CN113540578B - 电芯制备及优化方法、电芯 - Google Patents

电芯制备及优化方法、电芯 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种电芯制备及优化方法、电芯，涉及电池技术领域。电芯制备方法包括：基于电芯的高温存储数据，得到电芯的负极材料减少量；根据电芯的正极材料用量与电芯的负极材料减少量，得到所述电芯的负极目标材料用量；利用所述电芯的正极材料用量与负极目标材料用量进行电芯的制备。本发明中，在制备电芯时减少了负极材料用量，减少的负极材料的空间可用于填充更多的正极活性物质，提升了电芯的体积能量密度和重量能量密度，提升了正极首效，减小了电芯正极与负极之间的首效差距。

Description

电芯制备及优化方法、电芯
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种电芯制备及优化方法、电芯。
背景技术
锂离子电池(后简称锂电池)作为目前常用的电池之一，其主要由正极，负极，隔离膜，电解液组成。库伦效率，也叫放电效率，是指电池放电容量与同循环过程中充电容量之比，即放电容量与充电容量之百分比；目前常用的锂电池的正极的首次库伦效率(后简称首效)在86％～91％之间，而负极的首效在93％左右，锂电池的正极与负极之间存在着首效不匹配的问题。
目前，针对锂电池的正极与负极之间存在的首效不匹配问题，常用解决方案包括两种，一种是提高正极的首效，另一种是降低负极的首效。
然而，在提高正极的首效时，使得锂电池的镍含量越来越高，锂镍混排的现象越来越严重，并且技术难度较高，短期内难以明显改善正极的首效；在降低负极的首效时，主要方式是添加硅或者低首效的石墨，会对锂电池的性能造成损伤。
发明内容
本发明的目的是提供了一种电芯制备及优化方法、电芯，在制备电芯时减少了负极材料用量，减少的负极材料的空间可用于填充更多的正极活性物质，提升了电芯的体积能量密度和重量能量密度，提升了正极首效，减小了电芯正极与负极之间的首效差距；并且后续可以通过电池高温老化操作，消耗掉电芯中一部分多余的锂离子，从而能够在减少负极材料用量的情况下满足电芯对N/P比的要求，不会对电芯的性能产生影响。
为实现上述目的，本发明提供了一种电芯制备方法，包括：基于电芯的高温存储数据，得到所述电芯的负极材料减少量；根据所述电芯的正极材料用量与所述电芯的负极材料减少量，得到所述电芯的负极目标材料用量；利用所述电芯的正极材料用量与负极目标材料用量进行电芯的制备。
本发明还提供了一种电芯优化方法，将待优化电芯充电至预设荷电状态；其中所述待优化电芯为上述的电芯制备方法制备的电芯，所述预设荷电状态为制备所述电芯时所采用的高温存储数据中的初始荷电状态；控制所述待优化电芯所处环境的温度为预设存储温度，所述预设存储温度为制备所述电芯时所采用的高温存储数据中的存储温度；将在所述预设存储温度下存储预设存储时长的所述待优化电芯作为优化后的电芯，所述预设存储时长为制备所述电芯时所采用的高温存储数据中的存储时长。
本发明还提供了一种电芯，电芯基于上述的电芯制备方法进行制备，和/或基于上述的电芯优化方法进行优化。
本发明实施例中，在制备电芯时，基于电芯的高温存储数据，得到所述电芯的负极材料减少量，根据所述电芯的正极材料用量与所述电芯的负极材料减少量，得到所述电芯的负极目标材料用量，利用所述电芯的正极材料用量与负极目标材料用量进行电芯的制备；即在制备电芯时减少了负极材料用量，减少的负极材料的空间可用于填充更多的正极活性物质，提升了电芯的体积能量密度和重量能量密度，提升了正极首效，减小了电芯正极与负极之间的首效差距；并且后续可以通过电池高温老化操作，消耗掉电芯中一部分多余的锂离子，从而能够在减少负极材料用量的情况下满足电芯对N/P比的要求，不会对电芯的性能产生影响。
在一个实施例中，所述基于电芯的高温存储数据，得到所述电芯的负极材料减少量，包括：
基于电芯的高温存储数据，得到所述电芯中锂离子的消耗数据；
根据所述锂离子的消耗数据，得到所述电芯的负极材料减少量。
