CN113078367A - 一种高能量密度软包装锂离子电池的制造方法 - Google Patents

一种高能量密度软包装锂离子电池的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高能量密度软包装锂离子电池的制造方法，包括以下步骤：步骤1：制备电池卷芯或极片集束；步骤2：将包有隔离膜的涂碳铝箔包裹在电池卷芯或极片集束外部，并组装成软包电池；步骤3：向步骤2组装的软包电池中注入预锂化电解液，以涂碳铝箔作为辅助电极对负极进行预锂化；步骤4：预锂化完成后，取出涂碳铝箔并去除多余的预锂化电解液，注入功能化电解液，然后进行活化，得到高能量密度软包装锂离子电池。本发明实现了电池负极的简单、安全、可精准控制的原位预锂化，从而弥补全电池首次充放电过程中的锂损失，提高全电池中正极材料的克容量发挥，有效提升锂离子电池的能量密度。

Description

一种高能量密度软包装锂离子电池的制造方法
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，特别涉及一种高能量密度软包装锂离子电池的制造方法。
背景技术
锂离子电池具有工作电压高、能量密度大和循环性能优异等特点，近年来在便携式电子器具、电动两轮车、无人机、电动汽车等领域得到广泛使用。随着用户需求的不断提升，对锂离子电池的能量密度提出了越来越高的要求。
为了提高锂离子电池的能量密度，人们开发了系列高电压、高容量正极材料，以及高容量负极材料如氧化硅/碳复合负极材料、纳米硅/碳复合负极材料、复合碳负极材料等。其中硅基负极材料(氧化硅/碳复合负极材料、纳米硅/碳复合负极材料)由于首次充放电效率较低，使得首次充电过程中从正极脱出的锂离子在接下来的放电过程中不能全部回嵌到正极材料，从而导致正极材料在采用硅基负极的全电池(采用石墨、硅基负极、钛酸锂负极等作为对电极的电池体系)中的比容量小于半电池(采用金属锂作为对电极的模拟电池)中的克容量。即使是采用石墨负极，正极在全电池中克容量发挥通常也是低于半电池中的克容量。通过在正、负极材料中或在电极表面加入补锂剂可以补偿首次充放电过程中的锂损失，但是，负极补锂剂(如锂箔、稳定化锂粉)通常与空气中水分、甚至与氧氧和二氧化碳反应活性高，对于环境控制要求高，安全隐患大；正极补锂通常会残余脱锂后的非活性物质，从而降低正极材料整体的比容量。
因此，如何实现简单、安全的原位预锂化，提高锂离子电池的能量密度，具有重要意义与应用前景。
发明内容
本发明提供了一种高能量密度软包装锂离子电池的制造方法，通过在锂离子电池组装过程中预设涂炭铝箔辅助电极，通过对涂炭铝箔辅助电极、电池负极构成的电化学体系进行充电，实现电池负极的简单、安全、可精准控制的位预锂化，从而弥补全电池首次充放电过程中的锂损失，提高全电池中正极材料的克容量发挥，有效提升锂离子电池的能量密度。
为了达到上述目的，本发明提供了一种高能量密度软包装锂离子电池的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：制备电池卷芯或极片集束；
步骤2：将包有隔离膜的涂碳铝箔包裹在电池卷芯或极片集束外部，并组装成软包电池；
步骤3：向步骤2组装的软包电池中注入预锂化电解液，以涂碳铝箔作为辅助电极对负极进行预锂化；
步骤4：预锂化完成后，取出涂碳铝箔及预锂化电解液，注入功能化电解液，然后进行活化，得到高能量密度软包装锂离子电池。
优选地，所述电池卷芯或极片集束包括正极片、负极片和隔膜，所述正极片和负极片的集流体均为多孔集流体。
优选地，所述多孔集流体上孔的间距小于5mm，孔的直径小于0.3mm。
优选地，所述正极片和负极片通过在多孔集流体上涂敷活性物质、粘结剂和导电剂混合物而得。
优选地，所述涂碳铝箔末端焊接有铝塑复合极耳；所述复合极耳从软包电池的气袋引出。
