CN116505109A - 一种方形电池的化成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种方形电池的化成方法，该方法包括以下步骤：提供柔性袋，所述柔性袋具有电芯容置空间和气体容置空间；将连接好顶盖的电芯容置于所述电芯容置空间中，使所述顶盖设置于所述柔性袋外；向所述电芯容置空间中注入电解液，密封所述柔性袋，得到电芯包；将所述电芯包带夹具进行充电；充电完成后，拆除电芯包上的夹具和柔性袋，再将电芯包放入方形壳体，扣合顶盖和方形壳体。本发明化成方法能够有效解决方形电池在化成时由于产气和膨胀造成的界面黑斑和析锂，所得化成界面没有黑斑和析锂，界面平整光亮。
Description
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种方形电池的化成方法。
背景技术
随着锂电池技术的发展，新能源汽车的续航将进一步提升以逐步减少电动车用户的续航焦虑。根据封装方式的不同，电池分为方形电池、圆柱电池和软包电池，其中，方形电池和圆柱电池的壳体一般为金属壳体，方形电池一般采用铝壳，圆柱电池一般采用钢壳，软包电池采用的是铝塑膜包装结构。对于方形电池而言，为将化成时电芯产生的气体排出，一般使用夹具化成，即使用夹具夹住电池壳体，利用夹具对壳体内的电芯施加压力。然而，由于电芯外层的壳体的影响，该夹具对电芯内部的极片施加压力的影响小，收效甚微。
目前，高端石墨克容量已接近理论克容量。因此从负极材料角度看，电芯能量密度的提升需要开发出具有更高克容量的负极材料。硅基负极材料由于丰富的储量和超高的理论比容量正逐渐成为电池企业和锂电材料商改善负极的最优先选择，是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。
然而，硅作为锂离子电池负极时，体积膨胀较大，在方形结构中，由于极片在大面方向上没有束缚力，导致电池在化成时电芯膨胀，界面贴合松散，化成时产生的气体进一步加剧了界面的松散程度。该问题会使化成界面出现大量黑斑造成电芯低容和析锂，影响电池性能。
发明内容
本发明旨在提供一种方形电池的化成方法，能够有效解决方形电池在化成时由于产气和膨胀造成的界面黑斑和析锂。
按照本发明的技术方案，所述方形电池的化成方法，包括以下步骤：
S1：提供柔性袋，所述柔性袋具有电芯容置空间和气体容置空间；
S2：提供连接好顶盖的电芯；
S3：将连接好顶盖的电芯容置于所述电芯容置空间中，使所述顶盖设置于所述柔性袋外；
S4：向所述电芯容置空间中注入电解液，密封所述柔性袋，得到电芯包；
S5：提供夹具，夹持所述电芯包；
S6：对被夹持的电芯包进行充电（化成）；
S7：拆除夹具，将所述电芯从所述电芯包中取出；
S8：提供方形壳体，将取出的电芯放入所述方形壳体中，所述顶盖扣合所述方形壳体的开口，完成方形电池的化成；
所述步骤S1和S2的顺序不限。
进一步的，所述方形电池的负极材料为石墨或硅基负极材料。本发明方法在柔性袋外施加压力进行化成，避免了壳体的影响，同时能够排除气体，不仅适用于常规石墨负极材料电池，更适用于体积膨胀较大的硅基负极材料电池。
进一步的，所述石墨负极材料为块状、片状、球状、管状、多层状的人造石墨、改性天然石墨、天然石墨、人造-天然复合中的一种或几种；