在一个实施例中，所述高温存储数据，包括：电芯的预设存储温度、预设存储时长以及电芯荷电状态数据；
所述基于电芯的高温存储数据，得到所述电芯中锂离子的消耗数据，包括：
基于所述高温存储数据中的电芯荷电状态数据，得到所述电芯在所述预设存储温度下存储所述预设存储时长后的荷电状态变化数据，所述电芯中锂离子的消耗数据包括所述荷电状态变化数据。
在一个实施例中，所述根据所述电芯的正极材料用量与所述电芯的负极材料减少量，得到所述电芯的负极目标材料用量，包括：
根据所述电芯的正极材料用量，计算所述电芯的负极参考材料用量；
根据所述负极参考材料用量与所述负极材料减少量，得到所述电芯的负极目标材料用量。
在一个实施例中，所述锂离子的消耗数据为所述电芯在预设存储温度中存储预设存储时长后的荷电状态下降比例；所述电芯的负极目标材料用量的公式为：
N’＝N*(1-b％)；
其中，N’表示所述电芯的负极目标材料用量，N表示所述电芯的负极参考材料用量，b％表示所述电芯在预设存储温度中存储预设存储时长后的荷电状态下降比例。
在一个实施例中，在所述将待优化电芯充电至预设荷电状态之前，还包括：
将待优化电芯充电至预设电压进行活化。
在一个实施例中，所述预设荷电状态在[50％，80％]范围内。
在一个实施例中，所述预设存储温度在[45℃，60℃]范围内。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例中的电芯制备方法的具体流程图；
图2是图1中的电芯制备方法的步骤101的具体流程图；
图3是图1中的电芯制备方法的步骤102的具体流程图；
图4是根据本发明第二实施例中的电芯优化方法的具体流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的各实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。
除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。
在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。
如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“或/和”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。
在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
本发明第一实施方式涉及一种电芯制备方法，利用电芯的高温存储数据来制备电芯，在制备电芯时能够减少负极材料用量，减少的负极材料的空间可用于填充更多的正极活性物质，提升了电芯的体积能量密度和重量能量密度；后续通过电池高温老化操作，消耗掉电芯中一部分多余的锂离子，相当于提升了正极首效，减小了电芯正极与负极之间的首效差距，同时能够在减少负极材料用量的情况下满足电芯对N/P比(Negative/Postive，负极/正极)的要求。其中，电芯可以为锂离子电池，锂离子电池包括正极片、负极片、隔离膜、电解液以及电池壳，本实施例以及之后的实施例中，均以电芯为上述的锂离子电池(简称锂电池)为例进行说明。
本实施方式的电芯制备方法的具体流程如图1所示。
步骤101，基于电芯的高温存储数据，得到电芯的负极材料减少量。
请参考图2，步骤101包括以下子步骤：
子步骤1011，基于电芯的高温存储数据，得到电芯中锂离子的消耗数据。高温存储数据与电芯在老化过程中的锂离子消耗相关联。
具体而言，电芯的高温存储数据可以为电芯在不同老化温度与不同初始SOC(State of Charge，荷电状态)下锂离子的消耗速度，电芯的高温存储数据具体包括：电芯的预设存储温度、预设存储时长以及电芯荷电状态数据，其中，电芯的荷电状态数据至少包括电芯在高温存储时的初始SOC(记为SOC1)与电池在高温存储预设存储时长后剩余的SOC(记为SOC2)，另外电芯的SOC数据还可以包括电池在存储预设存储时长的过程中消耗的SOC(记为SOC3)。其中，电芯在高温存储时的初始SOC1在[50％，80％]范围内。
