CN112201854A - 一种动力锂离子电池的化成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种动力锂离子电池的化成方法,所述动力锂离子电池的正极活性物质为高镍含量的三元材料,负极活性物质为石墨负极,所述三元材料的镍含量占过渡金属总摩尔量的67%以上80%以下;所述石墨负极的平均粒径D50介于2.4‑2.5微米之间;并且所述动力锂离子电池的电解液中包括添加剂,所述添加剂为乙烯基亚硫酸乙烯酯、1,3‑丙烯磺酸内酯和3,4‑二甲基环丁砜,其中本发明的方法包括,注入包括所述添加剂的第一电解液,然后在第一预定电压下化成,抽真空排气,注入不包括添加剂第二电解液,然后再第二预定电压下化成;经过所述化成方法得到的动力电池具有良好的高温循环性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种动力锂离子电池的化成方法。
背景技术
动力锂离子电池的正极活性物质主要为三元材料,在本领域中,三元材料主要是以镍钴锰三种元素作为主要构成元素,并且掺杂其他杂原子所构成的层状锂金属氧化物,其中材料LiNi0.74Mn0.15Co0.1Mg0.01O2作为正极活性物质的正极的活性材料具有高电导率,高工作电压,高能量密度的特点,但是高温下性能较为活泼,循环性衰减较为明显。
发明内容
本发明提供了一种动力锂离子电池的化成方法,所述动力锂离子电池的正极活性物质为高镍含量的三元材料,负极活性物质为石墨负极,所述三元材料的镍含量占过渡金属总摩尔量的67%以上80%以下;所述石墨负极的平均粒径D50介于2.4-2.5微米之间;并且所述动力锂离子电池的电解液中包括添加剂,所述添加剂为乙烯基亚硫酸乙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯和3,4-二甲基环丁砜,其中本发明的方法包括,注入包括所述添加剂的第一电解液,然后在第一预定电压下化成,抽真空排气,注入不包括添加剂第二电解液,然后再第二预定电压下化成;经过所述化成方法得到的动力电池具有良好的高温循环性能。
具体的方案如下:
一种动力锂离子电池的化成方法,所述动力锂离子电池的正极活性物质为高镍含量的三元材料,负极活性物质为石墨负极,所述三元材料的镍含量占过渡金属总摩尔量的67%以上80%以下;所述石墨负极的平均粒径D50介于2.4-2.5微米之间;所述动力锂离子电池的电解液中包括添加剂,所述添加剂为乙烯基亚硫酸乙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯和3,4-二甲基环丁砜,其中所述化成方法包括:
1)注入第一电解液;所述第一电解液由有机溶剂、电解质锂盐和添加剂组成,所述添加剂为乙烯基亚硫酸乙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯和3,4-二甲基环丁砜;
2)0.1-0.2C的电流恒流充电至第一预定电压,然后以第一预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流;所述第一预定电压=3.8-k1*乙烯基亚硫酸乙烯酯的体积百分含量-k2*1,3-丙烯磺酸内酯的体积百分含量-k3*3,4-二甲基环丁砜的体积百分含量;
3)抽真空排气;
4)注入第二电解液,所述第二电解液由有机溶剂和电解质锂盐组成;
5)0.1-0.2C的电流恒流充电至第二预定电压,然后以第二预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流,所述第二预定电压=第一预定电压+k4*第二电解液占总电解液的体积百分含量;
6)在充电截止电压和放电截止电压下恒流充放电循环若干次,抽真空排气,封口,得到所述电池。
进一步的,所述高镍含量的三元材料为LiNi0.74Mn0.15Co0.1Mg0.01O2。
进一步的,其中k1=2.6,k2=1.8,k3=3.5。
进一步的,其中k4=0.76。
进一步的,所述乙烯基亚硫酸乙烯酯的体积百分含量为3.2-3.5%、所述1,3-丙烯磺酸内酯的体积百分含量1.8-2.2%,所述3,4-二甲基环丁砜的体积百分含量2.5-3.0%。
进一步的,所述第一和第二电解液中的有机溶剂由碳酸乙烯酯,碳酸丙烯酯和碳酸二甲酯组成。
进一步的,所述电解液中,碳酸乙烯酯,碳酸丙烯酯和碳酸二甲酯的体积比例为碳酸乙烯酯45%,碳酸丙烯酯15%,碳酸二甲酯40%。
进一步的,所述第一电解液占总电解液的体积百分含量为70-80%,余下为第二电解液。
进一步的,所述充电截止电压为4.25V,放电截止电压为2.75V。
本发明具有如下有益效果:
1)、LiNi0.74Mn0.15Co0.1Mg0.01O2作为正极活性物质的正极的活性材料具有高电导率,高工作电压,高能量密度的特点,但是高温下性能较为活泼,循环性衰减较为明显,并且电解液包括特定含量的乙烯基亚硫酸乙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯和3,4-二甲基环丁砜,三种添加剂协同作用,能够在活性物质表面形成极为稳定的SEI膜,从而提高电池的高温循环性能。
2)、为了提高添加剂成膜性能,化成初期加入添加剂浓度较高的第一电解液,并且针对各添加剂的浓度设置特定的恒压化成电压,从而迅速成膜。
3)、在化成后期加入第二电解液调整添加剂的浓度范围,并且针对浓度变化,调整恒压化成电压,提高成膜的稳定性。
