CN112201853A - 一种动力锂离子电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种动力锂离子电池的制备方法，所述制备方法包括，提供动力锂离子电池的正极和负极，然后将正极置于第一电解液中进行预化成，将负极置于第二电解液中进行预化成；将预化成后的正极和负极组装成电池，注入第三电解液，进行化成，所述制备方法能够使电解液中不同的添加剂在各自合适的成膜电压和成膜温度下形成稳定的SEI膜，提高电池的高温高倍率性能。

Description

一种动力锂离子电池的制备方法
技术领域
本发明涉及一种动力锂离子电池的制备方法。
背景技术
动力锂离子电池需要具有良好的高倍率性能，高温性能以及循环性能，目前，对于动力锂离子电池的研发主要集中在正极，负极材料的研究，电极活性层以及电极的结构上的研究，或者是针对耐高温电解液添加剂方面的研究，而对于具体制备方法的研究并不多见。
发明内容
本发明提供了一种动力锂离子电池的制备方法，所述制备方法包括，提供动力锂离子电池的正极和负极，然后将正极置于第一电解液中进行预化成，将负极置于第二电解液中进行预化成；将预化成后的正极和负极组装成电池，注入第三电解液，进行化成，所述制备方法能够使电解液中不同的添加剂在各自合适的成膜电压和成膜温度下形成稳定的SEI膜，提高电池的高温高倍率性能。
具体的方案如下：
一种动力锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法由以下步骤组成：
1)提供正极，所述正极采用LiNi0.15Mn0.68Co0.14Ca0.01Mg0.02O2/Al2O3作为正极活性物质，其中Al2O3为包覆材料，其占活性物质的1.2-1.5质量％；
2)提供负极，所述负极采用质量比2.5-3:1的天然石墨和人造石墨的混合物作为负极活性物质；
3)将所述正极置于第一电解液中，对电极为锂片，所述第一电解液中的添加剂仅为1,3-二甲基-2-咪唑啉酮；在第一预定温度下，恒流充电至第一预定电压；然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流，取出所述正极，烘干；
4)将所述负极置于第二电解液中，对电极为锂片，所述第二电解液中的添加剂仅为氟代碳酸乙烯酯，在第二预定温度下，在0.03-0.25V的电压下恒流充放电循环若干次，取出所述负极，烘干；
5)将步骤3得到的正极和步骤4得到的负极组装成电池，注入第三电解液，所述第三电解液中的添加剂仅为γ-戊内酯；在第三预定温度下，恒流充电至第二预定电压，然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流；
6)在充电截止电压和放电截止电压充放电循环若干次，封口，得到所述电池。
进一步的，所述第一电解液中，1,3-二甲基-2-咪唑啉酮的浓度为4.6-4.8体积％；所述第一预定温度为52-55摄氏度，第一预定电压为3.62-3.64V。
进一步的，所述第二电解液中，氟代碳酸乙烯酯的浓度为3.2-3.5体积％，所述第二预定温度为5-10摄氏度。
进一步的，所述第三电解液中，γ-戊内酯的浓度为2.8-3.0体积％；第三预定温度为24-26摄氏度，第二预定电压为3.45-3.47V。
进一步的，所述正极活性物质的平均粒径D50为2.4-2.5微米；所述正极活性物质层中，活性物质：粘结剂：导电剂＝100:4:4.5。
进一步的，所述天然石墨的平均粒径D50为1.8-2.0微米，人造石墨的平均粒径为2.4-2.5微米；所述负极活性物质层中，活性物质：粘结剂：导电剂＝100:4:3.5。
进一步的，所述第一电解液中的有机溶剂为链状碳酸酯，所述第二电解液中的有机溶剂为环状碳酸酯。
进一步的，所述第三电解液中的有机溶剂为链状碳酸酯和环状碳酸酯的混合物。
进一步的，所述放电截止电压为2.80V；充电截止电压为4.25V。
本发明具有如下有益效果：
1)、针对正极的特定的活性物质，选择1,3-二甲基-2-咪唑啉酮作为正极预处理电解液的添加剂，能够提高正极表面的电解质界面层的稳定性，尤其是高温下的稳定性；
2)、针对负极的石墨，选择氟代碳酸乙烯酯能够在石墨表面形成电阻率较低的电解质界面层，提高负极的倍率性能；
3)、发明人发现，各添加剂的合适的成膜电位以及反应温度均有所不同，当分别进行预化成时，能够针对不同的添加剂的性能选择各自合适的化成工艺参数，从而提高电解质界面层的性能，即最大化的发挥了添加剂的优势，同时还避免了不同添加剂相互影响。