基于电芯的高温存储数据，得到电芯中锂离子的消耗数据，包括：基于高温存储数据中的电芯荷电状态数据，得到电芯在预设存储温度下存储预设存储时长后的荷电状态变化数据，电芯中锂离子的消耗数据包括荷电状态变化数据。具体的，可以用电芯在预设存储温度下存储预设存储时长后的SOC变化数据来表征电芯中锂离子的消耗数据，SOC变化数据包括电芯在预设存储温度下存储预设存储时长后SOC减少量，和/或电芯在预设存储温度下存储预设存储时长后SOC下降比例b％。其中，SOC减少量即为上述的SOC3，SOC3＝SOC1-SOC2；SOC下降比例b％＝(SOC1-SOC2)/SOC1*100％＝SOC3/SOC1*100％，用SOC下降比例b％来表征电芯中锂离子的消耗数据，能够适用于不同容量的电芯。
子步骤1012，根据锂离子的消耗数据，得到电芯的负极材料减少量。
具体而言，电芯的负极材料减少量表征的是电芯的目标负极材料用量相对于电芯的负极参考材料用量的减少量，以SOC下降比例b％来表征电芯中锂离子的消耗数据，则电芯的负极材料减少量为b％。
步骤102，根据电芯的正极材料用量与电芯的负极材料减少量，得到电芯的负极目标材料用量。
请参考图3，步骤102，包括以下子步骤：
子步骤1021，根据电芯的正极材料用量，计算电芯的负极参考材料用量。
具体而言，电芯的正极材料用量可以基于设计的电芯的容量来得到，在制备电芯时，电芯的正极材料用量与负极材料用量的比例是一定的，用a表示正极材料用量P与负极材料用量N的比值，即a＝P/N；由此可以得到负极参考材料用量N＝P/a。
子步骤1022，根据负极参考材料用量与负极材料减少量，得到电芯的负极目标材料用量。
具体而言，以荷电状态下降比例b％来表征电芯中锂离子的消耗数据，则电芯的负极材料减少量为b％，用N’表示电芯的负极目标材料用量，则可以得到：
电芯的负极目标材料用量N’的公式为：
N’＝N*(1-b％)；
其中，N’表示电芯的负极目标材料用量，N表示电芯的负极参考材料用量，b％表示电芯在预设存储温度中存储预设存储时长后的荷电状态下降比例。
需要说明的是，本实施例中可以根据当前制备的电芯的容量来选择采用荷电状态下降比例或者荷电状态减少量来表征电芯中锂离子的消耗数据，例如若当前制备电芯的容量与高温存储数据中所指示的电芯的容量匹配(即容量的差距在预设范围内)，可以荷电状态减少量或荷电状态下降比例来表征电芯中锂离子的消耗数据；若当前制备电芯的容量与高温存储数据中所指示的电芯的容量不匹配(即容量的差距在超过了预设范围)，则采用荷电状态下降比例来表征电芯中锂离子的消耗数据。
步骤103，利用电芯的正极材料用量与负极目标材料用量进行电芯的制备。
具体而言，根据得到的电芯的正极材料用量与负极目标材料用量，将正负极浆料按照设计面密度分别涂覆在基材上，辊压后形成正极片与负极片，然后将正极片、负极片、隔离膜、电解液以及电池壳等组装得到电芯。其中，电芯的正极材料可以为NCM811，负极材料可以为石墨。
需要说明的是，步骤103中仅简单描述了电芯制备所用的材料和制备工艺，并未对电芯制备工艺和材料进行任何限制，只要采用本发明的电芯制备方式进行电芯的制备均在发明的保护范围之内。
本实施例中的电芯的高温存储数据为电池在高温老化过程中得到的数据，即先按照正常的正负极材料比例制备一定数量的电芯进行高温老化，然后记录这些电芯在高温老化过程中的数据，即为上述的高温存储数据；然后利用高温存储数据按照本实例的电芯制备方法来制备电芯。
本实施例中，在制备电芯时，基于电芯的高温存储数据，得到电芯的负极材料减少量，根据电芯的正极材料用量与电芯的负极材料减少量，得到电芯的负极目标材料用量，利用电芯的正极材料用量与负极目标材料用量进行电芯的制备；即在制备电芯时减少了负极材料用量，减少的负极材料的空间可用于填充更多的正极活性物质，提升了电芯的体积能量密度和重量能量密度，提升了正极首效，减小了电芯正极与负极之间的首效差距；并且后续可以通过电池高温老化操作，消耗掉电芯中一部分多余的锂离子，从而能够在减少负极材料用量的情况下满足电芯对N/P比的要求，不会对电芯的性能产生影响。