优选地，所述预锂化电解液为含有0.5-3％的VC，1-12％的LiDFOB和10-15％的LiPF6的溶剂，所述溶剂由DMC，DEC，EMC，PC，EA中的至少一种与EC混合得到。
优选地，所述预锂化电解液的注液量与电池设计容量之间的比值为4-8g/Ah。
优选地，注入预锂化电解液后，采用热压熔接的方式进行一次封口，静置15-180min。
优选地，所述预锂化具体过程为：将辅助电极与电池负极分别与外电源的正、负极连接，在无外加压力状态下加热至45-80℃，以0.002-0.02C充电2-50h。
优选地，所述步骤4中，采用抽真空或离心的方式取出预锂化电解液并进行回收。在补充VC，LiDFOB和LiPF6后作为预锂化电解液循环使用。
优选地，所述功能电解液为含有0.5-3％的FEC，15-18％的LiPF6的溶剂，所述溶剂由DMC，DEC，EMC，PC，EA中的至少一种与EC混合得到。
优选地，所述功能电解液的注液量为0.8-1.5g/Ah，注入功能电解液在环境温度为35-45℃下进行。
优选地，所述步骤4中，注入功能电解液后将铝塑膜热压熔接进行二次封口并保留部分气袋，二次封口后，静置2-48h。
优选地，所述步骤4中，活化在加热加压状态下进行，活化后抽真空去除活化阶段产生的气体与多余的电解液，然后将铝塑膜热压熔接，进行三次封口。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明锂离子电池组装过程中预设一个涂碳铝箔辅助电极，通过对涂碳铝箔辅助电极、预锂化电解液、电池负极构成的电化学体系进行充电，实现电池负极的简单、安全、可精准控制的原位预锂化，从而弥补全电池首次充放电过程中的锂损失，提高全电池中正极材料的克容量发挥，从而有效提升锂离子电池的能量密度。
本发明采用涂碳铝箔作为辅助电极，在预锂化完成后，涂碳铝箔铝箔辅助电极及其与正负极绝缘的隔离膜取出，不增加最终锂离子电池的质量与体积，有利于提高锂离子电池的能量密度；相对锂片或锂箔作为辅助电极，由于锂片或锂箔不均匀腐蚀或溶解，使部分锂与外电路脱离，容易形成死锂，且部分腐蚀或溶解后的锂片或锂箔机械性能显著下降，没法从电池中取出，难以实现负极原位预锂化。
本发明采用涂碳铝箔辅助电极和预锂化电解液，在预锂化过程中可以采用较高的阳极电势，利用预锂化电解液在辅助电极发生氧化释放电子，而不会影响电池正极材料的结构，预锂化电解液在预锂化后进行更新，并且预锂化电解液本身与后续加注的功能电解液具有较好的相容性，少量的残留不影响电池的电化学性能。相对于铝箔，可以降低预锂化电解液在辅助电极上的氧化分解电势。
本发明采用多孔集流体，以及在无外加压力状态下进行预充电，并且进行适当加热，有利于促进辅助电极与负极之间的传质与电荷传递。
本发明通过在预锂化电解液中加入成膜添加剂，结合在注液完成后很短时间内即开始小电流充电预锂化，在预锂化过程中同时实现负极预锂化、SEI膜成膜、降低负极电势以抑制负极集流体腐蚀等目的。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
实施例1
正极片制备：将钴酸锂、导电剂、聚偏氟乙烯(PVDF)、氮甲基吡咯烷酮(NMP)按一定比例混合并搅拌均匀，配制成正极浆料，然后涂敷到多孔铝箔上，小孔之间的间距小于5mm，小孔的直径小于0.3mm，经烘干、辊压、制片得到正极片；
负极片制备：将纳米硅/碳复合负极材料、导电剂、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)和去离子水按一定比例混合并搅拌均匀，配制成负极浆料，然后涂敷到多孔铜箔上，小孔之间的间距小于5mm，小孔的直径小于0.3mm，经烘干、辊压、制片得到负极片；