4)、预化成工艺，针对正极和负极的活性物质不同，选择不同的碳酸酯，链状碳酸酯的流动性较高，在正极预化成过程中能够更快的消除浓度极化，从而成膜稳定；而负极的石墨材料带有层状结构，使用环状碳酸酯能够避免在预化成过程中电解液插层现象出现，提高了石墨负极的稳定性。
具体实施方式
本发明下面将通过具体的实施例进行更详细的描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。本发明中所述第一电解液中的有机溶剂为碳酸二乙酯，所述第二电解液中的有机溶剂为碳酸乙烯酯。所述第三电解液中的有机溶剂为碳酸二乙酯，碳酸二甲酯和碳酸乙烯酯以体积比1:1:2的混合物。
实施例1
1)提供正极，所述正极采用LiNi0.15Mn0.68Co0.14Ca0.01Mg0.02O2/Al2O3作为正极活性物质，其中Al2O3为包覆材料，其占活性物质的1.2质量％；平均粒径D50为2.4微米；所述正极活性物质层中，活性物质：PVDF：乙炔黑＝100:4:4.5；
2)提供负极，所述负极采用质量比2.5:1的天然石墨和人造石墨的混合物作为负极活性物质；天然石墨的平均粒径D50为1.8微米，人造石墨的平均粒径为2.4微米；所述负极活性物质层中，活性物质：SBR：乙炔黑＝100:4:3.5；
3)将所述正极置于第一电解液中，对电极为锂片，所述第一电解液中的添加剂仅为1,3-二甲基-2-咪唑啉酮，所述1,3-二甲基-2-咪唑啉酮的浓度为4.6体积％；在第一预定温度52摄氏度下，0.1C恒流充电至第一预定电压3.62V；然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流0.01C，取出所述正极，烘干；
4)将所述负极置于第二电解液中，对电极为锂片，所述第二电解液中的添加剂仅为氟代碳酸乙烯酯，所述氟代碳酸乙烯酯的浓度为3.2体积％，在第二预定温度5摄氏度下，在0.03-0.25V的电压下0.1C恒流充放电循环3次，取出所述负极，烘干；
5)将步骤3得到的正极和步骤4得到的负极组装成电池，注入第三电解液，所述第三电解液中的添加剂仅为γ-戊内酯，所述γ-戊内酯的浓度为2.8体积％；在第三预定温度24摄氏度下，0.1C恒流充电至第二预定电压3.45V，然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流0.01C；
6)0.1C在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.80V充放电循环3次，封口，得到所述电池。
实施例2
1)提供正极，所述正极采用LiNi0.15Mn0.68Co0.14Ca0.01Mg0.02O2/Al2O3作为正极活性物质，其中Al2O3为包覆材料，其占活性物质的1.5质量％；平均粒径D50为2.5微米；所述正极活性物质层中，活性物质：PVDF：乙炔黑＝100:4:4.5；
2)提供负极，所述负极采用质量比3:1的天然石墨和人造石墨的混合物作为负极活性物质；天然石墨的平均粒径D50为2.0微米，人造石墨的平均粒径为2.5微米；所述负极活性物质层中，活性物质：SBR：乙炔黑＝100:4:3.5；
3)将所述正极置于第一电解液中，对电极为锂片，所述第一电解液中的添加剂仅为1,3-二甲基-2-咪唑啉酮，所述1,3-二甲基-2-咪唑啉酮的浓度为4.8体积％；在第一预定温度55摄氏度下，0.1C恒流充电至第一预定电压3.64V；然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流0.01C，取出所述正极，烘干；
4)将所述负极置于第二电解液中，对电极为锂片，所述第二电解液中的添加剂仅为氟代碳酸乙烯酯，所述氟代碳酸乙烯酯的浓度为3.5体积％，在第二预定温度10摄氏度下，在0.03-0.25V的电压下0.1C恒流充放电循环3次，取出所述负极，烘干；
5)将步骤3得到的正极和步骤4得到的负极组装成电池，注入第三电解液，所述第三电解液中的添加剂仅为γ-戊内酯，所述γ-戊内酯的浓度为3.0体积％；在第三预定温度26摄氏度下，0.1C恒流充电至第二预定电压3.47V，然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流0.01C；
6)0.1C在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.80V充放电循环3次，封口，得到所述电池。
实施例3