本发明的第二实施例涉及一种电芯优化方法，通过高温老化对第一实施例中制备的电芯进行优化，在高温老化的过程中消耗了电芯中一部分多余的锂离子，以在减少了负极材料用量的情况下满足电芯对N/P比的要求，避免对电芯的性能产生影响。
本实施方式的电芯优化方法的具体流程如图4所示。
步骤201，将待优化电芯充电至预设电压进行活化。
具体而言，待优化电芯为基于第一实施例中的电芯制备方法所制备的电芯，在电芯制成以后，需要对电芯进行活化，电芯活化的目的是让电芯中的活性物质和电解液经过充分活化以达到电化学性能稳定；电芯活化的过程包括：采用小电流对电芯进行充电，控制该电芯充电至预设电压，使得电芯电极表面的活性物质的氧化层还原，提高电极的活性，使得电芯的容量逐渐提高；再经过多个小电流的充放电循环之后，使得电芯电极表面的活性物质充分活化，使得电芯的容量和性能达到较好的程度。其中，预设电压在[3.15V，3.75V]范围内，可以根据电芯的不同选择不同的预设电压进行活化。需要说明的是，本实施例中以电芯优化方法包括步骤201为例进行说明，步骤201并非实现本发明的必须。
步骤202，将待优化电芯充电至预设荷电状态；其中待优化电芯为基于第一实施例中的电芯制备方法制备的电芯，预设荷电状态为制备电芯时所采用的高温存储数据中的初始荷电状态。
步骤203，控制待优化电芯所处环境的温度为预设存储温度，预设存储温度为制备电芯时所采用的高温存储数据中的存储温度。
步骤204，将在预设存储温度下存储预设存储时长的待优化电芯作为优化后的电芯，预设存储时长为制备电芯时所采用的高温存储数据中的存储时长。
具体而言，步骤202至步骤204为对待优化电芯进行高温老化的过程，由于待优化电芯是基于第一实施例中的电芯制备方法制备的电芯，在制备电芯时使用的高温存储数据包括电芯的预设存储温度、预设存储时长以及电芯荷电状态数据；电芯的荷电状态数据至少包括电芯在存储时的初始SOC(记为SOC1)与电池在存储预设存储时长后剩余的SOC(记为SOC2)。
在对待优化电芯进行高温老化前，需要先将电芯采用正常电压充电至预设SOC，预设SOC采用的是制备电芯时的高温存储数据中的初始SOC1，预设SOC可以为50％～80％。
在电芯充电至预设SOC后，调节电芯所处环境的温度至预设存储温度，预设存储温度采用的是制备电芯时高温存储数据中的存储温度，预设存储温度可以在45℃至60℃之间，然后将该电芯在预设存储温度的环境下静置预设存储时长，预设存储时长采用的是制备电芯时高温存储数据中的存储时长，预设存储时长可以在2天至15天之间，电芯在预设存储温度的环境下静置预设存储时长后，便能够得到优化后的电芯。
在一个例子中，在电芯完成高温老化后，还可以抽取电芯中多余的气体，并在电芯中补充电解液，能够进一步提高电芯的能量密度。
举例来说，采用第一实施例中的电芯制备方法所制备的电芯的正极首效为89％，负极首效为94％，制备电芯时减少了负极材料用量；随后再采用本实施例中的电芯优化方法对该电芯进行高温老化，消耗掉电芯中多余的锂离子，此时电芯正极首效提升至89％以上。
本实施例中，对利用高温存储数据制备得到电芯，采用与高温存储数据对应的容量、温度以及存储时长对电芯进行高温老化，即将电芯在预设存储温度的高温环境下进行高温老化，电芯在预设存储温度的环境预设时长下静置时，电芯正极释放的多余的锂离子会被消耗掉一部分，因此即便在电芯制备的过程中减少负极的石墨用量，仍然能够满足电芯设定的N/P比(Negative/Postive，负极/正极)，即使得电芯正负极配比(Cell Balance，简称CB值)满足设定的条件，使得电芯正极的首效与负极的首效之间的差距减小。因此，即便在制备电芯时，减少了电芯负极材料(例如为石墨)的使用量，并利用减少的负极材料部分填充更多的正极活性物质，提升了电芯的体积能量密度，但是仍不会对电芯的性能产生影响。
本发明的第三实施例涉及一种电芯，电芯可以为锂离子电池，锂离子电池包括正极片、负极片、隔离膜、电解液以及电池壳。
