CN111725579A - 聚合物软包锂电池负压开口化成装置及其电芯制备工艺 - Google Patents

Abstract

聚合物软包锂电池负压开口化成装置及其电芯制备工艺，属于储能器件制备技术领域，解决电芯制备工艺及装置使用时设备运行时间长，工艺周期长、效率低，真空度低，脱水效果差的技术问题，解决方案为：1、锂电池注液前高真空高温烘烤脱水；2、烘烤后电芯经真空周转箱转移至干燥房或手套箱；3、电芯注液；4、注液后电芯直接转移至真空周转箱中负压放置；5、设置化成工步，启动电源；6、根据工艺设定时间分8个真空保压阶段，工艺完成后真空排气30s结束化成，取出电芯进行热封。随着化成工艺的进行，负极表面形成均匀的SEI膜，分阶段排气可提升设备使用效率，降低能耗，保持电芯内部的稳定，提高电池性能，同时可减少二封工艺，提高效率。

Description

聚合物软包锂电池负压开口化成装置及其电芯制备工艺

技术领域

本发明属于储能器件制备技术领域，具体涉及聚合物软包锂电池负压开口化成装置及其电芯制备工艺。

背景技术

现有技术中，锂电池化成技术有热压化成、负压化成，常规的两种化成方式都是在电池化成前给一定的温度，通过压床压板或抽真空方式给电芯施加压力，用来保持电芯化成过程中内部电极界面稳定，但这种方式也存在显而易见的问题：1、热压化成电池受压为一次性固定压力，而在电池化成过程中持续阶段性产气，封口电芯就会导致铝塑膜鼓包胀气，电极接触松弛，Li离子穿梭通道距离增大，阻力增大，导致SEI膜形成不均匀，从而导致电池充放电过程中Li离子分布的不均匀，导致电池性能变差；2、中国专利CN201711483892公开了一种锂电池负压化成技术，包括采用阶段性提升负压值的方法抽取电池内部空气，其中各阶段负压值的变化呈线性变化。就该专利而言，锂离子电池在实际化成过程中产气量并非呈线性变化，所以线性抽气方式意义不大，并且专利中没有注明电芯是开口化成；3、能量密度与电池综合性能不兼得，顾此失彼，这是现阶段普遍存在的问题：注液量过多导致能量密度下降；注液量过少，极片浸润不充分，电池内阻大，劣化电池性能；4、现阶段化成装置结构复杂，灵活性差，对不同型号电池难以兼容使用，就热压化成机而言，化成过程中若有一块电池异常，产气较严重就会撑开电池压板，导致电池夹具虚接、拉扯极耳，同时也会影响其他正常电池的测试状态；5、锂电池对水分非常敏感，在注液前也会经过烘烤脱水处理，而脱水后还有注液、化成、热封等工艺，电池封口前，电池周转过程中易吸水，导致电池化成中副反应增多，严重影响电池性能；6、现阶段锂电池脱水均使用普通真空泵高温脱水，但普通真空泵、机械真空压力表真空度较低，脱水方式一般为100~120℃，24~48h，-0.08~-0.09MPa真空度，该脱水方式仍存在问题，设备运行时间长，减少设备使用寿命，能耗增加，工艺周期长、效率低，真空度低，脱水效果差。

发明内容

为了克服现有技术的不足，解决电芯制备工艺及装置使用时设备运行时间长，能耗增加，工艺周期长、效率低，真空度低，脱水效果差的技术问题，本发明提供聚合物软包锂电池负压开口化成装置及其电芯制备工艺。

本发明通过以下技术方案予以实现。

聚合物软包锂电池负压开口化成装置，它包括真空周转箱，真空周转箱中设置有周转箱箱体、盖板、隔板和极耳夹具，其中：盖板盖合于周转箱箱体的上方，盖板的一侧边缘与周转箱箱体侧壁铰接，盖板上分别设置有抽真空管道和充气管道，抽真空管道上和充气管道上均设置有通断控制阀门；所述隔板设置于周转箱箱体中，相邻隔板之间形成隔断，周转箱箱体侧壁上与每一隔断位置对应处分别设置有通道灌胶转接头，待化成电芯分别放置于隔板之间的隔断中，每一隔断中分别设置有两个极耳夹具，待化成电芯的正极极耳和负极极耳夹装在对应的极耳夹具上，极耳夹具的一端与设备通道线的一端电性连接，设备通道线的另一端贯穿通道灌胶转接头延伸至周转箱箱体的外部并与检测柜电性连接。

进一步地，所述待化成电芯包括裸电芯、包装膜、正极极耳和负极极耳，包装膜三面封边组成包装袋，包装袋未封边的一侧设置为排气口，裸电芯放置于包装袋中，裸电芯与排气口之间的包装袋内设置有电芯排气通道，正极极耳和负极极耳封装于包装膜的电芯封边中。

