CN114975874A - 一种电化学补锂方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种锂离子电池制作过程中的电化学补锂方法,属于新能源动力储能电池技术领域。其将补锂对象电极、锂源电极制成极卷，加上隔膜，通过卷绕的方法，并在卷绕过程中浸入适量电解液，制成成一个类似圆柱电池一样的超级电池，然后进行充电处理，通过限定充电电流及充电时间，将锂源补进补锂对象电极内。本发明的补锂方法，由于是在超级电池内补锂，补锂量、补锂的均匀性均可以达到有效的控制；锂源电极可以采用廉价的商用的正极材料制备，由于采用了通常的正极材料代替了金属锂作为锂源电极，避免了金属锂活泼造成的安全隐患；本发明工艺采用卷对卷的方式，可以实现规模化制造。

Description

一种电化学补锂方法

技术领域

本申请涉及一种电化学补锂方法,属于新能源动力储能电池技术领域。

背景技术

动力锂离子电池作为一种储能装置在纯电动汽车中得到了推广应用。但是，里程焦虑已经成为行业痛点，而解决该问题的方法是在有效的空间内，装更多更轻的电池能量。目前，解决电池比能量的问题的方法之一是寻找克容量更高的负极材料，比如采用金属锂、硅炭合金等或者提高现有材料体系下电池的首次效率。然而，采用金属锂作为负极存在锂枝晶问题，而试图用固态电解质来解决，需要时间；针对现有负极材料或者添加一部分硅来提升目前材料体系的比能量，但该材料体系在首次充电会消耗一定的锂在负极表面形成一层钝化膜，而消耗正极上的有限的锂资源。

为解决上述电池首效低消耗锂的问题，行业内，有很多的补锂方法，不外乎采用金属锂粉或薄片在混料的时候补进正极或负极料内，或者在辊压时补进负极片内的物理补锂，或者在电池注液后采用锂第三电极进行电化学补锂，等等。这些方法都存在一个缺陷：采用金属锂补锂，理论上可行，但由于锂的活性高，在工程上由于采用金属锂粉(片)存在安全隐患；采用第三电极补锂，由于仍然采用金属锂作为三电极一方面有安全问题，一方面三电极与对应补锂的对象电极不能面对面，补锂的均匀性受到限制，即使采用延长补锂时间能够解决，在工程上也较难实施。

发明内容

本发明专利，就是针对上述现有技术中的问题而提出的解决办法。本发明的发明目的：1、电化学均匀的补锂；2、避免采用金属锂而带来的工程安全隐患；3、可以实现卷对卷的规模化生产。而本发明，将补锂对象电极(负极)、锂源极做成宽的极卷，加上隔膜，卷绕成一个超级的电池，同时在卷绕过程中浸入适量的电解液，然后进行充电处理，通过限定充电电流及充电时间，定量的将锂源补进补锂对象电极内完成电化学补锂过程，然后，将超级电池卷对卷，把正负极分开，分别收成补锂对象电极极卷、隔膜卷、锂源电极极卷，完成电化学补锂工序。补锂对象电极卷运到下道工序，浸入正常的传统工艺方法过程制作电池，而锂源电极卷，重复利用，直至到最后一次充电电压到正常电池的上限电压。

本发明的锂源电极可采用廉价的商业化的正极材料制成，也可使用正常电池所用的正极材料制成，可以重复使用至少10次左右，并且也不存在采用金属锂带来的安全隐患。

而本补锂的核心思想是电池体系外的锂预先的引进到补锂对象极(如负极)，从而节省原需要从电池正极端充到负极消耗的约5％-20％左右的锂资源，因此，采用本方法可以在不改变原材料体系、结构、体积、重量的情况下，增大电池的比能量5％-15％左右。

本申请提出了一种电化学补锂方法，将补锂对象电极做成极卷，加上隔膜，卷绕成一个卷绕体形成超级电池，同时在卷绕过程引入适量的电解液，然后进行充电处理，通过限定充电电流及充电时间，将锂源补进补锂对象电极内。

