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

一种动力锂离子电池的化成方法
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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