本实施例中的电芯可以为采用第一实施例中的电芯制备方法进行制备，和/或采用第二实施例中的电芯优化方法进行优化。
举例来说，本实施例中的电芯可以为采用第一实施例中的电芯制备方法进行制备，并采用第二实施例中的电芯优化方法进行优化；即在制备电芯时减少了负极材料用量，减少的负极材料的空间可用于填充更多的正极活性物质，提升了电芯的体积能量密度和重量能量密度，提升了正极首效，减小了电芯正极与负极之间的首效差距；并且后续通过电池高温老化操作，消耗掉电芯中一部分多余的锂离子，从而能够在减少负极材料用量的情况下满足电芯对N/P比的要求，不会对电芯的性能产生影响。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，若需要，能修改实施例的方面来采用各种专利、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。
考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。

Claims (9)

1.一种电芯制备方法，其特征在于，包括：
基于电芯的高温存储数据，得到所述电芯的负极材料减少量；
根据所述电芯的正极材料用量与所述电芯的负极材料减少量，得到所述电芯的负极目标材料用量；
利用所述电芯的正极材料用量与负极目标材料用量进行电芯的制备；
其中，所述基于电芯的高温存储数据，得到所述电芯的负极材料减少量，包括：
基于电芯的高温存储数据，得到所述电芯中锂离子的消耗数据；
根据所述锂离子的消耗数据，得到所述电芯的负极材料减少量。
2.根据权利要求1所述的电芯制备方法，其特征在于，所述高温存储数据，包括：电芯的预设存储温度、预设存储时长以及电芯荷电状态数据；
所述基于电芯的高温存储数据，得到所述电芯中锂离子的消耗数据，包括：
基于所述高温存储数据中的电芯荷电状态数据，得到所述电芯在所述预设存储温度下存储所述预设存储时长后的荷电状态变化数据，所述电芯中锂离子的消耗数据包括所述荷电状态变化数据。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的电芯制备方法，其特征在于，所述根据所述电芯的正极材料用量与所述电芯的负极材料减少量，得到所述电芯的负极目标材料用量，包括：
根据所述电芯的正极材料用量，计算所述电芯的负极参考材料用量；
根据所述负极参考材料用量与所述负极材料减少量，得到所述电芯的负极目标材料用量。
4.根据权利要求3所述的电芯制备方法，其特征在于，所述锂离子的消耗数据为所述电芯在预设存储温度中存储预设存储时长后的荷电状态下降比例；所述电芯的负极目标材料用量的公式为：
N’＝N*(1-b％)；
其中，N’表示所述电芯的负极目标材料用量，N表示所述电芯的负极参考材料用量，b％表示所述电芯在预设存储温度中存储预设存储时长后的荷电状态下降比例。
5.一种电芯优化方法，其特征在于，包括：
将待优化电芯充电至预设荷电状态；其中所述待优化电芯为基于权利要求1至4中任一项的电芯制备方法制备的电芯，所述预设荷电状态为制备所述电芯时所采用的高温存储数据中的初始荷电状态；
控制所述待优化电芯所处环境的温度为预设存储温度，所述预设存储温度为制备所述电芯时所采用的高温存储数据中的存储温度；
将在所述预设存储温度下存储预设存储时长的所述待优化电芯作为优化后的电芯，所述预设存储时长为制备所述电芯时所采用的高温存储数据中的存储时长。
6.根据权利要求5所述的电芯优化方法，其特征在于，在所述待优化电芯充电至预设荷电状态之前，还包括：
将待优化电芯充电至预设电压进行活化。
7.根据权利要求5所述的电芯优化方法，其特征在于，所述预设荷电状态在[50％，80％]范围内。
8.根据权利要求5所述的电芯优化方法，其特征在于，所述预设存储温度在[45℃，60℃]范围内。
9.一种电芯，其特征在于，所述电芯基于权利要求1至4中任一项所述的电芯制备方法进行制备，和/或基于权利要求5至8中任一项所述的电芯优化方法进行优化。
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