所述硅基负极材料为块状、片状、球状、管状、多层状的硅碳纳米材料、硅氧纳米材料、硅碳微米材料、硅氧微米材料、硅碳纳米线、硅氧纳米线、硅氧纳米线与碳复合材料、硅碳微米线、硅氧微米线、硅氧微米线与碳复合材料中的一种或者几种。
进一步的，所述柔性袋或柔性膜采用绝缘材质，具体可以为铝塑膜或塑料等，优选为铝塑膜。
进一步的，所述气体容置空间的体积V和电芯的容量C之间满足以下关系：0.3C≤V≤5C，其中C的单位为Ah，V的单位为mL。例如体积V可以为0.3C、0.8C、1.5C、2C、2.5C、3C、4C、4.5C、5C，该体积可以满足正常电池化成的要求。实际应用时，气体容置空间的体积可以根据电芯材料确定。
进一步的，所述电芯容置空间和气体容置空间为相互独立的两个空间，电芯容置空间放置电芯后，气体容置空间的可以位于电芯的底部（远离极耳的一侧）或两侧，以不影响电芯容置空间以及化成时的气体排放为准。
进一步的，所述步骤S1的具体操作如下：提供一柔性膜，所述柔性膜形成有电芯槽和气袋槽，所述电芯槽和所述气袋槽为由所述柔性膜形成的凸出于柔性膜主体的凹形结构；
所述电芯槽为位于所述柔性膜中线一侧的单个电芯槽，或沿所述柔性膜中线对称的两个电芯槽；
所述气袋槽为位于所述柔性膜中线一侧的单个气袋槽，或沿所述柔性膜中线对称的两个气袋槽，所述气袋槽的位置与所述电芯槽或所述电芯槽沿所述柔性膜中线对称的位置不重叠；
所述柔性膜沿中线对折形成所述柔性袋，所述柔性膜中线一侧的所述单个电芯槽与所述柔性膜中线另一侧的所述柔性膜对接形成所述电芯容置空间，或所述柔性膜中线两侧的所述两个电芯槽对接形成所述电芯容置空间；同时所述柔性膜中线一侧的所述单个气袋槽与所述柔性膜中线另一侧的所述柔性膜对接形成所述气体容置空间，或所述柔性膜中线两侧的两个气袋槽对接形成所述气体容置空间。
进一步的，所述电芯容置空间的形状和体积与方形电池的电芯相一致，即电芯容置空间不需要留有余量，使得柔性袋能够很好的贴合电芯，避免夹具夹持时移位。
进一步的，所述步骤S3中，对所述柔性袋进行部分封边，部分封边时至少保留电芯底部进入所述电芯容置空间的侧边，再将连接好顶盖的电芯放入部分封边的柔性袋中，使所述顶盖位于所述柔性袋外；或者
将连接好顶盖的电芯放置在所述柔性袋的电芯容置空间中，使所述顶盖位于所述柔性袋外，再对所述柔性袋进行部分封边。
进一步的，所述步骤S4中，从所述柔性袋未封边的位置向所述电芯容置空间中注入电解液，密封所述柔性袋，得到所述电芯包。
进一步的，所述步骤S3中，通过热熔对柔性袋进行密封，操作方便能够保证密封性，具体可以采用热封机进行热熔密封。
进一步的，热熔的温度为120℃-250℃，热熔密封的时间为2 s-10 s。
进一步的，在步骤S4和S5之间，还包括将所述电芯包静置的步骤，通过静置，使电解液充分浸润。
进一步的，所述静置的温度为40℃-80℃，静置的时间为8 h-48 h。
进一步的，所述夹具的材质为铝、钢或树脂，夹具可以采用常规方形电池化成的夹具，其大小以能够完全夹持柔性袋为宜。
进一步的，所述步骤S6中，充电的温度为40℃-60℃。
进一步的，充电过程中，夹具的预紧力为100 kgf-800 kgf。
进一步的，所述方形壳体的材质为铝壳。
进一步的，所述步骤S7和S8在湿度1%-10%的条件下进行，避免电芯过多接触水分。