进一步，将锂源电极、隔膜、补锂对象电极，通过卷绕的方式在卷芯上卷绕成一个卷绕体电池或者锂源电极与隔膜热合在一起形成锂源复合电极。

另外，前述电化学补锂方法中，锂源电极包括有白边部分以及涂布有活性物质部分，其中活性物质可以是三元材料或锰酸锂或磷酸铁锂。或者，补锂对象电极包括有白边以及涂布的活性物质部分，活性物质部分是碳材料或硅碳合金或者其他需要补锂的材料。

与隔膜相互位置，隔膜宽度大于锂源电极涂布部分，补锂对象电极涂布部分小于锂源电极的涂布部分，形成螺旋结构的卷绕体超级电池。超级大电池正电极、负电极接线端子盘分别与超级卷绕体电池的正负极集流体白边接触，作为与外电源的联接的作用。第一密封罩、第二密封罩是将卷绕体电池、正电极盘、负电极盘罩起来起密封作用的外壳，作业的时候可以抽真空。电解液是通过电解液浸润辊将电解液转移到隔膜以及锂源电极、补锂对象电极上，电解液浸润辊外表层为多孔的弹性材料，可以通过毛细保留很多电解液，将电解液有效可控的转移到锂源电极、补锂对象电极的涂布部分，而不会把锂源电极、补锂对象电极的白边因电解液而污染，影响后工序的使用。

进一步，卷绕成的超级卷绕体电池，将正电极盘、负电极盘分别装到卷绕体电池的两侧，与电极卷的白边紧密接触，将充放电机的正负极接到正电极盘、负电极盘上，将第一密封罩、第二密封罩合上；静置后，开始对卷绕体电池进行充电：一定的电流I，一定的时间t，把一定安时i*t的电量充进卷绕体电池内，并标定该锂源电极的电压，作为下次重复使用锂源电极的控制参数的监控起点V；充电过程完成后，表明补锂对象电极已经接受了锂源电极过来的锂，完成了电化学补锂过程。

进一步，将完成补锂过程的卷绕体电池通过专用的装置即卷绕的反向操作，将锂源电极、隔膜、补锂对象电极分别分离为锂源电极卷、隔膜卷、补锂对象电极卷，其中锂源电极、隔膜等待下次补锂使用，而补锂对象电极的电极卷，流入正常的电池制造工序使用；

当锂源电极第2次使用时，按照上述方法将锂源电极卷、隔膜卷、补锂对象电极卷，通过卷绕的方式，卷芯上卷绕成一个卷绕体电池，并与正电极、负电极组成一个完整的电池，其中正电极盘、负电极盘分别与卷绕体电池的正负极集流体白边接触，本次电化学补锂过程与第一次的充电方法相同，不同的是由于本次锂源电极是第二次使用，电化学电位较上次高；

如此反复使用锂源电极，直至最后一次的充电电压到该正极材料的充电截止电压。

本申请具有如下的技术效果和优点：

本发明的补锂方法，由于是在超级电池内补锂，补锂量、补锂的均匀型可以达到有效的控制；锂源电极可以采用廉价的商用的正极材料制备，由于采用了通常的正极材料代替了金属锂作为锂源电极，避免了金属锂活泼造成的安全隐患；本发明工艺采用卷对卷的方式，可以实现规模化制造。

附图说明

图1为本申请的超级圆柱电池的卷绕原理方法的示意图。

图2(1)-2(5)为本申请的超级电池内部结构图，其中图2(1)为本申请的超级电池截面图，图2(2)为本申请的补锂对象电极的侧面图，图2(3)为本申请的补锂对象电极的平面图，图2(4)为本申请的锂源电极的侧面图，图2(5)为本申请的锂源电极的平面图。

图3(1)-3(2)为本申请作业的时候可以抽真空的示意图，其中图3(1)为正视图，图3(2)为俯视图。

图4为本申请的简化制造超级电池作业难度的简化作业设备的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本申请的具体实施方式。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