进一步地，所述周转箱箱体外壁上设置有电源接头，周转箱箱体与盖板接触位置处设置有密封条。

进一步地，所述盖板上表面上设置有把手。

针对聚合物软包锂电池工艺段，使用上述聚合物软包锂电池负压开口化成装置的电芯制备工艺，包括以下步骤：

S1、注液前烘烤：对完成封装的待化成电芯进行烘烤，烘烤温度为85~110℃，真空度为6~100Pa，烘烤时间为5~10h；

S2、电芯转移：经步骤S1烘烤后的待化成电芯放置于周转箱箱体的隔断中，通过真空周转箱转移至手套箱或干燥间，真空周转箱内真空度至少为-0.02MPa，以保证待化成电芯转移过程中周转箱箱体密封；

S3、电芯注液：待化成电芯中注入电解液，其中注液量应过量，即实际注液量为理论注液量的110%~200%；

S4、真空周转箱：注液后待化成电芯的注液口朝上放置在周转箱箱体内对应的隔断中，周转箱箱体外壁设置的电源接头、设备通道线分别与测试柜连接，每一隔断中放置的待化成电芯的正极极耳与负极极耳分别夹装在对应的极耳夹具上，若干块待化成电芯并排放置，接线通道密封，盖板扣合，周转箱箱体密封，盖板上设置有用于充入氩气或者氮气的充气管道以及用于抽真空的抽真空管道，抽真空管道上和充气管道上均设置有通断控制阀门；

S5、化成：步骤S4中的真空周转箱中抽真空至-0.01~-0.02MPa，保真空，周转箱箱体外部各电池通道线与化成柜各通道接口连接，设置化成程序，启动测试电源运行程序，根据化成程序设定时间，由-0.02至-0.09MPa均分8个真空保压阶段，即每个阶段抽-0.01MPa后真空保压，化成工艺完成后真空排气30s后，结束化成；

S6、热封：待化成电芯电芯经步骤S5化成完成后，根据电芯内电解液余量，对电芯进行补液或排液，即电芯化成后电解液余量过多则排出多余电解液，若电解液量不足，则进行补液，将合格电芯置于真空热封机中进行封口，真空热封后要求电芯外观好，无虚封。

进一步地，在所述步骤S3电芯注液前，裸电芯为叠片或者卷绕的任一种裸电芯成型方式。

进一步地，在所述步骤S3电芯注液时，电芯注液环境应为手套箱或干燥间的一种，其中手套箱内水含量应≤0.1ppm，干燥房露点≤-50℃。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

1、本发明提供的制备工艺及化成阶段使用的装置：包括对电芯进行烘烤、注液、化成、封口及真空周转箱装置，可以保证电芯内部电极水分含量极低、且全工艺段在低湿环境下进行，避免电芯的被污染，缩短脱水烘烤周期，提高生产效率；

2、分阶段排气可提升设备使用效率，降低能耗，保证化成化成过程中电芯内部的稳定性，形成稳定、均匀的SEI膜，改善电池性能；

3、化成后封口可减少二封工艺，提高生产效率，缩短生产周期；

4、与现有工艺相比，可提高电池的一致性和稳定性。

附图说明

图1为聚合物电芯工艺制备流程图；

图2为真空周转箱立体结构示意图；

图3为注液后并处于热封前的电芯结构示意图；

图4为化成结束热封后的成品电芯结构示意图。

图中，1为待化成电芯，2为隔板，3为通道灌胶转接头，4为极耳夹具，5为设备通道线，6为裸电芯，7为正极极耳，8为负极极耳，9为电芯封边，10为电芯排气通道，11为排气口，12为密封条，13为盖板，14为把手，15为真空管道，16为充气管道，17为通断控制阀门，18为周转箱箱体。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

聚合物软包锂电池负压开口化成装置，它包括真空周转箱，真空周转箱中设置有周转箱箱体18、盖板13、隔板2和极耳夹具4，其中：盖板13盖合于周转箱箱体18的上方，盖板13的一侧边缘与周转箱箱体18侧壁铰接，盖板13上分别设置有抽真空管道15和充气管道16，抽真空管道15上和充气管道16上均设置有通断控制阀门17；所述隔板2设置于周转箱箱体18中，相邻隔板2之间形成隔断，周转箱箱体18侧壁上与每一隔断位置对应处分别设置有通道灌胶转接头3，待化成电芯1分别放置于隔板2之间的隔断中，每一隔断中分别设置有两个极耳夹具4，待化成电芯1的正极极耳7和负极极耳8夹装在对应的极耳夹具4上，极耳夹具4的一端与设备通道线5的一端电性连接，设备通道线5的另一端贯穿通道灌胶转接头3延伸至周转箱箱体18的外部并与检测柜电性连接。