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。本发明中使用的正极活性物质为LiNi0.74Mn0.15Co0.1Mg0.01O2,负极活性物质为平均粒径D50为2.4微米的天然石墨和平均粒径D50为2.5微米的人造石墨以质量比1:1混合而成。电解液的有机溶剂各组分体积比例为碳酸乙烯酯45%,碳酸丙烯酯15%,碳酸二甲酯40%,电解质盐为LiPF6,浓度为1.2mol/L。
实施例1
1)注入第一电解液;所述第一电解液占总电解液的体积百分含量为70%,所述第一电解液的添加剂为乙烯基亚硫酸乙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯和3,4-二甲基环丁砜;所述乙烯基亚硫酸乙烯酯的体积百分含量为3.5%、所述1,3-丙烯磺酸内酯的体积百分含量2.2%,所述3,4-二甲基环丁砜的体积百分含量3.0%;
2)0.1C的电流恒流充电至第一预定电压,然后以第一预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C;所述第一预定电压=3.8-2.6*0.035-1.8*0.022-3.5*0.03=3.56V;
3)抽真空排气;
4)注入余下的第二电解液,所述第二电解液不包含添加剂,其他成分与第一电解液相同;
5)0.1C的电流恒流充电至第二预定电压,然后以第二预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C,所述第二预定电压=3.56+0.76*0.3=3.79V;
6)在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.75V下恒流充放电循环3次,抽真空排气,封口,得到所述电池。
实施例2
1)注入第一电解液;所述第一电解液占总电解液的体积百分含量为80%,所述第一电解液的添加剂为乙烯基亚硫酸乙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯和3,4-二甲基环丁砜;所述乙烯基亚硫酸乙烯酯的体积百分含量为3.2%、所述1,3-丙烯磺酸内酯的体积百分含量1.8%,所述3,4-二甲基环丁砜的体积百分含量2.5%;
2)0.2C的电流恒流充电至第一预定电压,然后以第一预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C;所述第一预定电压=3.8-2.6*0.032-1.8*0.018-3.5*0.025=3.60V;
3)抽真空排气;
4)注入余下的第二电解液,所述第二电解液不包含添加剂,其他成分与第一电解液相同;
5)0.2C的电流恒流充电至第二预定电压,然后以第二预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C,所述第二预定电压=3.60+0.76*0.2=3.75V;
6)在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.75V下恒流充放电循环3次,抽真空排气,封口,得到所述电池。
实施例3
1)注入第一电解液;所述第一电解液占总电解液的体积百分含量为75%,所述第一电解液的添加剂为乙烯基亚硫酸乙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯和3,4-二甲基环丁砜;所述乙烯基亚硫酸乙烯酯的体积百分含量为3.3%、所述1,3-丙烯磺酸内酯的体积百分含量2.0%,所述3,4-二甲基环丁砜的体积百分含量2.7%;
2)0.15C的电流恒流充电至第一预定电压,然后以第一预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C;所述第一预定电压=3.8-2.6*0.033-1.8*0.02-3.5*0.027=3.58V;
3)抽真空排气;
4)注入余下的第二电解液,所述第二电解液不包含添加剂,其他成分与第一电解液相同;
5)0.15C的电流恒流充电至第二预定电压,然后以第二预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C,所述第二预定电压=第一预定电压+0.76*0.25=3.77V;
6)在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.75V下恒流充放电循环3次,抽真空排气,封口,得到所述电池。
对比例1
1)注入第一电解液;所述第一电解液占总电解液的体积百分含量为75%,所述第一电解液的添加剂为乙烯基亚硫酸乙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯和3,4-二甲基环丁砜;所述乙烯基亚硫酸乙烯酯的体积百分含量为3.3%、所述1,3-丙烯磺酸内酯的体积百分含量2.0%,所述3,4-二甲基环丁砜的体积百分含量2.7%;
2)0.15C的电流恒流充电至第一预定电压,然后以第一预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C;所述第一预定电压=3.56V;
3)抽真空排气;
4)注入余下的第二电解液,所述第二电解液不包含添加剂,其他成分与第一电解液相同;
