CN114335772A

CN114335772A - 一种改善窄条形软包装锂离子电池循环性能的化成方法

Info

Publication number: CN114335772A
Application number: CN202111682415.8A
Authority: CN
Inventors: 黄磊; 周朕良; 张妍; 王艳飞; 郭大利; 刘玉涛; 刘通
Original assignee: Shandong Juxin New Energy Technology Co ltd
Current assignee: Shandong Juxin New Energy Technology Co ltd
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种改善窄条形软包装锂离子电池循环性能的化成方法，具体为对化成至3.8～4.0V的电池进行化成，包括满电化成阶段和呼吸式化成阶段，其中，满电化成阶段为使用0.5～1.5C的电流恒流恒压充电；呼吸式化成阶段包括至少一个呼吸式充放电循环，每个呼吸式充放电循环包括依次进行的恒流放电步骤和恒流恒压充电步骤。本发明化成方法可有效释放材料应力，增加正、负极极片和隔膜的贴合度，提高电池界面的一致性，避免分容及消费者使用负极材料高形变反弹导致的顶底部起鼓失效问题，而且可以大大提高电池的保液量，从而改善高能量密度窄条形软包装锂离子电池循环性能。

Description

一种改善窄条形软包装锂离子电池循环性能的化成方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种改善窄条形软包装锂离子电池循环性能的化成方法。

背景技术

目前，对于手机、笔记本电脑、平板电脑等数码类产品，行业内采用最多的电池为卷绕式内嵌极耳的软包装锂离子电池，该类电池由设置有金属集流体的长条状极片通过卷绕的方式制成，其中电池成品宽度≤50mm、高宽比≥1.5的软包装锂离子电池一般被称为窄条形软包装锂离子电池。

极片化成是影响电池最终性能的一道关键工艺。由于极片内嵌一定厚度的集流体(数码类产品通常为0.06～0.1mm厚度的铜带、铝带)，极组不同的区域会形成厚度梯度，集流体位置有明显凸出，化成时该位置首先与压力化成柜的上下压板接触，造成相邻位置受力变弱，从而导致极耳周边正负极极片、隔膜接触一致性差。较宽的电池由于电池边缘位置离极耳位置较远，受力较均衡，可以减缓电池循环的失效，但是对于窄条形电池，电池边缘位置距极耳位置太近，无法有效避开受力较弱位置，因而该现象表现的更为突出，从而造成循环过程电池极耳周边位置析锂形变，轻则顶坏电子设备屏幕，重则发生起火、爆炸等安全隐患。

当前，锂离子电池的设计充电截止电压一般为4.2～4.5V，常见的有4.35V、4.40V和4.45V等。各生产厂家采用不同类型的化成方法，最终化成的截止电压一般为3.8～4.0V，不能达到设计的截止电压，因此都属于半电化成工艺。随着正、负极材料的不断优化，能量密度不断提升，高能量密度电池对化成参数的要求也不断增高，现有常见的电池分容后在大面存在较高比率的顶底部月牙形起鼓形变，造成电池降级报废；即使分容顶底部未起鼓的电池也存在使用过程顶底部起鼓失效的潜在隐患。另外随着材料性能的进一步发掘，例如压实增大、隔膜变薄等因素，会进一步出现保液量偏低问题，保液量低会导致循环后期急剧恶化，大大影响电池产品的使用寿命。

发明内容

针对现有高能量密度窄条形软包装锂离子电池的循环性能失效问题，本发明提供一种改善窄条形软包装锂离子电池循环性能的化成方法，可有效释放材料应力，增加正、负极极片和隔膜的贴合度，提高电池界面的一致性，避免分容及消费者使用负极材料高形变反弹导致的顶底部起鼓失效问题，而且可以大大提高电池的保液量，从而改善高能量密度窄条形软包装锂离子电池循环性能。

本发明的技术方案如下：

一种改善窄条形软包装锂离子电池循环性能的化成方法，具体为对化成至3.8～4.0V的电池进行化成，包括满电化成阶段和呼吸式化成阶段，其中，满电化成阶段为使用0.5～1.5C的大电流恒流恒压充电，充电截止电压为电池设计的截止电压，充电截止电流为0.02～0.25C；

