CN111934039A - 一种锂离子电池的化成工艺 - Google Patents

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Abstract

一种锂离子电池的化成工艺，包括以下步骤：A.将注液预封口后的锂离子电池电芯在35‑85℃的环境下静置，静置时间为4‑72h；B.将静置后的电芯采用高温夹具夹紧，进行充放电，环境温度为35‑85℃，夹具压力为0.1‑1MPa；C.将充放电后的电芯在35‑85℃的环境下静置，静置时间为4‑72小时；D.将电芯进行真空抽气封口。本发明的化成工艺可提升制备的锂离子电芯的一致性，改善电芯的循环性能，可大幅提升电芯的模组成组率，降低电芯的制造成本。

Description

一种锂离子电池的化成工艺
技术领域
本发明涉及锂离子电池制备技术领域，具体涉及一种锂离子电池化成工艺。
背景技术
化成工序是锂离子电池制造过程中的重要环节。化成过程中，负极表面形成固态电解质(Solid Electrolyte Interface，简称SEI)膜，并在负极表面稳定化。SEI膜的成膜效果和稳定性对电芯的容量和循环寿命有很大的影响。
常规的化成工艺是将注液预封口后的电池静置一段时间后进行充放电，形成SEI膜，再静置一段时间，实现SEI膜的稳定化。在现有的工艺中，在充放电过程中给电池施加一个压力，排出电芯充放电过程中产生的气体，以形成均匀的SEI膜。但充放电前电解液的浸润性和充放电后电池的静置，对SEI膜的致密性和稳定性影响很大。随着电池能量密度的增大，正负极活性物质的涂覆量增大，即使延长充放电前和充放电的静置时间，也无法保证电解液的浸润性和SEI膜的稳定性和致密性。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明提供了一种锂离子电池化成工艺，采用该工艺制作的锂电池，可以提升成品电池的容量一致性，改善电池的循环性能。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种锂离子电池的化成工艺，该工艺包括以下步骤：
A.将注液预封口后的锂离子电池电芯在35-85℃的环境下静置，静置时间为4-72h；
B.将静置后的电芯用高温夹具夹紧，进行充放电，环境温度为35-85℃，夹具压力为0.1-1.0MPa；
C.将充放电后的电芯在35-85℃的环境下静置，静置时间为4-72小时；
D.将电芯进行真空抽气封口。
如上所述的化成工艺，优选地，所述工艺包括以下步骤：
A.将注液预封口后的锂离子电池电芯在40-50℃的环境下静置，静置时间为24-48h；
B.将静置后的电芯采用高温夹具夹紧，进行充放电，环境温度为35-55℃，夹具压力为0.1-1.0MPa；
C.将充放电后的电芯在40-50℃的环境下静置，静置时间为12-36小时；
D.将电芯进行真空抽气封口。
如上所述的化成工艺，优选地，所述步骤A的具体操作如下：
a.电芯静置0-4小时后采用夹具夹紧，夹具压力为0.1-1.0MPa，时间为0.1-120分钟；
b.松开夹具，电芯常压静置1-240分钟；
c.重复步骤a和b，直到电芯静置时间达到时间阈值。
如上所述的化成工艺，优选地，所述步骤A的具体操作如下：
a.电芯静置0-4小时后采用夹具夹紧，夹具压力为0.1-1.0MPa，时间为3-60分钟；
b.松开夹具，电芯常压静置3-60分钟；
c.重复步骤a和b，直到电芯静置时间达到时间阈值。
如上所述的化成工艺，优选地，所述步骤B中，对于片状电芯，高温夹具的两个夹板分别夹持电芯两侧的最大表面，施力方向是垂直于电芯表面向电芯内部均匀施加压力。
如上所述的化成工艺，优选地，所述步骤B中，用高温夹具夹紧的电芯按以下工步进行充放电：
0.02-0.05C的小电流充电至3.2-3.6V，
0.1-0.5C电流恒流充电至3.6-4.0V，
0.2-1.0C恒流充电至4.1-4.3V，
0.5-1.0C放电至3.2-3.6V。
如上所述的化成工艺，优选地，所述步骤C的具体操作如下：
a.电芯采用夹具夹紧，夹具压力为50-5000kgf，时间为＞0-120分钟；
b.松开夹具，电芯常压静置0.5-10分钟；
c.重复a和b，直到电芯静置时间达到时间阈值。
如上所述的化成工艺，优选地，所述步骤a中夹具压力为0.1-1.0MPa，时间为3-60分钟。
如上所述的化成工艺，优选地，所述步骤D中真空度≤-90kpa。
另一方面，本发明提供一种锂离子电池，其是采用如上所述方法制备的。
本发明的有益效果在于以下几个方面：
(1)本发明锂离子电池的化成工艺中，步骤A在高温环境下静置，可缩短电解液的浸润时间。
(2)步骤A的静置过程中采用夹具进行间断地施加压力，可有效排出电芯内部的气体，加速电解液的浸润速度，改善浸润效果。
(3)步骤B在高温环境下进行充放电，有助于提升SEI膜的成膜均匀性。
(4)步骤B中采用夹具对电芯施加压力，可缩短锂离子在正负极活性物质之间传输的距离，提升SEI膜的成膜速率和成膜效果。
(5)步骤B中的充放电工步，第一步采用小电流充电，促使电芯在首次充电过程中，电解液分解产气，SEI膜成膜；第二步和第三步的充电，促使SEI膜成膜致密，电芯副反应产气；第四步电芯放电，促进SEI膜成膜稳定化。
(6)步骤C在高温环境下静置，通过夹具施加压力，加速电芯内部副反应的发生和SEI膜的稳定化，间断的松开夹具，可促使电芯内部气体释放，改善电芯的容量一致性。
(7)本发明提供的化成工艺可提升制备的锂离子电芯的一致性，改善电芯的循环性能，可大幅提升电芯的模组成组率，降低电芯的制造成本。
附图说明
图1为夹具对电芯施加夹持力的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
以下实施例和比较例中使用的锂离子电池电芯为：设计容量为51Ah，电芯正极为三元材料，负极是石墨。注液预封口后的锂离子电池由正极片、负极片、隔膜、电解液、外接正负极极耳、电芯外包装膜组成。