进一步地，所述待化成电芯1包括裸电芯6、包装膜、正极极耳7和负极极耳8，包装膜三面封边组成包装袋，包装袋未封边的一侧设置为排气口11，裸电芯6放置于包装袋中，裸电芯6与排气口11之间的包装袋内设置有电芯排气通道10，正极极耳7和负极极耳8封装于包装膜的电芯封边9中。

进一步地，所述周转箱箱体18外壁上设置有电源接头，周转箱箱体18与盖板13接触位置处设置有密封条12。

进一步地，所述盖板13上表面上设置有把手14。

使用聚合物软包锂电池负压开口化成装置的电芯制备工艺，包括以下步骤：

S1、注液前烘烤：对完成封装的待化成电芯1进行烘烤，使用叠片或卷绕工艺制作的裸电芯6，经过极耳焊接、贴胶、封装等一系列工序后得到注液前电芯，电芯经检测合格后置入高真空烤箱进行烘烤，烘烤温度为85℃，真空度保压区间6~100pa，烘烤时间为6h；使用以上工艺烘烤的电芯，可保证电芯注液前电芯总含水量小于200ppm，且设备使用率高，能耗低，比常规烘烤工艺周期缩短60%~80%，提升生产效率；

S2、电芯转移：打开把手14，将电芯放入隔板2之间，合上盖板13，周转箱箱体18密封好，打开真空管道15，使周转箱箱体18内保持真空状态，经步骤S1烘烤后的待化成电芯1放置于周转箱箱体18的隔断中，如图2所示，通过真空周转箱转移至露点≤-50℃的干燥间，真空周转箱内真空度至少为-0.02MPa，以保证待化成电芯1转移过程中周转箱箱体18密封；然后打开充气管道16使真空周转箱泄压，打开盖板13准备进行电芯注液；

S3、电芯注液：待化成电芯1中注入电解液，其中注液量应过量，即实际注液量为理论注液量的110%~200%；在本实施例中电芯正负极极耳、隔膜等所有孔隙体积即电芯理论注液量为5.8ml，实际注液量为8.7ml，注液后电芯注液口朝上静置10min；电芯注液后长时间的静置是为了电解液能够充分的浸润极片，减小电池内阻，提高电池性能，化成过程中SEI膜形成过程中所产气体抵消少量真空，需适时补真空，真空开口化成可使电芯内电极间接触紧密；

S4、真空周转箱：注液后待化成电芯1的注液口朝上放置在周转箱箱体18内对应的隔断中，周转箱箱体18外壁设置的电源接头、设备通道线5分别与测试柜连接，每一隔断中放置的待化成电芯1的正极极耳7与负极极耳8分别夹装在对应的极耳夹具4上，若干块待化成电芯1并排放置，接线通道密封，盖板13扣合，周转箱箱体18密封，盖板13上设置有用于充入氩气或者氮气的充气管道16以及用于抽真空的抽真空管道15，抽真空管道15上和充气管道16上均设置有通断控制阀门17；启动真空泵打开真空管道15控制阀门开度小于1/4，使箱内压力缓慢抽至设定真空值，避免抽速较大电芯内电解液溅到箱内，负压-0.085MPa保持1min，然后关闭抽真空管道15上设置的通断控制阀门17，打开充气管道16上设置的通断控制阀门17，使阀门开度小于1/4，直至箱内负压-0.02MPa，关闭充气管道16上设置的通断控制阀门17，静置10min，然后再启动真空泵打开抽真空管道15上设置的通断控制阀门17，循环3次，最终保持箱内负压-0.02MPa；

S5、化成：步骤S4中的真空周转箱中抽真空至-0.01~-0.02MPa，保真空，周转箱箱体18外部各电池通道线与化成柜各通道接口连接，设置化成程序，启动测试电源运行程序，根据化成程序设定时间，由-0.02至-0.09MPa均分8个真空保压阶段，即每个阶段抽-0.01MPa后真空保压，待化成程序结束后，打开抽真空管道15上设置的通断控制阀门17将箱体内真空度提升至-0.085MPa并连续抽真空1min，之后关掉抽真空管道15上设置的通断控制阀门17，打开充气管道16上设置的通断控制阀门17直至打开箱盖13，结束化成；