在附图中，1为锂源电极极片(锂源电极)，2为隔膜，3为补锂对象电极，4为正电极盘，5为负电极盘，6为超级(圆柱)电池(卷绕体电池)，7为卷芯，8为第一密封罩，9为第二密封罩，10为外电源，11为电解液浸润辊，12为锂源复合电极。

本申请的本发明的主要核心是借鉴圆柱电池的卷绕原理方法如图1，将锂源电极极片1、隔膜2、补锂对象电极3，通过卷绕的方式在卷芯7上卷绕成一个超级圆柱电池6。其中超级电池6内部结构如图2所示，锂源电极1留有白边以及涂布活性物质部分(活性物质可以是三元材料或锰酸锂或磷酸铁锂，甚至金属锂)，补锂对象电极3留有白边以及涂布的活性物质部分(碳材料或硅碳合金或者其他需要补锂的材料)，与隔膜2相互位置，隔膜宽度大于锂源电极1涂布部分、补锂对象电极3涂布部分小于锂源电极1的涂布部分，形成螺旋结构的卷绕体电池6。加上正电极盘4、负电极盘5分别与超级电池6的正负极集流体白边接触，作为与外电源10的联接的作用，第一密封罩8、第二密封罩9是将电池6、正电极4、负电极5罩起来起密封作用的外壳，作业的时候可以抽真空，如图3所示。另外，电解液是通过如图1所示的电解液浸润辊11(电解液浸润辊外表层为多孔的弹性材料，可以通过毛细保留很多电解液)将电解液转移到隔膜2以及锂源电极1、补锂对象电极3上，该方法的主要用途是将电解液适量可控转移到锂源电极极片1、补锂对象电极3的涂布部分，而不会把锂源电极极片1、补锂对象电极3的白边因电解液而污染，影响后工序的使用。

卷绕成的超级电池6，将正电极盘4、负电极盘5分别装到电池6的两侧，与电极的白边紧密接触，将充放电机的正负极接到正电极盘4、负电极盘5上，将第一密封罩8、第二密封罩9合上。静置后，开始对电池6进行充电：一定的电流I，一定的时间t，把一定安时i*t的电量充进电池6内，并标定该锂源电极的电压，作为下次重复使用锂源电极的控制参数的监控起点V。充电过程完成后，表明补锂对象电极3已经接受了锂源电极1过来的锂。完成了电化学补锂过程。

将完成上述补锂过程的电池6通过专用的装置即卷绕的反向操作，将锂源电极1、隔膜2、补锂对象电极3分别分离为锂源电极1卷、隔膜2卷、补锂对象电极3卷。其中锂源电极1、隔膜2等待下次补锂使用，而补锂对象电极3的电极卷，流入正常的电池制造工序使用。

当锂源电极1第2次使用时，按照上述方法将锂源电极1卷、隔膜2卷、补锂对象电极3卷，通过卷绕的方式如图1所示，卷芯7上卷绕成一个超大型圆柱电池6，并与正电极4、负电极5组成一个完整的电池。其中正电极盘4、负电极盘5分别与电池6的正负极集流体白边接触。本次电化学补锂过程与第一次的充电方法相同，不同的是由于本次锂源电极1是第二次使用，电化学电位较上次高。

如此反复使用锂源电极1，直至最后一次的充电电压到该正极材料的充电截止电压。比如三元、锰酸锂为4.2V,磷酸铁锂为3.65V为止。如果每次补锂按照10％的补锂量计算的话，锂源电极1可以至少使用10次以上。

