂的化成激活工艺的电池,与对比例的电池相比,首充效率及正极克容量有所提高且循环寿命长,这说明采用本发明的化成激活工艺,使生成的气体及时排出但又不会带出过多的电解液防止了在老化过程中SEI膜的多次形成造成循环寿命的衰减,减少了SEI膜的溶解破坏,增强其稳定性,同时减少SEI膜形成过程中锂离子的损失,从而提高了电池的首充效率及电性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种大容量磷酸铁锂电池化成激活工艺,其特征在于,包括以下步骤:
a、对陈化后的电池施加压力,使电池内部电压保持正压,同时在正压状态下对电池充电至内部电压达到3.2V;
b、抽真空使电池内部电压转为负压,保持所述负压状态继续对电池进行充电直至荷电量达到电池设计容量的30%-35%;
c、对电池内部加高纯惰性气体或氮气使电池内部电压转为正压状态继续充电,并保持正压30s-120s后,抽真空使电池内部电压转为负压状态,并保持负压,其中,所述高纯惰性气体或氮气的纯度大于99.99%;
d、继续充电,电池荷电量每增加5%-8%时重复步骤c,直至化成电池电压至3.65V-3.85V结束。
2.如权利要求1所述的大容量磷酸铁锂电池化成激活工艺,其特征在于,所述化成激活工艺中,所述的正压在0.005MPa-0.03MPa。
3.如权利要求1所述的大容量磷酸铁锂电池化成激活工艺,其特征在于,当电池保持所述正压状态时,电池的外壳形变量不超过8%。
4.如权利要求1所述的大容量磷酸铁锂电池化成激活工艺,其特征在于,所述化成激活工艺中,所述负压小于-0.2 MPa。
5.如权利要求1所述的大容量磷酸铁锂电池化成激活工艺,其特征在于,所述化成激活工艺过程中,充电电流≤0.3C。
6.如权利要求1所述的大容量磷酸铁锂电池化成激活工艺,其特征在于,所述电池为以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池,单个电芯容量80Ah-200Ah,外部无并联。
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