1)提供正极，所述正极采用LiNi0.15Mn0.68Co0.14Ca0.01Mg0.02O2/Al2O3作为正极活性物质，其中Al2O3为包覆材料，其占活性物质的1.4质量％；平均粒径D50为2.4微米；所述正极活性物质层中，活性物质：PVDF：乙炔黑＝100:4:4.5；
2)提供负极，所述负极采用质量比2.8:1的天然石墨和人造石墨的混合物作为负极活性物质；天然石墨的平均粒径D50为1.9微米，人造石墨的平均粒径为2.5微米；所述负极活性物质层中，活性物质：SBR：乙炔黑＝100:4:3.5；
3)将所述正极置于第一电解液中，对电极为锂片，所述第一电解液中的添加剂仅为1,3-二甲基-2-咪唑啉酮，所述1,3-二甲基-2-咪唑啉酮的浓度为4.7体积％；在第一预定温度54摄氏度下，0.1C恒流充电至第一预定电压3.63V；然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流0.01C，取出所述正极，烘干；
4)将所述负极置于第二电解液中，对电极为锂片，所述第二电解液中的添加剂仅为氟代碳酸乙烯酯，所述氟代碳酸乙烯酯的浓度为3.4体积％，在第二预定温度8摄氏度下，在0.03-0.25V的电压下0.1C恒流充放电循环3次，取出所述负极，烘干；
5)将步骤3得到的正极和步骤4得到的负极组装成电池，注入第三电解液，所述第三电解液中的添加剂仅为γ-戊内酯，所述γ-戊内酯的浓度为2.9体积％；在第三预定温度25摄氏度下，0.1C恒流充电至第二预定电压3.46V，然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流0.01C；
6)0.1C在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.80V充放电循环3次，封口，得到所述电池。
对比例1
1)提供正极，所述正极采用LiNi0.15Mn0.68Co0.14Ca0.01Mg0.02O2/Al2O3作为正极活性物质，其中Al2O3为包覆材料，其占活性物质的1.4质量％；平均粒径D50为2.4微米；所述正极活性物质层中，活性物质：PVDF：乙炔黑＝100:4:4.5；
2)提供负极，所述负极采用质量比2.8:1的天然石墨和人造石墨的混合物作为负极活性物质；天然石墨的平均粒径D50为1.9微米，人造石墨的平均粒径为2.5微米；所述负极活性物质层中，活性物质：SBR：乙炔黑＝100:4:3.5；
3)将所述正极置于第一电解液中，对电极为锂片，所述第一电解液中的添加剂仅为氟代碳酸乙烯酯，所述氟代碳酸乙烯酯的浓度为3.4体积％；在第一预定温度54摄氏度下，0.1C恒流充电至第一预定电压3.63V；然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流0.01C，取出所述正极，烘干；
4)将所述负极置于第二电解液中，对电极为锂片，所述第二电解液中的添加剂仅为1,3-二甲基-2-咪唑啉酮，所述1,3-二甲基-2-咪唑啉酮的浓度为4.7体积％，在第二预定温度8摄氏度下，在0.03-0.25V的电压下0.1C恒流充放电循环3次，取出所述负极，烘干；
5)将步骤3得到的正极和步骤4得到的负极组装成电池，注入第三电解液，所述第三电解液中的添加剂仅为γ-戊内酯，所述γ-戊内酯的浓度为2.9体积％；在第三预定温度25摄氏度下，0.1C恒流充电至第二预定电压3.46V，然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流0.01C；
6)0.1C在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.80V充放电循环3次，封口，得到所述电池。
对比例2
1)提供正极，所述正极采用LiNi0.15Mn0.68Co0.14Ca0.01Mg0.02O2/Al2O3作为正极活性物质，其中Al2O3为包覆材料，其占活性物质的1.4质量％；平均粒径D50为2.4微米；所述正极活性物质层中，活性物质：PVDF：乙炔黑＝100:4:4.5；
2)提供负极，所述负极采用质量比2.8:1的天然石墨和人造石墨的混合物作为负极活性物质；天然石墨的平均粒径D50为1.9微米，人造石墨的平均粒径为2.5微米；所述负极活性物质层中，活性物质：SBR：乙炔黑＝100:4:3.5；
3)将所述正极置于第一电解液中，对电极为锂片，所述第一电解液中的添加剂仅为1,3-二甲基-2-咪唑啉酮，所述1,3-二甲基-2-咪唑啉酮的浓度为4.7体积％；在第一预定温度25摄氏度下，0.1C恒流充电至第一预定电压3.50V；然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流0.01C，取出所述正极，烘干；
