CN112103554A - 一种三电极可修复锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三电极可修复锂离子电池，即在锂离子电池制作过程中植入了第三极，达到可持续补充锂离子电池在循环过程中损失的活性锂的效果。本发明采用的第三极锂金属容量为电池正极活性物质总量的10‑30%，修复时使用放电机在电池空电状态下做容量恢复，放电电流为0.01C‑0.1C，通过设置放电电流和设置放电时间来精确控制恢复的容量的效果。较一次性补锂方案，本发明最大的优势在于电池使用后在不需要拆解情况下可以做容量的修复。

Description

一种三电极可修复锂离子电池
技术领域
本发明涉及化学电源技术领域，具体涉及一种锂离子电池。
背景技术
锂离子电池自上个世纪九十年代问世以来，已经发展了30年。锂离子电池具有能量密度大、工作电压高、工作温度范围宽、循环寿命长、安全性能高等优点，以及免维护和无记忆效应等特点。近年来，锂离子电池已广泛用于数码、电动汽车、储能以及军事等领域。锂离子电池在使用的过程中，容量会逐步衰减，因为在锂离子电池的内部，除了正常的锂离子嵌入和脱嵌正负极的反应，还会存在很多副反应，例如SEI膜的生成和生长，电解液分解，粘结剂分解，正负极活性物质破裂等等因素，都会造成锂离子电池的容量下降。虽然造成锂离子电池衰减的因素很多，但最主要的原因还是活性锂的损失，活性锂来源于正极，数量有限。在使用过程中随着SEI膜的生成、破坏，负极析锂等都会消耗仅有的Li资源。
在专利号为201910418237.4的专利中，公开了一种锂离子电池预锂化的方法，其是在惰性气氛条件下，将裸电芯置于电解液中，在两侧分别放置锂金属条，用电源正极与裸电芯的负极连接，电源负极与锂金属条连接，通过对负极充电实现预锂化，最后将裸电芯从电解液中取出封装。这种敞开的是补锂方法，对环境的要求极高，无法规模生产，同时无法做到在使用过程中持续补锂。在专利号为201811607641.8的专利中，同样公开了一种锂离子电池预锂化方法，先制备含锂粉的浆料，再将浆料通过涂覆的方法直接涂覆在锂离子电池的负极片表面得到表层富锂离的锂离子电池负极片，与正极组装制作锂离子电池。此方案与目前公开的专利一样，基本都是一次性的补锂，提高电池的首次充放电效率，对于使用过程中活性锂的消耗无法做到持续补充，存在严重不足。
发明内容
为了克服锂离子电池在循环使用过程中活性锂离子损失得不到补充问题问题，本发明提供一种三电极可修复锂离子电池，具有制备工艺简单、易操作、适合大规模生产等优势，同时可以显著提高锂离子电池的首次充放电效率以及延长电池的使用寿命。
为了达到上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
一种三电极可修复锂离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液、外壳，其特征在于还包括第三极，所述第三极的活性物质为锂金属，所述锂金属容量为电池正极活性物质总容量的10-30%。
较佳的，所述正极所用的集流体为多孔铝箔，负极所用的集流体为多孔铜箔，采用多孔正负极集流体，以便于锂离子自由穿梭于电极之间。
较佳的，所述正极、负极与所述隔膜装配成极群后，使用锂金属箔卷绕包裹极群，或用锂金属板贴在极群两侧，锂金属电极用镍或铜做输出端子作为第三极。
较佳的，在三电极可修复锂离子电池在空电状态做容量恢复，其恢复步骤如下：将放电机的正极接电池的负极，放电机的负极接电池的第三极，该电池的恢复方法在电池使用后在不需要拆解情况下就可以做容量的修复。
较佳的，所述三电极可修复锂离子电池在空电状态下做容量恢复步骤中，放电电流为0.01C-0.1C，达到通过设置放电电流0.01C-0.1C和设置放电时间来精确控制恢复的容量的效果。
较佳的，在三电极可修复锂离子电池首次充放电前做负极预锂化处理，其步骤如下：将放电机的正极接电池的负极，放电机的负极接电池的第三极，达到负极预锂化的效果，提高电池首次充放电效率。
较佳的，所述三电极可修复锂离子负极预锂化处理步骤中，放电电流为0.01C-0.1C，达到通过设置放电电流0.01C-0.1C和设置放电时间来精确控制恢复的容量的效果。
基于上述技术方案，本发明的与现有技术相比具有如下技术优点：
1.本发明提供一种锂离子电池持续补锂的方案，较一次性补锂方案最大的优势在于电池使用后可以做容量的修复。一次性补锂目的是提高锂离子电池的首次充放电效率，继而提升电池的能量密度。而本发明不但可以提高锂离子电池的首次充放电效率，而且可以恢复由于电池在循环过程中由于活性锂的损失而造成的容量衰减，极大程度降低了锂离子电池的使用成本。采用了多孔正负极集流体，以便于锂离子电池自由穿梭于电极之间，可提高锂离子电池修复的效率。
2.本发明工艺性好，尤其适合批量生产。锂离子电池是一个密封的体系，第三极的锂金属电极在电池封装前被植入到电池内部。后期的电池修复不要拆解电池，直接通过外电路修复，简单易操作。此外本发明的锂离子电池生产设备与现有锂离子电池生产设备通用，个别工序的工装稍微做调整即可，适合大规模生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的解释说明。
实施例1
以3Ah三电极可修复锂离子电池为例。
1.将正极、负极活性物质涂覆到多孔的铝和铜箔上，烘干分切获得正极、负极极片。采用圆柱型卷绕的工艺将正负极和隔膜制成卷芯。
2.用0.3Ah的锂箔包裹卷芯，用镍带汇流连接到盖板第三极端子上，封装注液后制成3Ah圆柱型锂离子电池。
3.在电池化成充电前，用放电机的正极接电池的负极，放电机的负极接电池的第三极即锂金属电极，设置放电电流30mA，放电时间5h，可达到预嵌0.15Ah的锂到负极，将电池的首次效率提升4%左右的效果。
4.电池在使用过程中容量衰减至80%左右，首先用放电机正负极连接电池正负极将电池容量放空。再用放电机的正极接电池的负极，放电机的负极接电池的锂金属电极，设置放电电流30mA，放电时间5h，将0.15Ah的容量活性锂补充到负极，电池的容量可以恢复4-5%。
实施例2
以10Ah三电极可修复锂离子电池为例。
1、将正极、负极活性物质涂覆到多孔的铝和铜箔上，烘干分切获得正极、负极极片。采用方形卷绕的工艺将正负极和隔膜制成卷芯。
2、用2.0Ah的锂箔包裹卷芯，用镍带汇流连接到盖板第三极端子上，封装注液后制成10Ah方形铝壳锂离子电池。
3、在电池化成充电前，用放电机的正极接电池的负极，放电机的负极接电池的第三极即锂金属电极，设置放电电流200mA，放电时间3h，可达到预嵌0.60Ah的锂到负极，将电池的首次效率提升5%左右的效果。
4、电池在使用过程中容量衰减至80%左右，首先用放电机正负极连接电池正负极将电池容量放空。再用放电机的正极接电池的负极，放电机的负极接电池的锂金属电极，设置放电电流200mA，放电时间5h，将1Ah的容量活性锂补充到负极，电池的容量可以恢复8-9%。当电池容量再次衰减至80%，采用同样的方法可以恢复6-8%。
实施例3 ：
以50Ah三电极可修复锂离子电池为例。
1、将正极、负极活性物质涂覆到多孔的铝和铜箔上，烘干分切获得正极、负极极片。采用软包叠片的工艺将正负极和隔膜制成极群。
2、用两片总容量12.5Ah的锂片夹住极群，用铜带汇流连接到第三极极耳上，封装注液后制成50Ah软包叠片锂离子电池。
3、在电池化成充电前，用放电机的正极接电池的负极，放电机的负极接电池的锂金属电极，设置放电电流1000mA，放电时间2.5h，达到预嵌2.5Ah的锂到负极，将电池的首次效率提升4%左右的效果。
4、电池在使用过程中容量衰减至80%左右，首先用放电机正负极连接电池正负极将电池容量放空。再用放电机的正极接电池的负极，放电机的负极接电池的锂金属电极，设置放电电流2500mA，放电时间2h，将5Ah的容量活性锂补充到负极，电池的容量可以恢复8-9%。当电池容量再次衰减至80%，采用同样的方法可以恢复6-8%。
实施例4
以100Ah三电极可修复锂离子电池为例。
1、将正极、负极活性物质涂覆到多孔的铝和铜箔上，烘干分切获得正极、负极极片。采用方形卷绕的工艺将正负极和隔膜制成卷芯。
2、用两片总容量30Ah的锂片夹住极群，用镍带汇流连接到盖板第三极端子上，封装注液后制成100Ah方形铝壳锂离子电池。
3、在电池化成充电前，用放电机的正极接电池的负极，放电机的负极接电池的第三极即锂金属电极，设置放电电流5000mA，放电时间1.5h，可达到预嵌7.5Ah的锂到负极，将电池的首次效率提升6%左右的效果。
4、电池在使用过程中容量衰减至80%左右，首先用放电机正负极连接电池正负极将电池容量放空。再用放电机的正极接电池的负极，放电机的负极接电池的锂金属电极，设置放电电流5000mA，放电时间2.5h，将12.5Ah的容量活性锂补充到负极，电池的容量可以恢复10-11%。当电池容量再次衰减至80%，采用同样的方法可以恢复9-10%。
上述内容为本发明的示例及说明，但不意味着本发明可取得的优点受此限制，凡是本发明实践过程中可能对结构的简单变换、和/或一些实施方式中实现的优点的其中一个或多个均在本申请的保护范围内。

