CN111987363A

CN111987363A - 一种锂离子电池的化成方法

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Publication number: CN111987363A
Application number: CN201910423958.4A
Authority: CN
Inventors: 熊腮华; 王诗龙; 李婷婷
Original assignee: Wanxiang Group Corp; Wanxiang A123 Systems Asia Co Ltd
Current assignee: Wanxiang A123 Systems Asia Co Ltd
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2020-11-24

Abstract

本发明涉及锂离子电池技术领域，公开了一种锂离子电池的化成方法，充电阶段包括如下步骤：（1）对经过前处理工序的锂离子电池进行第一次恒流充电，记录结束时电池的电压V₁；（2）进行第一次休眠；（3）第二次恒流充电；（4）进行第二次休眠；（5）第三次恒流充电；（6）进行第三次休眠，第三次休眠结束后结束化成；当V₁在安全电压范围内时，步骤（1）结束后进入步骤（2）进行后续的化成步骤；当V₁不在安全电压范围内时，步骤（1）结束后直接进入步骤（6）结束化成。本发明采用分段充电的方法来进行化成，可以对膨胀电池进行有效筛选，避免对膨胀电池持续充电后导致铝塑膜外包装破裂，引起电池热失控起火甚至爆炸。

Description

一种锂离子电池的化成方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种锂离子电池的化成方法。

背景技术

化成是锂离子电池生产过程中的重要工序，化成是通过对高温老化后的电池进行首次充电，激活电池，在负极表面形成SEI膜的过程。SEI膜的好坏直接影响到电池的循环寿命、稳定性、自放电性、安全性等电化学性能，满足二次电池密封“免维护”的要求，而不同的化成工艺形成的SEI膜有所不同，对电池的性能影响也存在很大差异，因此化成工艺在锂离子电池制备的过程中有着至关重要的作用。

传统的锂离子电池化成工艺是将注液完成后的锂电池经过浸润后，搁置一段时间后再进行充电，从而完成锂离子电池化成。在传统的化成工艺中，充电过程一般采用恒流充电，充够一定时间或充至电池的电压达到额定值时，结束充电。

例如，一种在中国专利文献上公开的“锂离子电池化成方法以及制备方法”，其公告号CN103996876A，化成方法包括：采用预定的化成电流对锂离子电池进行恒流充电化成，至锂离子电池的电压达到3.0V-3.5V为止，化成电流不大于0.2C；垂直于锂离子电池的表面，压制锂离子电池的电芯体，保持电芯体被压制状态，从锂离子电池的气囊对锂离子电池进行抽气，抽出其中的气体，当抽气至预定程度时，保持抽气状态密封气囊上的抽气口，在密封时预留足够的气囊空间；继续对锂离子电池进行充电化成，至锂离子电池的电压达到3.90-3.95V为止，化成结束。

但在充电过程中，如果直接恒流充电一定时长，或直接恒流充电至电池的电压达到额定值，因电池中的水分超标，化成时产生过多的气体会导致电池鼓胀，极易造成电池的铝塑膜外包装破裂，引起电池热失控起火甚至爆炸。

发明内容

本发明是为了克服现有的锂离子电池化成技术中，在充电过程中因电池中的水分超标，化成时产生过多的气体会导致电池鼓胀，极易造成电池的铝塑膜外包装破裂，引起电池热失控起火甚至爆炸的问题，提供一种锂离子电池的化成方法，可以有效避免化成的充电过程中锂离子电池严重鼓胀，造成外包装破裂、起火或爆炸。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种锂离子电池的化成方法，充电阶段包括如下步骤：

(1)对经过前处理工序的锂离子电池进行第一次恒流充电，记录结束时电池的电压V₁；

(2)进行第一次休眠；

(3)第一次休眠结束后进行第二次恒流充电；

(4)进行第二次休眠；

(5)第二次休眠结束后进行第三次恒流充电；

(6)进行第三次休眠，第三次休眠结束后结束化成；

当V₁在安全电压范围内时，步骤(1)结束后进入步骤(2)进行后续的化成步骤；

当V₁不在安全电压范围内时，步骤(1)结束后直接进入步骤(6)结束化成。

因为锂离子电池在化成的充电过程中，电解液中的成分会与电子反应生成各种气体，如因为水分的存在会产生CO₂和有利于SEI膜形成的H₂，电解液中的碳酸乙烯酯(EC)会反应生成乙烯和CO。

CO₂的生成：

PF₅+H₂O→2HF+PF₃O

Li₂CO₃+2HF→LiF+H₂CO₃

H₂CO₃→H₂O+CO₂

H₂的生成：

H₂O+e^-→OH^-+1/2H₂

OH^-+Li⁺→LiOH(s)