含辅助电极的软包电池组装：将正极片、负极片、隔膜经卷绕得到卷芯，其中正极耳、负极耳位于卷芯顶部，在卷芯外部包裹与正负极片绝缘的涂碳铝箔辅助电极，涂碳铝箔两面均包有隔离膜，涂碳铝箔末端焊接有铝塑复合极耳，将卷芯和辅助电极放入铝塑膜中，辅助电极涂碳铝箔上连接有铝塑复合极耳从软包电池的气袋引出，通过在封印位置加压加热，实现铝塑膜与铝塑膜，铝塑膜与正极耳、负极耳、辅助电极极耳的热熔接，并预留部分未封区作为注液口。
注预锂化电解液、一次封口：软包电池经干燥脱除水分，按6g/Ah注预锂化电解液，预锂化电解液为含1.5％的VC，5％的LiDFOB，12％的LiPF6的EC/EMC溶液，采用热压熔接的方式将注液口的铝塑膜熔合与密封。
预锂化、取出辅助电极、加注功能电解液、二次封口：一次封口后的电池静置60min，将辅助电极与电池负极分别与外电源的正、负极连接，在无外加压力状态下加热至60℃，以0.01C充电10h。切去含辅助电极极耳位置的部分铝塑膜，抽出辅助电极及包裹辅助电极的隔离膜，通过抽真空去除并回收预锂化电解液，回收的预锂化电解液在补充VC，LiDFOB添加剂和LiPF6后作为预锂化电解液循环使用；在40℃下按1.0g/Ah加注功能电解液，功能电解液为含有2％的FEC，16％的LiPF6的EC/EMC溶液。然后将前述切开位置的铝塑膜热压熔接，实现二次封口并保留部分气袋。
活化、三次封口、分选：软包电池二次封口后，静置12h，在80℃、0.8MPa的加热加压状态下以0.5C电流充电60min进行活化；抽真空去除活化阶段产生的气体与多余的电解液，接着将前述切开的铝塑膜热压熔接，实现三次封口，切去气袋；然后进行充放电分选，得到高能量密度锂离子电池。
制作的电池型号为496580PL(厚度4.9mm，宽度65mm，长度80mm)，所得电池在2.75-4.40V以0.5C mA恒流/恒压充电、恒流放电，室温下放电平均容量为5050mAh，钴酸锂的平均克容量为177mAh/g，0.5C充放电循环500次后的容量保持率为85.4％。
作为对比，采用普通技术(未设置辅助电极及预锂化)技术制备的同型号在2.75-4.40V以0.5C mA恒流/恒压充电、恒流放电，室温下放电平均容量为4700mAh，钴酸锂的平均克容量为166mAh/g，0.5C充放电循环500次后的容量保持率为67.3％。
实施例2
正极片制备：将镍钴锰酸锂(NCM523)、导电剂、聚偏氟乙烯(PVDF)、氮甲基吡咯烷酮(NMP)按一定比例混合并搅拌均匀，配制成正极浆料，然后涂敷到多孔铝箔上，小孔之间的间距小于5mm，小孔的直径小于0.3mm，经烘干、辊压、制片得到正极片；
负极片制备：将氧化硅/碳复合负极材料、导电剂、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)和去离子水按一定比例混合并搅拌均匀，配制成负极浆料，然后涂敷到多孔铜箔上，小孔之间的间距小于5mm，小孔的直径小于0.3mm，经烘干、辊压、制片得到负极片；
含辅助电极的软包电池组装：将正极片、负极片、隔膜经叠片得到极片集束，其中正极耳、负极耳位于电芯顶部，在极片集束外部包裹与正负极片绝缘的涂碳铝箔辅助电极，涂碳铝箔两面均包有隔离膜，涂碳铝箔末端焊接有铝塑复合极耳，将极片集束和辅助电极放入铝塑膜中，辅助电极涂碳铝箔上连接有铝塑复合极耳从软包电池的气袋引出，通过在封印位置加压加热，实现铝塑膜与铝塑膜，铝塑膜与正极耳、负极耳、辅助电极极耳的热熔接，并预留部分未封区作为注液口。
注预锂化电解液、一次封口：软包电池经干燥脱除水分，按8g/Ah注预锂化电解液，预锂化电解液为含0.5％的VC，12％的LiDFOB，10％的LiPF6的EC/EMC/DEC溶液，采用热压熔接的方式将注液口的铝塑膜熔合与密封。