5)0.15C的电流恒流充电至第二预定电压,然后以第二预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C,所述第二预定电压=3.79V;
6)在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.75V下恒流充放电循环3次,抽真空排气,封口,得到所述电池。
对比例2
1)注入第一电解液;所述第一电解液占总电解液的体积百分含量为75%,所述第一电解液的添加剂为乙烯基亚硫酸乙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯和3,4-二甲基环丁砜;所述乙烯基亚硫酸乙烯酯的体积百分含量为3.3%、所述1,3-丙烯磺酸内酯的体积百分含量2.0%,所述3,4-二甲基环丁砜的体积百分含量2.7%;
2)0.15C的电流恒流充电至第一预定电压,然后以第一预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C;所述第一预定电压=3.60V;
3)抽真空排气;
4)注入余下的第二电解液,所述第二电解液不包含添加剂,其他成分与第一电解液相同;
5)0.15C的电流恒流充电至第二预定电压,然后以第二预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C,所述第二预定电压=3.75V;
6)在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.75V下恒流充放电循环3次,抽真空排气,封口,得到所述电池。
对比例3
1)注入第一电解液;所述第一电解液占总电解液的体积百分含量为75%,所述第一电解液的添加剂为1,3-丙烯磺酸内酯和3,4-二甲基环丁砜;所述1,3-丙烯磺酸内酯的体积百分含量2.0%,所述3,4-二甲基环丁砜的体积百分含量2.7%;
2)0.15C的电流恒流充电至第一预定电压,然后以第一预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C;所述第一预定电压=3.58V;
3)抽真空排气;
4)注入余下的第二电解液,所述第二电解液不包含添加剂,其他成分与第一电解液相同;
5)0.15C的电流恒流充电至第二预定电压,然后以第二预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C,所述第二预定电压=3.77V;
6)在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.75V下恒流充放电循环3次,抽真空排气,封口,得到所述电池。
对比例4
1)注入第一电解液;所述第一电解液占总电解液的体积百分含量为75%,所述第一电解液的添加剂为乙烯基亚硫酸乙烯酯、和3,4-二甲基环丁砜;所述乙烯基亚硫酸乙烯酯的体积百分含量为3.3%、所述3,4-二甲基环丁砜的体积百分含量2.7%;
2)0.15C的电流恒流充电至第一预定电压,然后以第一预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C;所述第一预定电压=3.58V;
3)抽真空排气;
4)注入余下的第二电解液,所述第二电解液不包含添加剂,其他成分与第一电解液相同;
5)0.15C的电流恒流充电至第二预定电压,然后以第二预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C,所述第二预定电压=3.77V;
6)在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.75V下恒流充放电循环3次,抽真空排气,封口,得到所述电池。
对比例5
1)注入第一电解液;所述第一电解液占总电解液的体积百分含量为75%,所述第一电解液的添加剂为乙烯基亚硫酸乙烯酯、和1,3-丙烯磺酸内酯;所述乙烯基亚硫酸乙烯酯的体积百分含量为3.3%、所述1,3-丙烯磺酸内酯的体积百分含量2.0%;
2)0.15C的电流恒流充电至第一预定电压,然后以第一预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C;所述第一预定电压=3.58V;
3)抽真空排气;
4)注入余下的第二电解液,所述第二电解液不包含添加剂,其他成分与第一电解液相同;
5)0.15C的电流恒流充电至第二预定电压,然后以第二预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C,所述第二预定电压=3.77V;
6)在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.75V下恒流充放电循环3次,抽真空排气,封口,得到所述电池。
对比例6
1)注入第一电解液;所述第一电解液占总电解液的体积百分含量为75%,所述第一电解液的添加剂为乙烯基亚硫酸乙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯和3,4-二甲基环丁砜;所述乙烯基亚硫酸乙烯酯的体积百分含量为2%、所述1,3-丙烯磺酸内酯的体积百分含量3%,所述3,4-二甲基环丁砜的体积百分含量2%;
2)0.1-0.2C的电流恒流充电至第一预定电压,然后以第一预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C;所述第一预定电压=3.58V;