除了如图1实现超级电池6的卷绕方式外，还可以将锂源电极1与隔膜2热合在一起，并形成锂源复合电极12，可以简化制造超级电池6的作业难度，简化作业设备，如图4所示。

本发明的补锂方法，由于是在超级电池内补锂，补锂量、补锂的均匀型可以达到有效的控制；锂源电极1可以采用廉价的商用的正极材料制备，由于采用了通常的正极材料代替了金属锂作为锂源电极，避免了金属锂活泼造成的安全隐患；本发明工艺采用卷对卷的方式，可以实现规模化制造。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电化学补锂方法，其特征在于，将补锂对象电极做成极卷，加上隔膜，卷绕成一个卷绕体电池，然后进行充电处理，通过限定充电电流及充电时间，将锂源补进补锂对象电极内。

2.根据权利要求1所述的电化学补锂方法，其特征在于，将锂源电极、隔膜、补锂对象电极，通过卷绕的方式在卷芯上卷绕成一个卷绕体电池或者锂源电极与隔膜热合在一起形成锂源复合电极，然后再与隔膜、补锂对象电极通过卷绕的方式在卷芯上卷绕成一个卷绕体电池。

3.根据权利要求1或2所述的电化学补锂方法，其特征在于，锂源电极包括留有白边部分以及涂布活性物质部分，活性物质是三元材料或锰酸锂或磷酸铁锂或者金属锂。

4.根据权利要求1或2所述的电化学补锂方法，其特征在于，补锂对象电极包括留有白边部分以及涂布的活性物质部分，活性物质部分是碳材料或硅碳合金或者其他需要补锂的材料。

5.根据权利要求2所述的电化学补锂方法，其特征在于，与隔膜相互位置，隔膜宽度大于锂源电极涂布部分、补锂对象电极涂布部分小于锂源电极的涂布部分，形成螺旋结构的卷绕体电池。

6.根据权利要求4所述的电化学补锂方法，其特征在于，正电极盘、负电极盘分别与卷绕体电池的正负极集流体白边接触，作为与外电源的联接的作用。

7.根据权利要求6所述的电化学补锂方法，其特征在于，第一密封罩、第二密封罩是将卷绕体电池、正电极、负电极罩起来起密封作用的外壳，作业的时候可以抽真空。

8.根据权利要求7所述的电化学补锂方法，其特征在于，电解液是通过电解液浸润辊将电解液转移到隔膜以及锂源电极、补锂对象电极上，电解液浸润辊外表层为多孔的弹性材料，可以通过毛细保留很多电解液，将电解液可控转移到锂源电极、补锂对象电极的涂布部分，而不会把锂源电极、补锂对象电极的白边因电解液而污染，影响后工序的使用。

9.根据权利要求8所述的电化学补锂方法，其特征在于，卷绕成的卷绕体电池，将正电极盘、负电极盘分别装到卷绕体电池的两侧，与电极的白边紧密接触，将充放电机的正负极接到正电极盘、负电极盘上，将第一密封罩、第二密封罩合上；静置后，开始对卷绕体电池进行充电：一定的电流I，一定的时间t，把一定安时i*t的电量充进卷绕体电池内，并标定该锂源电极的电压，作为下次重复使用锂源电极的控制参数的监控起点V；充电过程完成后，表明补锂对象电极已经接受了锂源电极过来的锂，完成了电化学补锂过程。

10.根据权利要求9所述的电化学补锂方法，其特征在于，将完成补锂过程的卷绕体电池通过专用的装置即卷绕的反向操作，将锂源电极、隔膜、补锂对象电极分别分离为锂源电极卷、隔膜卷、补锂对象电极卷，其中锂源电极、隔膜等待下次补锂使用，而补锂对象电极的电极卷，流入正常的电池制造工序使用；

当锂源电极第2次使用时，按照上述方法将锂源电极卷、隔膜卷、补锂对象电极卷，通过卷绕的方式，卷芯上卷绕成一个卷绕体电池，并与正电极盘、负电极盘组成一个完整的电池，其中正电极盘、负电极盘分别与卷绕体电池的正负极集流体白边接触，本次电化学补锂过程与第一次的充电方法相同，不同的是由于本次锂源电极是第二次使用，电化学电位较上次高；

如此反复使用锂源电极，直至最后一次的充电电压到该正极材料的充电截止电压。

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