呼吸式化成阶段包括至少一个呼吸式充放电循环，每个呼吸式充放电循环包括依次进行的恒流放电步骤和恒流恒压充电步骤，恒流放电步骤的放电电流为0.2C～1.5C；恒流恒压充电步骤的充电电流为0.5～1.5C，充电截止电压为电池设计的截止电压，充电截止电流为0.02～0.25C。

进一步的，电池化成至3.8～4.0V的方法包括如下步骤：

(1)0-3.5V SEI成膜：使用0.02～0.1C的小电流恒流充电化成；

(2)二级充电：使用0.1～0.5C的电流恒流充电化成，充电截止电压为3.8～4.0V。

本发明也可对本领域任一现有化成方法得到的未达到设计充电截止电压的电池(半电化成电池)继续进行满电化成和呼吸式化成处理。

进一步的，电池设计的截止电压为4.2～4.5V，例如4.35V、4.40V、4.45V、4.50V等。

进一步的，呼吸式化成阶段中，恒流放电步骤的放电截止条件为放电时间≥10min和/或电池电压达到3.0～3.6V。

进一步的，呼吸式化成阶段中，呼吸式充放电循环数为三至六个。

进一步的，电池在高温加压化成柜中进行化成，化成温度为70～80℃，化成压力为8～12kgf/cm²。

本发明的有益效果在于：

本发明在行业常规化成操作的基础上，增加对窄条形软包装锂离子电池的满电化成和呼吸式化成，改善了电池的循环性能，具体的：

(1)通过设置满电化成阶段，电池化成结束后接近充满电，负极片在高电压状态下膨胀几乎达到极限，释放了极片辊压时产生的内应力，而且包裹着锂离子的电解液可以深入负极片最底层，随着负极片的不断膨胀其所能接纳的溶剂也越多，进一步提高了电解液的保有量，这部分电解液是吸收在极片内的，不会因后续抽气二封工序而流失，而且对电池整体结构有破坏性的游离电解液很少，这也大大减少了因电池游离电解液浸泡导致的顶底部起鼓形变。

(2)通过设置呼吸式化成阶段，电池化成时进行放电、充电重复步骤，一方面电池放电时溶剂化的锂离子回到正极可以将电解液带到正极，从而增加正极浸润，进一步提高电解液的保有量；另一方面，在化成柜条件下，化成柜上的硅胶片发生一定形变对电池施加外部压力，电池充电导致极片厚度膨胀，从而导致电池厚度增加。经过多次重复的充电、放电步骤，外部的压力与电池的膨胀力反复相互作用令电池内的正极极片、负极极片、隔膜贴合的更加紧密，尤其对窄长形软包装锂离子电池的极耳周边位置受力分布优化更为明显，从而建立良好电池的反应界面，改善产品的循环性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是电池样品厚度测量位置示意图。

图2是对照组和测试组电池样品的容量保持率变化曲线。

图3是对照组和测试组电池样品的保液量正态分布图。

图中，A-电池顶部正极耳一侧位置，B-电池顶部负极耳一侧位置，C-电池中部位置，D-电池底部正极耳一侧位置，E-电池底部负极耳一侧位置，F-电池顶部中间位置，G-电池底部中间位置，H-正极耳位置，I-负极耳位置。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