实施例1制备锂离子电池(一)
A.取5只注液预封口后的锂电池电芯在45℃的环境下静置：
1)静置2小时；
2)采用夹具夹紧电芯，夹持方式如图1所示，夹板101、102对电芯2的两个表面施加压力，箭头指向为施力方向，夹具压力为0.2MPa，时间为5分钟；
3)松开夹具，电芯常压静置60分钟；
4)重复步骤2)和3)30次；
B.将静置后的电芯在45℃环境下采用夹具夹紧，进行充放电，夹具压力为0.2MPa：
1)0.02C电流充电至3.2V；
2)0.1C电流恒流充电至3.6V；
3)0.2C恒流充电至4.2V；
4)0.5C放电至3.6V。
C.将充放电后的电芯在45℃的环境下静置：
1)电芯采用夹具夹紧，夹具压力为0.2MPa，时间为60分钟；
2)松开夹具，电芯常压静置5分钟；
3)重复1)和2)20次。
D.将电芯进行真空抽气封口，真空度为-80kpa。
实施例2制备锂离子电池(二)
A.取5只注液预封口后的锂电池电芯在45℃的环境下静置：
1)静置2小时；
2)采用夹具夹紧电芯，夹持方式如图1所示，对电池的两个表面施加压力，夹具压力为0.3MPa，时间为5分钟；
3)松开夹具，电芯常压静置60分钟；
4)重复步骤2)和3)30次；
B.将静置后的电芯在45℃环境下采用夹具夹紧，进行充放电，夹具压力为0.3MPa：
1)0.02C电流充电至3.2V；
2)0.1C电流恒流充电至3.6V；
3)0.2C恒流充电至4.2V；
4)0.5C放电至3.6V。
C.将充放电后的电芯在45℃的环境下静置：
1)电芯采用夹具夹紧，夹具压力为0.3MPa，时间为60分钟；
2)松开夹具，电芯常压静置5分钟；
3)重复1)和2)20次。
D.将电芯进行真空抽气封口，真空度为-80kpa。
实施例3制备锂离子电池(三)
A.取5只注液预封口后的锂电池电芯在40℃的环境下静置：
1)静置2小时；
2)采用夹具夹紧电芯，夹持方式如图1所示，对电池的两个表面施加压力，夹具压力为0.4MPa，时间为5分钟；
3)松开夹具，电芯常压静置60分钟；
4)重复步骤2)和3)30次；
B.将静置后的电芯在40℃环境下采用夹具夹紧，进行充放电，夹具压力为0.4MPa：
1)0.02C电流充电至3.2V；
2)0.1C电流恒流充电至3.6V；
3)0.2C恒流充电至4.2V；
4)0.5C放电至3.6V。
C.将充放电后的电芯在40℃的环境下静置：
1)电芯采用夹具夹紧，夹具压力为0.4MPa，时间为60分钟；
2)松开夹具，电芯常压静置5分钟；
3)重复1)和2)20次。
D.将电芯进行真空抽气封口，真空度为-80kpa。
比较例1
A、取5只注液预封口后的电芯，在45℃的环境下静置，不施加压力，静置时间与实施例1的步骤A相同；
B、静置后的电芯，采用与实施例1步骤B相同的环境温度和充放电工步进行充放电，只是不对电芯施加压力；
C、充放电后的电芯，与实施例1步骤C采用相同的环境温度和时间进行静置，只是不对电芯施加压力；
D、将电芯进行真空抽气封口。
比较例2
A、取5只注液预封口后的电芯，在45℃的环境下静置，不施加压力，静置时间与实施例1的步骤A相同；
B、静置后的电芯采用与实施例1步骤B相同的充放电工步进行充放电；
C、充放电后的电芯，采用与实施例1步骤C相同的环境温度和时间进行静置，只是不对电芯施加压力；
D、将电芯进行真空抽气封口。
比较例3
A、取5只注液预封口后的电芯，在45℃的环境下静置，不施加压力，静置时间与实施例1的步骤A相同；
B、静置后的电芯，采用与实施例1步骤B相同的充放电工步进行充放电；
C、充放电后的电芯，采用与实施例1步骤C相同的条件进行静置；
D、将电芯进行真空抽气封口。
比较例4
制备锂离子电池的步骤与实施例1相同，只是全部过程在室温下进行。
实验例1容量测试
将实施例和对比例的电芯分别进行容量测试，容量测试结果如下(单位：Ah)：
表1
电芯编号 实施例1 实施例2 实施例3 比较例1 比较例2 比较例3 比较例4
1# 52.235 52.404 52.274 50.29 51.392 52.08 51.574
2# 52.413 52.487 52.226 51.503 50.652 51.784 51.589
3# 52.346 52.39 52.201 50.437 51.49 51.918 51.615
4# 52.364 52.323 52.196 51.055 51.017 51.536 51.263
5# 52.402 52.411 52.322 50.392 51.541 51.73 51.267
最大值 52.413 52.487 52.322 51.503 51.541 52.08 51.615
最小值 52.235 52.323 52.196 50.29 50.652 51.536 51.263
极差 0.178 0.164 0.126 1.213 0.889 0.544 0.352
由上表数据可以看出，实施例1-3的电池具有较高的容量，并且容量一致性最好。
实验例2循环性能测试
将实施例和对比例的电芯分别选取1只进行常温循环性能测试，常温循环性能测试结果如下：
表2
容量保持率 实施例1 实施例2 实施例3 比较例1 比较例2 比较例3 比较例4
第1周 100％ 100％ 100％ 100％ 100％ 100％ 100％
第200周 98.52％ 98.88％ 98.31％ 97.84％ 98.04％ 98.13％ 98.07％
第400周 96.84％ 96.96％ 96.65％ 95.57％ 95.46％ 95.89％ 95.64％
第600周 95.43％ 95.93％ 95.46％ 93.08％ 93.67％ 93.94％ 93.72％
由上表数据可以看出，实施例1-3的电池具有较好的循环性能。