LiOH+Li⁺+e^-→Li₂O(s)+H₂(g)

乙烯的生成：

EC+e^-→EC^-·

EC^-·+2Li⁺→CH₂＝CH₂(g)+(CH₂OCO₂Li)₂(s)

CO的生成：

EC+2e^-→CH₂＝CH₂(g)+CO₃ ^2-

CO₃ ^2-+Li⁺→Li₂CO₃

EC+2e^-+2Li⁺→CH₃OLi(s)+CO(g)

此外，电解液中的其他成分还会与电子反应生成CH₄、C₂H₆、N₂等气体。如果化成时产生的气体过多，会导致电池鼓胀，极易造成电池的铝塑膜外包装破裂，引起电池热失控起火甚至爆炸。

因此，本发明采用分段充电的方法来进行化成。对锂离子电池进行第一次恒流充电后先记录电压V₁，当V₁处于安全电压范围内时，证明充电过程中电子没有与电解液发生大量反应生成大量气体，电池为正常电池，处于安全状态，可以进行后续化成步骤；当V₁处于安全电压范围外时，证明充电过程中电子与电解液发生了大量反应，有大量气体生成，电池为膨胀电池，易起火或爆炸，休眠结束后应直接结束化成并在下一道工序将此电池截留取出。

因此第一次恒流充电可以筛选出膨胀电池，避免持续充电后导致铝塑膜外包装破裂，引起电池热失控起火甚至爆炸，保证电池质量和生产安全。

第一次恒流充电后，对正常电池继续进行第二和第三次恒流充电，每次恒流充电之间还要进行休眠。第一次恒流充电后再分两次进行恒流充电，以便改变充电电流，使第三次恒流充电的电流可以大于第二次恒流充电的电流，有助于提高SEI膜的致密性，也提高了锂电池化成的效率。每次恒流充电之间进行休眠，是为了使两次充电有一个转换的过程，并达到消除极化的作用。

作为优选，安全电压为2400-2700mV。因为经验证，化成过程中在2400-2600mV电压范围内H₂和CO₂已大量生成，正常电池和膨胀电池在此范围内，充电性能会出现明显差别，故安全电压选择2400-2700mV，可以筛选出充电性能异常的膨胀电池，当V₁处于安全电压范围内时，证明产气量符合安全要求。

作为优选，步骤(1)中第一次恒流充电的电流为0.02-0.1C，充电时间为20-100min。第一恒流充电时，采用较小电流，可以使形成的SEI膜更致密；而当电流为0.02-0.1C时，充电时间为20-100min时，正常电池和膨胀电池的电压会出现明显差别，当充电时间过少或充电时间过长时，正常电池和膨胀电池的电压几乎无差别，无法将膨胀电池筛选出来，因此应用此时的电压与安全电压进行比较，对膨胀电池进行筛选。

作为优选，步骤(2)中第一次休眠时间为1-2min，以对电池进行筛选，正常电池进入后续步骤继续化成，膨胀电池结束化成。

作为优选，步骤(3)中第二次恒流充电的电流为0.02-0.1C，充电时间为70-350min。在第一次恒流充电筛选完毕后，对正常的电池继续用小电流进行第二次恒流充电，使SEI继续形成，并保证SEI膜的致密性。当用0.02-0.1C的电流充电70-350min后，SEI膜初步形成。

作为优选，步骤(4)中第二次休眠时间为1-2min。使不同倍率的充电过程可以更好的转换，并有效的消除极化。

作为优选，步骤(5)中第三次恒流充电的电流为0.1-0.2C，充电时间为45-90min。SEI膜初步形成后，可以提高充电电流，在不影响SEI膜形成质量的前提下提高充电和化成效率。

作为优选，步骤(6)中第三次休眠时间为1-2min，以使电池消除极化，进入后续生产工序。

因此，本发明具有如下有益效果：

(1)采用分段充电的方法来进行化成，第一次恒流充电后先记录电压V₁，并与安全电压进行比较，对电池进行筛选，决定是否进行后续化成步骤，避免对膨胀电池持续充电后导致铝塑膜外包装破裂，引起电池热失控起火甚至爆炸，保证电池质量和生产安全；

(2)第一次恒流充电后，对正常电池继续进行第二和第三次恒流充电，第二次恒流充电采用小电流充电，保证形成的SEI膜的致密性；在SEI初步形成后，第三次恒流充电采用较大电流进行，在不影响SEI性能的同时，提高了充电效率。

附图说明

图1是本发明各实施例的化成充电曲线。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例1：

对经过前处理工序的锂离子电池使用0.05C的电流进行第一次恒流充电，充电41min后记录结束时电池的电压V₁＝2544.1mV，因为V₁处于安全电压范围内，电池进入后续化成步骤；第一次休眠2min；使用0.05C的电流第二次恒流充电139min，第二次休眠2min；使用0.1C的电流第三次恒流充电90分钟；第三次休眠2min后结束化成。