在高温加压化成柜中对窄条形软包装锂离子电池进行化成，化成温度为70℃，化成压力为10kgf/cm²，具体工艺步骤如下：

S1、常规化成阶段：

(1)0-3.5V SEI成膜：使用0.1C的小电流恒流充电化成；

(2)3.5-3.8V充电：使用0.3C的电流恒流充电化成；

S2、满电化成阶段：

3.8-4.35V充电：使用0.7C的大电流恒流恒压充电化成，充电截止电压为电池设计的截止电压4.35V，充电截止电流为0.25C；

S3、呼吸式化成阶段：

进行三个呼吸式充放电循环，每个呼吸式充放电循环包括依次进行的恒流放电步骤和恒流恒压充电步骤，其中，

恒流放电步骤的放电电流为0.7C，放电时间为15min，放电截止电压为3.6V；

恒流恒压充电步骤的充电电流为0.7C的大电流，充电时间为20min，充电截止电压为电池设计的截止电压4.35V，充电截止电流为0.25C。

实施例2

在高温加压化成柜中对窄条形软包装锂离子电池进行化成，化成温度为80℃，化成压力为10kgf/cm²，具体工艺步骤如下：

S1、常规化成阶段：

(1)0-3.5V SEI成膜：使用0.1C的小电流恒流充电化成；

(2)3.5-3.8V充电：使用0.2C的电流恒流充电化成；

S2、满电化成阶段：

3.8-4.45V充电：使用0.5C的大电流恒流恒压充电化成，充电截止电压为电池设计的截止电压4.45V，充电截止电流为0.15C；

S3、呼吸式化成阶段：

恒流放电步骤的放电电流为0.5C，放电时间为15min，放电截止电压为3.6V；

恒流恒压充电步骤的充电电流为0.5C的大电流，充电时间为20min，充电截止电压为电池设计的截止电压4.45V，充电截止电流为0.15C。

分别挑选实施例2满电化成阶段结束后的电池(以下称为“对照组”)三块和实施例2呼吸式化成阶段结束后的电池(以下称为“测试组”)三块进行0.5C充放电循环，测量电池样品各位置在充放电循环前以及充放电循环每进行100周时的厚度，并计算电池厚度膨胀率，结果如下表1-表4所示，表中A～I表示电池的不同测试位置(见图1)，表2、表4中粗体表示对应项目下电池样品的最大膨胀率，下划线表示膨胀率>10％的情况。

表1对照组电池样品厚度变化统计表(单位：mm)

表2对照组电池样品膨胀率统计表(单位：％)

表3测试组电池样品厚度变化统计表(单位：mm)

表4测试组电池样品膨胀率统计表(单位：％)

可以看出，电池的最大膨胀率主要集中在正负极耳区域，仅进行常规化成和满电化成的对照组电池样品循环150～200周时，正负极耳区域因电池反应界面较差，对应的负极片会出现明显的析锂，从而导致该区域厚度膨胀特别大，随着厚度变化又进一步导致反应界面更加恶化，厚度及容量保持率会急剧恶化，出现循环“跳水”现象。三个对照组电池样品分别在循环200周和300周时，最大膨胀率达到10％以上，未能达到行业内一般要求(0.5C充放电循环400周测试，容量保持率≥80％，厚度膨胀率≤10％)。

测试组经过呼吸式化成，可以令正极片、负极片、隔膜贴合更为紧密，电解液量更加充足，从而确保反应界面更加稳定，进而保证电池循环的稳定性。

再挑选对照组和测试组电池各三块进行0.5C充放电循环，记录0.5C下电池样品每循环的容量保持率，结果如图2所示。可以看出，测试组三个电池样品循环至500周时，容量保持率稳定在90％以上，分别为91.3％、92.6％和92.1％。对照组三个电池样品循环200～300周时，容量保持率下降明显，且陆续因电池厚度膨胀率过大、不能满足行业内一般要求而停止进一步测试，表明呼吸式化成可明显提升窄条形软包装锂离子电池的循环性能。

统计使用相同设备及封装参数进行二封抽气的对照组电池、测试组电池的保液量，获得对照组和测试组电池的保液量正态分布图，如图3所示，相比于对照组，经过呼吸式化成的测试组电池保液效果更好。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种改善窄条形软包装锂离子电池循环性能的化成方法，其特征在于，具体为对化成至3.8～4.0V的电池进行化成，包括满电化成阶段和呼吸式化成阶段，其中，满电化成阶段为使用0.5～1.5C的电流恒流恒压充电，充电截止电压为电池设计的截止电压，充电截止电流为0.02～0.25C；

2.如权利要求1所述的化成方法，其特征在于，电池化成至3.8～4.0V的方法包括如下步骤：

(1)0-3.5V SEI成膜：使用0.02～0.1C的电流恒流充电化成；

3.如权利要求1所述的化成方法，其特征在于，电池设计的截止电压为4.2～4.5V。

4.如权利要求3所述的化成方法，其特征在于，电池设计的截止电压为4.35V、4.40V、4.45V或4.50V。

5.如权利要求1所述的化成方法，其特征在于，呼吸式化成阶段中，恒流放电步骤的放电截止条件为放电时间≥10min和/或电池电压达到3.0～3.6V。

6.如权利要求1所述的化成方法，其特征在于，呼吸式化成阶段中，呼吸式充放电循环数为三至六个。

7.如权利要求1所述的化成方法，其特征在于，电池在高温加压化成柜中进行化成。

8.如权利要求7所述的化成方法，其特征在于，化成温度为70～80℃，化成压力为8～12kgf/cm²。