CN114628791A - 电芯及提高电芯高温性能的方法、电池和新能源车辆 - Google Patents

电芯及提高电芯高温性能的方法、电池和新能源车辆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电芯及提高电芯高温性能的方法、电池和新能源车辆。提高电芯高温性能的方法包括：于35～45℃下对软包电芯进行加压预化成，预化成完成后进行第一次除气；对第一次除气后的电芯进行加压化成，反复三次，完成后进行第二次除气；将第二次除气后的电芯充电至满电状态，于55～60℃下静置2～3h，完成后进行第三次除气；将第三次除气后的电芯充放电至使用状态电压。该方法不仅简单易行，效率高，可控性强，在实际量产过程中具有很强的实用性，且成本低廉，还可以使电芯在制作过程中充分产气，避免在后续正常使用过程中再次产气，能够大幅度提升电芯的高温性能，能够能有效解决或明显改善电池高温产气的问题。

Description

电芯及提高电芯高温性能的方法、电池和新能源车辆
技术领域
本发明属于电池领域，具体而言，涉及电芯及提高电芯高温性能的方法、电池和新能源车辆。
背景技术
目前，随着新能源产业的发展，动力锂离子电池也受到越来越多的关注，锂离子电池的能量密度直接关乎到电动汽车的续航里程，因此提升锂离子电池的能量密度也显得至关重要，而提升能量密度主要手段是优化正负极材料的化学体系。目前，市场上应用较多的化学体系以中低镍含量的三元材料和磷酸铁锂材料为正极，以石墨为主作负极，应用该化学体系，单体电芯能量密度以260Wh/kg为极限。而高镍正极材料，硅碳负极材料，具备更高的克容量，单体电芯能量密度能达到300Wh/Kg，甚至更高，逐渐成为主要研究方向。然而，为提升其综合性能，高镍正极、硅碳负极材料体系需使用具有功能添加剂的电解液，导致电池电芯高温性能不稳定，体现在高温存储和高温循环测试使用中，容易产生气体，导致电芯性能变差。因此，高镍硅碳体系电芯的高温性能仍有待进一步改性。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出电芯及提高电芯高温性能的方法、电池和新能源车辆。其中，该提高电芯高温性能的方法可以消除电芯高温产气的现象，提升其高温性能。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种提高电芯高温性能的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：
于35～45℃下对软包电芯进行加压预化成，预化成完成后进行第一次除气；
对第一次除气后的电芯进行加压化成，反复三次，完成后进行第二次除气；
将第二次除气后的电芯充电至满电状态，于55～60℃下静置2～3h，完成后进行第三次除气；
将第三次除气后的电芯充放电至使用状态电压。
本发明上述实施例的提高电芯高温性能的方法具有以下优点：1、整个工艺过程简单易行，效率高，可控性强，在实际量产过程中具有很强的实用性，且成本低廉；2、基于高温产气机理，从工艺角度出发，使电芯在制作过程中充分产气，避免在后续正常使用过程中再次产气，能够大幅度提升电芯的高温性能，确保其在装车使用过程中性能稳定、安全，满足全寿命周期使用，经济效益显著；3、采用该方法处理的电芯厚度变化小，残余容量及恢复容量均有大幅度提升，适用于高镍硅碳体系电池、钛酸锂电池等易产气的锂离子电池化学体系，能有效解决或明显改善电池高温产气的问题。
另外，根据本发明上述实施例的提高电芯高温性能的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述电芯为高镍硅碳体系电池电芯。
在本发明的一些实施例中，所述预化成的压力为200～500千克力，所述预化成的电流为0.1～0.2C。
在本发明的一些实施例中，所述化成的温度为35～45℃、压力为200～500千克力，所述化成的电流不大于0.33C且不小于所述预化成的电流。
在本发明的一些实施例中，所述电芯的设计N/P值不小于1.15，优选为1.15～1.2。
在本发明的一些实施例中，所述电芯的设计容量为标称容量的1.01～1.03倍，优选1.02～1.03倍。
在本发明的一些实施例中，所述电芯的设计厚度为标称厚度的0.95～0.97倍。
在本发明的一些实施例中，所述电芯转配时的气袋长度不小于100mm。
根据本发明的另一个方面，本发明提出了一种电芯。根据本发明的实施例，该电芯采用上述提高电芯高温性能的方法处理得到。与现有技术相比，该电芯的高温性能稳定，在高温存储和高温循环测试使用中电芯厚度变化小，且残余容量及恢复容量均较高，组装得到的电池在使用过程中性能更稳定、安全，且使用寿命更长。