实施例2：

对经过前处理工序的锂离子电池使用0.05C的电流进行第一次恒流充电，充电40min后记录结束时电池的电压V₁＝2459.5mV，因为V₁处于安全电压范围内，电池进入后续化成步骤；第一次休眠1min；使用0.05C的电流第二次恒流充电140min，第二次休眠1min；使用0.1C的电流第三次恒流充电90分钟；第三次休眠1min后结束化成。

实施例3：

对经过前处理工序的锂离子电池使用0.05C的电流进行第一次恒流充电，充电42min后记录结束时电池的电压V₁＝2597.3mV，因为V₁处于安全电压范围内，电池进入后续化成步骤；第一次休眠1min；使用0.05C的电流第二次恒流充电139min，第二次休眠1min；使用0.1C的电流第三次恒流充电90分钟；第三次休眠1min后结束化成。

实施例4：

对经过前处理工序的锂离子电池使用0.05C的电流进行第一次恒流充电，充电41min后记录结束时电池的电压V₁＝2499.8mV，因为V₁处于安全电压范围内，电池进入后续化成步骤；第一次休眠1min；使用0.05C的电流第二次恒流充电139min，第二次休眠1min；使用0.1C的电流第三次恒流充电90分钟；第三次休眠1min后结束化成。

实施例5：

对经过前处理工序的锂离子电池使用0.05C的电流进行第一次恒流充电，充电40min后记录结束时电池的电压V₁＝2347.2mV，因为V₁不处于安全电压范围内，电池休眠1min后直接结束化成。

实施例6：

对经过前处理工序的锂离子电池使用0.1C的电流进行第一次恒流充电，充电20min后记录结束时电池的电压V₁＝2512.3mV，因为V₁处于安全电压范围内，电池进入后续化成步骤；第一次休眠1.5min；使用0.1C的电流第二次恒流充电71min，第二次休眠1.5min；使用0.2C的电流第三次恒流充电45分钟；第三次休眠1.5min后结束化成。

实施例7：

对经过前处理工序的锂离子电池使用0.02C的电流进行第一次恒流充电，充电100min后记录结束时电池的电压V₁＝2479.6mV，因为V₁处于安全电压范围内，电池进入后续化成步骤；第一次休眠1min；使用0.05C的电流第二次恒流充电140min，第二次休眠1min；使用0.1C的电流第三次恒流充电90分钟；第三次休眠1min后结束化成。

上述实施例中，实施例5为膨胀电池，其余实施例中均为正常电池。实施例1-5化成过程中电池电压随时间的变化曲线如图1所示，从图1中可以看出，只有在特定的时间段中，膨胀电池才会与正常电池产生电压差，因此本发明中采用分段充电的方法，可以有效筛选出膨胀电池，避免后续充电或使用过程中发生危险，提高锂离子电池的质量。

Claims

1.一种锂离子电池的化成方法，其特征是，充电阶段包括如下步骤：

（1）对经过前处理工序的锂离子电池进行第一次恒流充电，记录结束时电池的电压V₁；

（2）进行第一次休眠；

（3）进行第二次恒流充电；

（4）进行第二次休眠；

（5）进行第三次恒流充电；

（6）进行第三次休眠，第三次休眠结束后结束化成；

当V₁在安全电压范围内时，步骤（1）结束后进入步骤（2）进行后续的化成步骤；

当V₁不在安全电压范围内时，步骤（1）结束后直接进入步骤（6）结束化成。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池的化成方法，其特征是，所述安全电压为2400-2700mV。

3.根据权利要求1或2所述的一种锂离子电池的化成方法，其特征是，步骤（1）中第一次恒流充电的电流为0.02-0.1C，充电时间为20-100min。

4.根据权利要求1或2所述的一种锂离子电池的化成方法，其特征是，步骤（2）中第一次休眠时间为1-2min。

5.根据权利要求1或2所述的一种锂离子电池的化成方法，其特征是，步骤（3）中第二次恒流充电的电流为0.02-0.1C，充电时间为70-350min。

6.根据权利要求1或2所述的一种锂离子电池的化成方法，其特征是，步骤（4）中第二次休眠时间为1-2min。

7.根据权利要求1或2所述的一种锂离子电池的化成方法，其特征是，步骤（5）中第三次恒流充电的电流为0.1-0.2C，充电时间为45-90min。

8.根据权利要求1或2所述的一种锂离子电池的化成方法，其特征是，步骤（6）中第三次休眠时间为1-2min。