预锂化、取出辅助电极、加注功能电解液、二次封口：一次封口后的电池静置180min，将辅助电极与电池负极分别与外电源的正、负极连接，在无外加压力状态下加热至45℃，以0.003C充电50h。切去含辅助电极极耳位置的部分铝塑膜，抽出辅助电极及包裹辅助电极的隔离膜，通过离心作用去除并回收预锂化电解液，回收的预锂化电解液在补充VC，LiDFOB添加剂和LiPF6后作为预锂化电解液循环使用；在45℃下按1.5g/Ah加注功能电解液，功能电解液为含有3％FEC，15％LiPF6的EC/EMC/DEC溶液。然后将前述切开铝塑膜热压熔接，实现二次封口并保留部分气袋。
活化、三次封口、分选：软包电池二次封口后，静置48h，在70℃、0.6MPa的加热加压状态下以0.5C电流充电75min进行活化；抽真空去除活化阶段产生的气体与多余的电解液，接着将前述切开铝塑膜热压熔接，实现三次封口，切去气袋；然后进行充放电分选，得到高能量密度锂离子电池。
制作的电池型号为9872170PL(厚度9.8mm，宽度72mm，长度170mm)，所得电池在2.75-4.35V以0.5C mA恒流/恒压充电、恒流放电，室温下放电平均容量为21.2Ah，镍钴锰酸锂的平均克容量为173mAh/g，0.5C充放电循环500次后的容量保持率为88.5％。
作为对比，采用普通技术(未设置辅助电极及预锂化)技术制备的同型号在2.75-4.35V以0.5C mA恒流/恒压充电、恒流放电，室温下放电平均容量为19.8Ah，镍钴锰酸锂的平均克容量为162mAh/g，0.5C充放电循环500次后的容量保持率为65.1％。
实施例3
正极片制备：将磷酸铁锂、导电剂、聚偏氟乙烯(PVDF)、氮甲基吡咯烷酮(NMP)按一定比例混合并搅拌均匀，配制成正极浆料，然后涂敷到多孔铝箔上，小孔之间的间距小于5mm，小孔的直径小于0.3mm，经烘干、辊压、制片得到正极片；
负极片制备：将石墨、导电剂、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)和去离子水按一定比例混合并搅拌均匀，配制成负极浆料，然后涂敷到多孔铜箔上，小孔之间的间距小于5mm，小孔的直径小于0.3mm，经烘干、辊压、制片得到负极片；
含辅助电极的软包电池组装：将正极片、负极片、隔膜经叠片得到极片集束，其中正极耳、负极耳位于电芯顶部，在极片集束外部包裹与正负极片绝缘的涂碳铝箔辅助电极，涂碳铝箔两面均包有隔离膜，涂碳铝箔末端焊接有铝塑复合极耳，将极片集束和辅助电极放入铝塑膜中，辅助电极涂碳铝箔上连接有铝塑复合极耳从软包电池的气袋引出，通过在封印位置加压加热，实现铝塑膜与铝塑膜，铝塑膜与正极耳、负极耳、辅助电极极耳的热熔接，并预留部分未封区作为注液口。
注预锂化电解液、一次封口：软包电池经干燥脱除水分，按4g/Ah注预锂化电解液，预锂化电解液为含3％的VC，1％的LiDFOB，15％的LiPF6的EC/DMC/PC/EA溶液，采用热压熔接的方式将注液口的铝塑膜熔合与密封。
预锂化、取出辅助电极、加注功能电解液、二次封口：一次封口后的电池静置15min，将辅助电极与电池负极分别与外电源的正、负极连接，在无外加压力状态下加热至80℃，以0.02C充电2h。切去含辅助电极极耳位置的部分铝塑膜，抽出辅助电极及包裹辅助电极的隔离膜，通过抽真空或离心作用去除并回收预锂化电解液，回收的电解液在补充VC，LiDFOB添加剂和LiPF6后作为预锂化电解液循环使用；在35℃下按0.8g/Ah加注功能电解液，功能电解液为含有0.5％FEC，18％LiPF6的EC/DMC/PC/EA溶液。然后将前述切开铝塑膜热压熔接，实现二次封口并保留部分气袋。
活化、三次封口、分选：软包电池二次封口后，静置2h，在80℃、0.8MPa的加热加压状态下以0.5C电流充电90min进行活化；抽真空去除活化阶段产生的气体与多余的电解液，接着将前述切开铝塑膜热压熔接，实现三次封口，切去气袋；然后进行充放电分选，得到高能量密度软包装锂离子电池。