根据本发明的再一个方面，本发明提出了一种电池。根据本发明的实施例，该电池包括上述电芯。与现有技术相比，该电池的高温性能更好，具有安全性高、使用寿命长等优点，在新能源车辆中具有广阔的应用前景。
根据本发明的又一个方面，本发明提出了一种新能源车辆。根据本发明的实施例，该新能源车辆具有上述电池。与现有技术相比，该新能源车辆不仅续航里程长且续航稳定性好，而且安全，性价比高，市场竞争力更强。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的提高电芯高温性能的方法流程图。
图2是根据本发明再一个实施例的提高电芯高温性能的方法流程图。
图3是相关技术中一个实施例的提高电芯高温性能的方法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种提高电芯高温性能的方法。根据本发明的实施例，参考图1所示，该方法包括：于35～45℃下对软包电芯进行加压预化成，预化成完成后进行第一次除气；对第一次除气后的电芯进行加压化成，反复三次，完成后进行第二次除气；将第二次除气后的电芯充电至满电状态，于55～60℃下静置2～3h，完成后进行第三次除气；将第三次除气后的电芯充放电至使用状态电压。离子电芯以软包装形式能量密度最高，相关技术中软包装锂离子电池制作以首次常温充电后，一次抽气、化成、充电至使用状态电压的工艺为主，而针对易产气的电池化学体系，如高镍硅碳体系，采用上述现有工艺制得的电芯在高温循环使用过程中仍容易产生气体，导致电芯鼓胀、内阻增加、电芯厚度变化大，且残余容量及恢复容量较低等问题，影响电芯的综合性能。本发明上述实施例的提高电芯高温性能的方法根据高温产气机理，从工艺角度出发，经高温预化成、三次循环化成和高温静置3阶段处理及3次除气，使电芯在制作过程中充分产气，能够有效避免或明显改善电芯在后续正常使用过程中再次产气，大幅度提升电芯高温性能，确保其在装车使用过程中性能稳定，安全，能够满足全寿命周期使用，经济效益显著。需要说明的是，本发明中采用的除气操作均为抽真空除气。
下面参考图1～2对本发明上述实施例的提高电芯高温性能的方法进行详细描述。
根据本发明的实施例，本发明中通过对软包电芯进行加压预化成和加压化成，可以使SEI膜成膜反应充分进行，并使形成的SEI膜更为致密均匀。其中，预化成和化成阶段控制的压力可以分别独立地为200～500千克力，例如可以为250千克力、300千克力、350千克力、400千克力或450千克力等，优选在恒压阶段下进行，发明人发现，若加压压力过小，容易导致SEI结构不够致密，进而使电池在使用过程中的副反应较多，本发明中通过控制上述预化成压力和化成压力，可以进一步提高形成的SEI膜的均匀性和致密性，从而更有利于降低电芯的副反应，提高电池的电化学性能。更优选地，预化成和化成阶段控制的压力条件可以相同，由此可以进一步提高形成的SEI膜的均匀性。
根据本发明的实施例，预化成的温度为35～45℃，例如可以为37℃、40℃、42℃或45℃等，优选45℃，通过在高温下进行预化成，更有利于电池充分产气，并提高形成的SEI膜的致密性；进一步地，预化成的电流可以为0.1～0.2C，例如可以为0.12C、0.15C或0.18C等，通过采用小电流预化成，不仅可以实现电芯的激活，还更有利于SEI膜分子的有序堆积，使其结构更加致密。
根据本发明的实施例，本发明中通过采用3次化成循环，可以保证电芯下高电位下(如大于3.7V)的分解反应更充分，能最大程度地减少由各种材料中残余水分和正极残余碳酸锂等导致的产气。其中，化成的温度可以为35～45℃，例如可以为37℃、40℃、42℃或45℃等，优选45℃，发明人发现，升高化成温度有利于提高电芯的产气速率，但若化成温度过高，可能会破坏已经形成的SEI膜的结构及组成，影响化成效果，本发明中通过控制化成温度为上述范围，可以同时兼顾电芯的充分产气效果及化成效果。进一步地，化成的电流可以不大于0.33C且不小于预化成的电流，例如可以为0.22C、0.25C、0.28C或0.3C等，发明人发现，通过采用涓流电流对电芯进行反复充放电，不仅可以使形成的SEI膜更为致密，能降低电池的阻抗，还可以避免过大的化成电流破坏SEI膜的致密结构。优选地，三次化成控制的工艺条件可以完全相同。
根据本发明的实施例，本发明通过将第二次除气后的电芯充电至满电状态，于55～60℃下静置2～3h，可以进一步消耗高温下不稳定的物质，充分产气，之后对高温静置后的电芯抽真空除气，即可调整至规定的电压状态。现有相关工艺中，对电芯化成结束后通常于常温下静置数天，而发明人发现，通过采用高温静置，可以加速老化，使产气更为充分，若静置温度过高，会超过电解液的最佳使用温度区间，加剧电池的副反应，对电芯造成不可逆的破坏，而若静置温度过低，又会导致产气速率及充分产气效果下降，严重影响电芯的制备效率，而本发明中通过控制上述高温静置条件，既可以促进电芯充分产气，还能提高电芯的制备效率。