4)将所述负极置于第二电解液中，对电极为锂片，所述第二电解液中的添加剂仅为氟代碳酸乙烯酯，所述氟代碳酸乙烯酯的浓度为3.4体积％，在第二预定温度25摄氏度下，在0.03-0.25V的电压下0.1C恒流充放电循环3次，取出所述负极，烘干；
5)将步骤3得到的正极和步骤4得到的负极组装成电池，注入第三电解液，所述第三电解液中的添加剂仅为γ-戊内酯，所述γ-戊内酯的浓度为2.9体积％；在第三预定温度25摄氏度下，0.1C恒流充电至第二预定电压3.46V，然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流0.01C；
6)0.1C在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.80V充放电循环3次，封口，得到所述电池。
对比例3
1)提供正极，所述正极采用LiNi0.15Mn0.68Co0.14Ca0.01Mg0.02O2/Al2O3作为正极活性物质，其中Al2O3为包覆材料，其占活性物质的1.4质量％；平均粒径D50为2.4微米；所述正极活性物质层中，活性物质：PVDF：乙炔黑＝100:4:4.5；
2)提供负极，所述负极采用质量比2.8:1的天然石墨和人造石墨的混合物作为负极活性物质；天然石墨的平均粒径D50为1.9微米，人造石墨的平均粒径为2.5微米；所述负极活性物质层中，活性物质：SBR：乙炔黑＝100:4:3.5；
3)将所述正极置于第一电解液中，对电极为锂片，所述第一电解液中的添加剂仅为1,3-二甲基-2-咪唑啉酮，所述1,3-二甲基-2-咪唑啉酮的浓度为4.7体积％；在第一预定温度54摄氏度下，0.1C恒流充电至第一预定电压3.63V；然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流0.01C，取出所述正极，烘干；
4)将所述负极置于第二电解液中，对电极为锂片，所述第二电解液中的添加剂仅为氟代碳酸乙烯酯，所述氟代碳酸乙烯酯的浓度为3.4体积％，在第二预定温度8摄氏度下，在0.03-0.25V的电压下0.1C恒流充放电循环3次，取出所述负极，烘干；
5)将步骤3得到的正极和步骤4得到的负极组装成电池，注入第三电解液，所述第三电解液中的添加剂仅为γ-戊内酯，所述γ-戊内酯的浓度为2.9体积％；在第三预定温度25摄氏度下，0.1C恒流充电至第二预定电压3.60V，然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流0.01C；
6)0.1C在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.80V充放电循环3次，封口，得到所述电池。
对比例4
1)提供正极，所述正极采用LiNi0.15Mn0.68Co0.14Ca0.01Mg0.02O2/Al2O3作为正极活性物质，其中Al2O3为包覆材料，其占活性物质的1.4质量％；平均粒径D50为2.4微米；所述正极活性物质层中，活性物质：PVDF：乙炔黑＝100:4:4.5；
2)提供负极，所述负极采用质量比2.8:1的天然石墨和人造石墨的混合物作为负极活性物质；天然石墨的平均粒径D50为1.9微米，人造石墨的平均粒径为2.5微米；所述负极活性物质层中，活性物质：SBR：乙炔黑＝100:4:3.5；
3)将正极和负极组装成电池，注入第三电解液，所述第三电解液中的添加剂仅为γ-戊内酯，所述γ-戊内酯的浓度为2.9体积％；在第三预定温度25摄氏度下，0.1C恒流充电至第二预定电压3.46V，然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流0.01C；
4)0.1C在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.80V充放电循环3次，封口，得到所述电池。
对比例5
1)提供正极，所述正极采用LiNi0.15Mn0.68Co0.14Ca0.01Mg0.02O2/Al2O3作为正极活性物质，其中Al2O3为包覆材料，其占活性物质的1.4质量％；平均粒径D50为2.4微米；所述正极活性物质层中，活性物质：PVDF：乙炔黑＝100:4:4.5；