制作的电池型号为7295250PL(厚度7.2mm，宽度95mm，长度250mm)，所得电池在2.5-3.65V以0.5C mA恒流/恒压充电、恒流放电，室温下放电平均容量为20.6Ah，磷酸铁锂的平均克容量为158mAh/g，0.5C充放电循环1500次后的容量保持率为85.5％。
作为对比，采用普通技术(未设置辅助电极及预锂化)技术制备的同型号在2.5-3.65V以0.5C mA恒流/恒压充电、恒流放电，室温下放电平均容量为18.5Ah，磷酸铁锂的平均克容量为142mAh/g，0.5C充放电循环1500次后的容量保持率为82.2％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高能量密度软包装锂离子电池的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制备电池卷芯或极片集束；
步骤2：将包有隔离膜的涂碳铝箔包裹在电池卷芯或极片集束外部，并组装成软包电池；
步骤3：向步骤2组装的软包电池中注入预锂化电解液，以涂碳铝箔作为辅助电极对负极进行预锂化；
步骤4：预锂化完成后，取出涂碳铝箔并去除多余的预锂化电解液，注入功能化电解液，然后进行活化，得到高能量密度软包装锂离子电池。
2.根据权利要求1所述的高能量密度软包装锂离子电池的制造方法，其特征在于，所述电池卷芯或极片集束包括正极片、负极片和隔膜，所述正极片和负极片的集流体均为多孔集流体；
所述多孔集流体上孔的间距小于5mm，孔的直径小于0.3mm。
3.根据权利要求2所述的高能量密度软包装锂离子电池的制造方法，其特征在于，所述正极片和负极片通过在多孔集流体上涂敷活性物质、粘结剂和导电剂混合物而得。
4.根据权利要求1所述的高能量密度软包装锂离子电池的制造方法，其特征在于，所述涂碳铝箔末端焊接有铝塑复合极耳；所述复合极耳从软包电池的气袋引出。
5.根据权利要求1所述的高能量密度软包装锂离子电池的制造方法，其特征在于，所述预锂化电解液为含有0.5-3％的VC，1-12％的LiDFOB和10-15％的LiPF6的溶剂，所述溶剂由DMC，DEC，EMC，PC，EA中的至少一种与EC混合得到；
所述预锂化电解液的注液量与电池设计容量之间的比值为4-8g/Ah；
注入预锂化电解液后，采用热压熔接的方式进行一次封口，静置15-180min。
6.根据权利要求1所述的高能量密度软包装锂离子电池的制造方法，其特征在于，所述预锂化具体过程为：将辅助电极与电池负极分别与外电源的正、负极连接，在无外加压力状态下加热至45-80℃，以0.002-0.02C充电2-50h。
7.根据权利要求1所述的高能量密度软包装锂离子电池的制造方法，其特征在于，所述步骤4中，采用抽真空或离心的方式去除多余的预锂化电解液并进行回收,在补充VC，LiDFOB和LiPF6后作为预锂化电解液循环使用。
8.根据权利要求1所述的高能量密度软包装锂离子电池的制造方法，其特征在于，所述功能电解液为含有0.5-3％的FEC，15-18％的LiPF6的溶剂，所述溶剂由DMC，DEC，EMC，PC，EA中的至少一种与EC混合得到。
9.根据权利要求1所述的高能量密度软包装锂离子电池的制造方法，其特征在于，所述功能电解液的注液量为0.8-1.5g/Ah，注入功能电解液在环境温度为35-45℃下进行；注入功能电解液后将铝塑膜热压熔接进行二次封口并保留部分气袋，二次封口后，静置2-48h。
10.根据权利要求1所述的高能量密度软包装锂离子电池的制造方法，其特征在于，所述步骤4中，活化在加热加压状态下进行，活化后抽真空去除活化阶段产生的气体与多余的电解液，然后将铝塑膜热压熔接，进行三次封口。
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