根据本发明的实施例，本发明中提高电芯高温性能的方法适用于各种易产气的锂离子电池化学体系，能有效解决或明显改善电池高温产气的问题。优选地，软包电芯可以为高镍硅碳体系电池电芯，该电芯采用高镍正极材料和硅碳负极材料，尤其是硅含量到10％以上的硅碳负极，具有更高的克容量，单体电芯能量密度能达到300Wh/Kg甚至更高，更容易面临高温产气的问题，通过采用本发明中的提高电芯高温性能的方法，可使电芯充分产气，提升其在高温使用环境下的性能，明显抑制产气的发生，由此可以使制得的电芯兼具较高的能量密度和较好的高温性能，在新能源车辆领域具有更广阔的应用场景。
根据本发明的实施例，电芯的设计N/P值可以不小于1.15，发明人发现，正极材料导电性受温度影响比较大，若温度较高，嵌锂脱锂的能力较强，若N/P比过低，在高温条件下，正极材料活性高，预化成及化成阶段充电容量高，会存在析锂风险，与相关技术中通常控制N/P值为1.1相比，本发明中通过控制电芯的设计N/P值不小于1.15，可以有效避免负极析锂的问题。优选地，电芯的设计N/P值可以为1.15～1.2，发明人发现，若N/P比过高，负极余量过高，虽然容易嵌锂，但脱锂能力较差，也会影响电芯的循环性能，本发明中通过控制电芯的设计N/P值为上述范围，既可以避免负极析锂的问题，还可以保证电芯的循环性能。需要说明的是，N/P值指的是负极容量超正极容量的余量，即N/P＝负极活性物质克容量×负极面密度×负极活性物含量比÷(正极活性物质克容量×正极面密度×正极活性物含量比)。
根据本发明的实施例，电芯的设计容量可以为标称容量的1.01～1.03倍，发明人发现，高温存储时，电芯中副反应增多，极易导致电芯容量降低，电池容量不达标，发明人经大量实验验证发现，通过控制电芯的设计容量为上述范围，可以有效弥补分选时电芯容量的不足；优选地，电芯的设计容量可以为标称容量的1.02～1.03倍，由此可以进一步避免分选时电芯容量的不足。
根据本发明的实施例，电芯的设计厚度可以为标称厚度的0.95～0.97倍，例如可以为0.96倍等，发明人发现，化成后的电芯厚度也会有明显增加，尤其是具有硅碳负极的电芯，而针对不同的电芯厚度，电芯的膨胀率也是不一样的，本发明中通过控制电芯的设计厚度为上述范围，可以使电芯经预化成、化成和高温静置后的厚度与标称厚度更匹配。
根据本发明的实施例，电芯转配时的气袋长度可以不小于100mm，发明人发现，通过综合考虑电芯容量、产气空间、封装的封头尺寸、除气次数等多方面因素，控制电芯转配时的气袋长度为上述范围，既可以满足三次除气的需求，还能满足最终要获得的电芯尺寸及容量等要求。
根据本发明的实施例，对软包电芯进行处理时，预化成的压力可以为500千克力、温度可以45℃，电流可以为0.1～0.2C，完成后进行第一次抽真空除气；化成循环3次，每次化成的压力可以为500千克力、温度可以45℃，电流可以为0.33C，完成后进行第二次抽真空除气；之后于60℃存储2小时，完成后进行第三次抽真空除气，再充放电调整至规定的电压状态，由此，可使电芯充分产气，进一步提升其在高温使用环境下的性能，明显抑制产气的发生。优选地，电芯的设计N/P值为1.15～1.2，设计容量为标称容量的1.02～1.03倍，设计厚度为标称厚度的0.95～0.97倍，电芯转配时的气袋长度不小于100mm，由此可以进一步满足对最终获得的电芯的综合性能需求。
综上所述，本发明上述实施例的提高电芯高温性能的方法具有以下优点：1、整个工艺过程简单易行，效率高，可控性强，在实际量产过程中具有很强的实用性，且成本低廉；2、基于高温产气机理，从工艺角度出发，使电芯在制作过程中充分产气，避免在后续正常使用过程中再次产气，能够大幅度提升电芯的高温性能，确保其在装车使用过程中性能稳定、安全，满足全寿命周期使用，经济效益显著；3、采用该方法处理的电芯厚度变化小，残余容量及恢复容量均有大幅度提升，适用于高镍硅碳体系电池、钛酸锂电池等易产气的锂离子电池化学体系，能有效解决或明显改善电池高温产气的问题。
根据本发明的另一个方面，本发明提出了一种电芯。根据本发明的实施例，该电芯采用上述提高电芯高温性能的方法处理得到。与现有技术相比，该电芯的高温性能稳定，在高温存储和高温循环测试使用中电芯厚度变化小，且残余容量及恢复容量均较高，组装得到的电池在使用过程中性能更稳定、安全，且使用寿命更长。需要说明的是，该电芯的种类并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，优选可以为高镍硅碳体系等易产气的锂离子电池电芯。另外，还需要说明的是，针对上述提高电芯高温性能的方法所描述的特征及效果同样适用于该电芯，此处不再一一赘述。