3)抽真空排气;
4)注入余下的第二电解液,所述第二电解液不包含添加剂,其他成分与第一电解液相同;
5)0.1-0.2C的电流恒流充电至第二预定电压,然后以第二预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流0.01C,所述第二预定电压=3.77V;
6)在充电截止电压4.25V和放电截止电压2.75V下恒流充放电循环3次,抽真空排气,封口,得到所述电池。
测试及结果
测试实施例1-3和对比例1-6化成后的电池,在1C倍率在50摄氏度的温度下充放电400次,测量电池的容量保持率,结果见表1,由表1可见,当改变添加剂的含量范围时,以及添加剂的搭配时,对电池的容量保持率也存在极大的影响,电解液包括特定含量的乙烯基亚硫酸乙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯和3,4-二甲基环丁砜,三种添加剂协同作用,能够在活性物质表面形成极为稳定的SEI膜,从而提高电池的高温循环性能。而第一预定电压和第二预定的电压的微小改变,也会影响电池的容量保持率。当满足本发明的参数范围时,能够实现最高容量保持率。
表1
高温容量保持率(%) | |
实施例1 | 98.2 |
实施例2 | 98.0 |
实施例3 | 98.3 |
对比例1 | 97.4 |
对比例2 | 97.2 |
对比例3 | 95.3 |
对比例4 | 95.6 |
对比例5 | 95.2 |
对比例6 | 94.9 |
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化成方法,所述动力锂离子电池的正极活性物质为高镍含量的三元材料,负极活性物质为石墨负极,所述三元材料的镍含量占过渡金属总摩尔量的67%以上80%以下;所述石墨负极的平均粒径D50介于2.4-2.5微米之间;所述动力锂离子电池的电解液中包括添加剂,所述添加剂为乙烯基亚硫酸乙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯和3,4-二甲基环丁砜,其中所述化成方法包括:
1)注入第一电解液;所述第一电解液由有机溶剂、电解质锂盐和添加剂组成,所述添加剂为乙烯基亚硫酸乙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯和3,4-二甲基环丁砜;
2)0.1-0.2C的电流恒流充电至第一预定电压,然后以第一预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流;所述第一预定电压=3.8-k1*乙烯基亚硫酸乙烯酯的体积百分含量-k2*1,3-丙烯磺酸内酯的体积百分含量-k3*3,4-二甲基环丁砜的体积百分含量;
3)抽真空排气;
4)注入第二电解液,所述第二电解液由有机溶剂和电解质锂盐组成;
5)0.1-0.2C的电流恒流充电至第二预定电压,然后以第二预定电压恒压下化成,直至充电电流低于截止电流,所述第二预定电压=第一预定电压+k4*第二电解液占总电解液的体积百分含量;
6)在充电截止电压和放电截止电压下恒流充放电循环若干次,抽真空排气,封口,得到所述电池。
2.如上述权利要求所述的方法,所述高镍含量的三元材料为LiNi0.74Mn0.15Co0.1Mg0.01O2。
3.如上述权利要求所述的方法,其中k1=2.6,k2=1.8,k3=3.5。
4.如上述权利要求所述的方法,其中k4=0.76。
5.如上述权利要求所述的方法,所述乙烯基亚硫酸乙烯酯的体积百分含量为3.2-3.5%、所述1,3-丙烯磺酸内酯的体积百分含量1.8-2.2%,所述3,4-二甲基环丁砜的体积百分含量2.5-3.0%。
6.如上述权利要求所述的方法,所述第一和第二电解液中的有机溶剂由碳酸乙烯酯,碳酸丙烯酯和碳酸二甲酯组成。
7.如上述权利要求所述的方法,所述电解液中,碳酸乙烯酯,碳酸丙烯酯和碳酸二甲酯的体积比例为碳酸乙烯酯45%,碳酸丙烯酯15%,碳酸二甲酯40%。
8.如上述权利要求所述的方法,所述第一电解液占总电解液的体积百分含量为70-80%,余下为第二电解液。
9.如上述权利要求所述的方法,所述充电截止电压为4.25V,放电截止电压为2.75V。
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CN112864465A (zh) * | 2021-01-28 | 2021-05-28 | 苏州酷卡环保科技有限公司 | 一种锂离子电池的化成方法 |
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US20090274849A1 (en) * | 2008-04-30 | 2009-11-05 | Medtronic, Inc. | Formation process for lithium-ion batteries |
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2020
- 2020-11-11 CN CN202011254408.3A patent/CN112201854A/zh not_active Withdrawn
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