2)提供负极，所述负极采用质量比2.8:1的天然石墨和人造石墨的混合物作为负极活性物质；天然石墨的平均粒径D50为1.9微米，人造石墨的平均粒径为2.5微米；所述负极活性物质层中，活性物质：SBR：乙炔黑＝100:4:3.5；
3)将正极和负极组装成电池，注入第三电解液，所述第三电解液中的添加剂包括1,3-二甲基-2-咪唑啉酮，氟代碳酸乙烯酯和-戊内酯，所述1,3-二甲基-2-咪唑啉酮的浓度为4.7体积％；所述氟代碳酸乙烯酯的浓度为3.4体积％，所述γ-戊内酯的浓度为2.9体积％；在第三预定温度25摄氏度下，0.1C恒流充电至3.46V，然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流0.01C；
4)0.1C在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.80V充放电循环3次，封口，得到所述电池。
测试及结果
测试实施例1-3和对比例1-5化成后的电池，在50摄氏度下2C倍率充放电300次，测量电池的容量保持率，结果见表1，由表1可见，1,3-二甲基-2-咪唑啉酮作为正极预处理电解液的添加剂，能够提高正极表面的电解质界面层的稳定性，尤其是高温下的稳定性；选择氟代碳酸乙烯酯能够提高电池的倍率性能；改变各添加剂的合适的成膜电位以及反应温度，对于电池的形成产生巨大影响。
表1
容量保持率(％)
实施例1 97.1
实施例2 96.7
实施例3 97.2
对比例1 92.1
对比例2 95.7
对比例3 95.3
对比例4 93.2
对比例5 91.6
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但是应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种动力锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法由以下步骤组成：
1)提供正极，所述正极采用LiNi0.15Mn0.68Co0.14Ca0.01Mg0.02O2/Al2O3作为正极活性物质，其中Al2O3为包覆材料，其占活性物质的1.2-1.5质量％；
2)提供负极，所述负极采用质量比2.5-3:1的天然石墨和人造石墨的混合物作为负极活性物质；
3)将所述正极置于第一电解液中，对电极为锂片，所述第一电解液中的添加剂仅为1,3-二甲基-2-咪唑啉酮；在第一预定温度下，恒流充电至第一预定电压；然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流，取出所述正极，烘干；
4)将所述负极置于第二电解液中，对电极为锂片，所述第二电解液中的添加剂仅为氟代碳酸乙烯酯，在第二预定温度下，在0.03-0.25V的电压下恒流充放电循环若干次，取出所述负极，烘干；
5)将步骤3得到的正极和步骤4得到的负极组装成电池，注入第三电解液，所述第三电解液中的添加剂仅为γ-戊内酯；在第三预定温度下，恒流充电至第二预定电压，然后在该电压下恒压充电直至充电电流低于截止电流；
6)在充电截止电压和放电截止电压充放电循环若干次，封口，得到所述电池。
2.如上述权利要求所述的方法，所述第一电解液中，1,3-二甲基-2-咪唑啉酮的浓度为4.6-4.8体积％；所述第一预定温度为52-55摄氏度，第一预定电压为3.62-3.64V。
3.如上述权利要求所述的方法，所述第二电解液中，氟代碳酸乙烯酯的浓度为3.2-3.5体积％，所述第二预定温度为5-10摄氏度。
4.如上述权利要求所述的方法，所述第三电解液中，γ-戊内酯的浓度为2.8-3.0体积％；第三预定温度为24-26摄氏度，第二预定电压为3.45-3.47V。
5.如上述权利要求所述的方法，所述正极活性物质的平均粒径D50为2.4-2.5微米；所述正极活性物质层中，活性物质：粘结剂：导电剂＝100:4:4.5。
6.如上述权利要求所述的方法，所述天然石墨的平均粒径D50为1.8-2.0微米，人造石墨的平均粒径为2.4-2.5微米；所述负极活性物质层中，活性物质：粘结剂：导电剂＝100:4:3.5。
7.如上述权利要求所述的方法，所述第一电解液中的有机溶剂为链状碳酸酯，所述第二电解液中的有机溶剂为环状碳酸酯。
8.如上述权利要求所述的方法，所述第三电解液中的有机溶剂为链状碳酸酯和环状碳酸酯的混合物。
9.如上述权利要求所述的方法，所述放电截止电压为2.80V；充电截止电压为4.25V。
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