根据本发明的再一个方面，本发明提出了一种电池。根据本发明的实施例，该电池包括上述电芯。与现有技术相比，该电池的高温性能更好，具有安全性高、使用寿命长等优点，在新能源车辆中具有广阔的应用前景。需要说明的是，该电池的种类并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以为高镍硅碳或钛酸锂等易产气的锂电池。另外，还需要说明的是，针对上述电芯所描述的特征及效果同样适用于该电池，此处不再一一赘述。
根据本发明的又一个方面，本发明提出了一种新能源车辆。根据本发明的实施例，该新能源车辆具有上述电池。与现有技术相比，该新能源车辆不仅续航里程长且续航稳定性好，而且安全，性价比高，市场竞争力更强。需要说明的是，该车辆的种类并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以为新能源汽车或电动车等。另外，还需要说明的是，针对上述电池所描述的特征及效果同样适用于该新能源车辆，此处不再一一赘述。
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
对高镍硅碳软包电芯进行化成处理，具体操作工艺参考图2。其中：
软包电芯的正极片包括集流体(铝箔)和设在集流体上的活性物质层，活性物质层包括NCM811、SP(超导电炭黑)、CNT(碳纳米管)、PVDF(聚偏氟乙烯)；负极片为硅碳负极(10wt％的Si)；电解液包括：LiPF6和溶剂，其中溶剂为质量比为1:1:1的EC(碳酸乙烯酯)、DMC(碳酸二甲酯)和PC(碳酸丙烯酯)；隔膜为PE膜(12μm)和陶瓷涂层(4μm)组成的复合膜。
预化成的压力为500千克力、温度为45℃、电流为0.1C；每次化成的压力为500千克力、温度为45℃、电流为0.33C。
对比例1
软包电芯组成与实施例1相同。区别在于，对软包电芯进行化成处理的具体操作工艺参考图3。
预化成的压力为500千克力、温度为25℃、电流为0.1C；化成的压力为500千克力、温度为25℃、电流为0.33C。
对实施例1和对比例1中获得的软包电芯进行高温测试
按照《GB T31486-2015电动汽车用动力蓄电池性能及试验方法》中60℃高温存储测试操作，其中对比例1中任选3个电芯作为待测样品，编号为1#、2#、3#；实施例1中任选3个电芯作为待测样品，编号为4#、5#、6#，测试结果表1所示。
结合实施例1、对比例1和表1说明，按照对比例1的处理工艺，电芯在高温存储测试后，电芯产气严重、鼓胀，内阻增长率、厚度增长率、残余容量及恢复容量结果均较差。而采用本发明上述实施例所提供的方法，可明显改善电芯的产气现象，电芯厚度变化小，残余容量及恢复容量均有大幅度提升。
表1高温测试结果
Figure BDA0003495331340000081
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种提高电芯高温性能的方法，其特征在于，包括：
于35～45℃下对软包电芯进行加压预化成，预化成完成后进行第一次除气；
对第一次除气后的电芯进行加压化成，反复三次，完成后进行第二次除气；
将第二次除气后的电芯充电至满电状态，于55～60℃下静置2～3h，完成后进行第三次除气；
将第三次除气后的电芯充放电至使用状态电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电芯为高镍硅碳体系电池电芯。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预化成的压力为200～500千克力，所述预化成的电流为0.1～0.2C。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述化成的温度为35～45℃、压力为200～500千克力，所述化成的电流不大于0.33C且不小于所述预化成的电流。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，所述电芯的设计N/P值不小于1.15，优选为1.15～1.2。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，所述电芯的设计容量为标称容量的1.01～1.03倍，优选1.02～1.03倍。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，所述电芯的设计厚度为标称厚度的0.95～0.97倍，
任选地，所述电芯转配时的气袋长度不小于100mm。
8.一种采用权利要求1～7中任一项所述的方法处理得到的电芯。
9.一种电池，其特征在于，包括权利要求8所述的电芯。
10.一种新能源车辆，其特征在于，包括权利要求9所述的电池。
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