Claims (10)

1.一种锂离子电池的化成工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
A.将注液预封口后的锂离子电池电芯在35-85℃的环境下静置，静置时间为4-72h；
B.将静置后的电芯用高温夹具夹紧，进行充放电，环境温度为35-85℃，夹具压力为0.1-1.0MPa；
C.将充放电后的电芯在35-85℃的环境下静置，静置时间为4-72小时；
D.将电芯进行真空抽气封口。
2.如权利要求1所述的化成工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：
A.将注液预封口后的锂离子电池电芯在40-50℃的环境下静置，静置时间为24-48h；
B.将静置后的电芯采用高温夹具夹紧，进行充放电，环境温度为35-55℃，夹具压力为0.1-1.0MPa；
C.将充放电后的电芯在40-50℃的环境下静置，静置时间为12-36小时；
D.将电芯进行真空抽气封口。
3.如权利要求1或2所述的化成工艺，其特征在于，所述步骤A的具体操作如下：
a.电芯静置0-4小时后采用夹具夹紧，夹具压力为0.1-1.0MPa，时间为0.1-120分钟；
b.松开夹具，电芯常压静置1-240分钟；
c.重复步骤a和b，直到电芯静置时间达到时间阈值。
4.如权利要求3所述的化成工艺，其特征在于，所述步骤A的具体操作如下：
a.电芯静置0-4小时后采用夹具夹紧，夹具压力为0.1-1.0MPa，时间为3-60分钟；
b.松开夹具，电芯常压静置3-60分钟；
c.重复步骤a和b，直到电芯静置时间达到时间阈值。
5.如权利要求1或2所述的化成工艺，其特征在于，所述步骤B中，对于片状电芯，高温夹具的两个夹板分别夹持电芯两侧的最大表面，施力方向是垂直于电芯表面向电芯内部均匀施加压力。
6.如权利要求1或2所述的化成工艺，其特征在于，所述步骤B中，用高温夹具夹紧的电芯按以下工步进行充放电：
0.02-0.05C的小电流充电至3.2-3.6V，
0.1-0.5C电流恒流充电至3.6-4.0V，
0.2-1.0C恒流充电至4.1-4.3V，
0.5-1.0C放电至3.2-3.6V。
7.如权利要求1或2所述的化成工艺，其特征在于，所述步骤C的具体操作如下：
a.电芯采用夹具夹紧，夹具压力为50-5000kgf，时间为＞0-120分钟；
b.松开夹具，电芯常压静置0.5-10分钟；
c.重复a和b，直到电芯静置时间达到时间阈值。
8.如权利要求7所述的化成工艺，其特征在于，所述步骤a中夹具压力为0.1-1.0MPa，时间为3-60分钟。
9.如权利要求1或2所述的化成工艺，其特征在于，所述步骤D中真空度≤-90kpa。
10.一种锂离子电池，其特征在于，其是采用权利要求1-8中任一项所述方法制备的。
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