S6、热封：待化成电芯1电芯经步骤S5化成完成后，根据电芯内电解液余量，对电芯进行补液或排液，即电芯化成后电解液余量过多则排出多余电解液，若电解液量不足，则进行补液，将合格电芯置于真空热封机中进行封口，真空热封后要求电芯外观好，无虚封。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.聚合物软包锂电池负压开口化成装置，它包括真空周转箱，真空周转箱中设置有周转箱箱体（18）、盖板（13）、隔板（2）和极耳夹具（4），其特征在于：盖板（13）盖合于周转箱箱体（18）的上方，盖板（13）的一侧边缘与周转箱箱体（18）侧壁铰接，盖板（13）上分别设置有抽真空管道（15）和充气管道（16），抽真空管道（15）上和充气管道（16）上均设置有通断控制阀门（17）；所述隔板（2）设置于周转箱箱体（18）中，相邻隔板（2）之间形成隔断，周转箱箱体（18）侧壁上与每一隔断位置对应处分别设置有通道灌胶转接头（3），待化成电芯（1）分别放置于隔板（2）之间的隔断中，每一隔断中分别设置有两个极耳夹具（4），待化成电芯（1）的正极极耳（7）和负极极耳（8）夹装在对应的极耳夹具（4）上，极耳夹具（4）的一端与设备通道线（5）的一端电性连接，设备通道线（5）的另一端贯穿通道灌胶转接头（3）延伸至周转箱箱体（18）的外部并与检测柜电性连接。

2.根据权利要求1所述的聚合物软包锂电池负压开口化成装置，其特征在于：所述待化成电芯（1）包括裸电芯（6）、包装膜、正极极耳（7）和负极极耳（8），包装膜三面封边组成包装袋，包装袋未封边的一侧设置为排气口（11），裸电芯（6）放置于包装袋中，裸电芯（6）与排气口（11）之间的包装袋内设置有电芯排气通道（10），正极极耳（7）和负极极耳（8）封装于包装膜的电芯封边（9）中。

3.根据权利要求1所述的聚合物软包锂电池负压开口化成装置，其特征在于：所述周转箱箱体（18）外壁上设置有电源接头，周转箱箱体（18）与盖板（13）接触位置处设置有密封条（12）。

4.根据权利要求1所述的聚合物软包锂电池负压开口化成装置，其特征在于：所述盖板（13）上表面上设置有把手（14）。

5.使用如权利要求1所述的聚合物软包锂电池负压开口化成装置的电芯制备工艺，其特征在于包括以下步骤：

S1、注液前烘烤：对完成封装的待化成电芯（1）进行烘烤，烘烤温度为85~110℃，真空度为6~100Pa，烘烤时间为5~10h；

S2、电芯转移：经步骤S1烘烤后的待化成电芯（1）放置于周转箱箱体（18）的隔断中，通过真空周转箱转移至手套箱或干燥间，真空周转箱内真空度至少为-0.02MPa，以保证待化成电芯（1）转移过程中周转箱箱体（18）密封；

S3、电芯注液：待化成电芯（1）中注入电解液，其中注液量应过量，即实际注液量为理论注液量的110%~200%；

S4、真空周转箱：注液后待化成电芯（1）的注液口朝上放置在周转箱箱体（18）内对应的隔断中，周转箱箱体（18）外壁设置的电源接头、设备通道线（5）分别与测试柜连接，每一隔断中放置的待化成电芯（1）的正极极耳（7）与负极极耳（8）分别夹装在对应的极耳夹具（4）上，若干块待化成电芯（1）并排放置，接线通道密封，盖板（13）扣合，周转箱箱体（18）密封，盖板（13）上设置有用于充入氩气或者氮气的充气管道（16）以及用于抽真空的抽真空管道（15），抽真空管道（15）上和充气管道（16）上均设置有通断控制阀门（17）；

S5、化成：步骤S4中的真空周转箱中抽真空至-0.01~-0.02MPa，保真空，周转箱箱体（18）外部各电池通道线与化成柜各通道接口连接，设置化成程序，启动测试电源运行程序，根据化成程序设定时间，由-0.02至-0.09MPa均分8个真空保压阶段，即每个阶段抽-0.01MPa后真空保压，化成工艺完成后真空排气30s后，结束化成；

S6、热封：待化成电芯（1）电芯经步骤S5化成完成后，根据电芯内电解液余量，对电芯进行补液或排液，即电芯化成后电解液余量过多则排出多余电解液，若电解液量不足，则进行补液，将合格电芯置于真空热封机中进行封口，真空热封后要求电芯外观好，无虚封。

6.根据权利要求5所述的电芯制备工艺，其特征在于：在所述步骤S3电芯注液前，裸电芯（6）为叠片或者卷绕的任一种裸电芯（6）成型方式。

7.根据权利要求6所述的电芯制备工艺，其特征在于：在所述步骤S3电芯注液时，电芯注液环境应为手套箱或干燥间的一种，其中手套箱内水含量应≤0.1ppm，干燥房露点≤-50℃。

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