Claims (7)

1.一种三电极可修复锂离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液、外壳，其特征在于,还包括第三极，所述第三极的活性物质为锂金属，所述锂金属容量为电池正极活性物质总容量的10-30%，即所述第三极为锂金属电极。
2.根据权利要求1所述的三电极可修复锂离子电池，其特征在于,所述正极所用的集流体为多孔铝箔，负极所用的集流体为多孔铜箔。
3.根据权利要求1所述的三电极可修复锂离子电池，其特征在于,所述正极、负极与所述隔膜装配成极群后，使用锂金属箔卷绕包裹极群，或用锂金属板贴在所述极群的两侧，锂金属电极用镍或铜做输出端子作为第三极。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的三电极可修复锂离子电池，其特征在于,在三电极可修复锂离子电池在空电状态下做容量恢复，其恢复步骤如下：将放电机的正极接电池的负极，放电机的负极接电池的第三极。
5.根据权利要求4所述的三电极可修复锂离子电池，其特征在于,在所述三电极可修复锂离子电池在空电状态下做容量恢复步骤中，放电电流为0.01C-0.1C。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的三电极可修复锂离子电池，其特征在于,在三电极可修复锂离子电池首次充放电前做负极预锂化处理，其步骤如下：将放电机的正极接电池的负极，放电机的负极接电池的第三极。
7.根据权利要求6所述的三电极可修复锂离子电池，其特征在于,在所述三电极可修复锂离子负极预锂化处理步骤中，放电电流为0.01C-0.1C。
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