进一步的，所述步骤S8之后还包括通过所述顶盖向所述方形电池内部注入电解液的步骤，具体通过顶盖上的注液口进行注液。此时的电解液注入量大于所述柔性袋的电芯容置空间的电解液注入量。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明通过柔性袋包裹电芯进行化成，有效隔离了电芯和外界环境，避免了电芯接触水分，同时避免了电芯直接接触夹具；
本发明采用带夹具化成，通过夹具对电芯施加压力，使电芯在膨胀时界面依然紧密贴合，同时化成产生的气体也能及时排出到气体容置空间；
本发明化成方法得到的电芯界面没有黑斑和析锂，界面平整光亮，保证了电芯性能。
附图说明
图1为焊接好顶盖的电芯的结构示意图。
图2为电芯包的结构示意图。
图3为电芯包带夹具化成的结构示意图。
图4为完成化成的方形电池的结构示意图。
图5和6为实施例1所得化成界面图。
图7为对比例1所得化成界面图。
附图标记说明：1-电芯、2-顶盖、3-柔性膜、4-气体容置空间、5-夹具、6-方形壳体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提供了一种方形电池的化成方法，包括以下步骤，
（1）：根据方形电池的电芯1尺寸，在柔性膜3上冲压形成电芯槽和气袋槽，电芯槽和气袋槽为由柔性膜3形成的凸出于柔性膜主体的凹形结构；
其中，电芯槽为位于柔性膜中线（图2中柔性膜的底部）一侧的单个电芯槽，或沿柔性膜中线对称的两个电芯槽；
气袋槽为位于柔性膜中线一侧的单个气袋槽，或沿柔性膜中线对称的两个气袋槽，气袋槽的位置与电芯槽或电芯槽沿柔性膜中线对称的位置不重叠；
（2）：将冲压后的柔性膜3沿中线对折形成柔性袋，使得柔性膜3中线一侧的单个电芯槽与柔性膜3中线另一侧的柔性膜对接形成电芯容置空间，或柔性膜3中线两侧的两个电芯槽对接形成电芯容置空间，电芯容置空间的大小和体积与电芯1相一致；
同时，柔性膜3中线一侧的单个气袋槽与柔性膜3中线另一侧的柔性膜对接形成气体容置空间4，或柔性膜3中线两侧的两个气袋槽对接形成气体容置空间4；
（3）：将焊接好顶盖2的电芯1（如图1所示）放入电芯容置空间（图2和图3中电芯容置空间与电芯位置重叠）中，使顶盖2留在柔性袋外，气体容置空间4位于电芯1的一侧；
具体的，电芯1由正负极片和隔膜卷绕或叠设而成，电芯1向外延伸出极耳，顶盖2上穿设有引出电极，电芯可以通过极耳直接与引出电极焊接，或者极耳先和转接片焊接，再将转接片和极柱焊接，以将电芯1和顶盖2固定；
（4）：对柔性袋进行热熔顶封和一端侧封，保留另一端作为注液口，热熔温度为120℃-250℃，时间为2 s-10 s；
具体的，顶封指对柔性袋靠近顶盖2的一侧进行封口；能够理解地，可以根据实际情况选择注液口的位置；
（5）：向注液口注入电解液，热熔封闭注液口，得到电芯包，热熔温度为120℃-250℃，时间为2 s-10 s；
（6）：将电芯包在40℃-80℃条件下高温静置8 h-48 h，使电解液充分浸润；
（7）：将浸润完成的电芯包在高温箱中带夹具进行首次充电（如图3所示），充电温度40℃-60℃，夹具预紧力100 kgf-800 kgf，夹具材质为铝质、钢制或者树脂类；
（8）：首次充电完成后，在湿度1%-10%的条件下，拆除电芯包上的夹具和柔性袋，得到充电完成后电芯；
（9）：将充电完成后电芯放入方形壳体，焊接顶盖2和方形壳体，完成方形电池的化成，得到化成后的方形电池（如图4所示）。
需要说明的是，充电完成后，必须拆除柔性袋将电芯放入方形壳体中，原因在于：除了首次充电，电池在日常充放电过程中也会发生膨胀，对于硅负极片制成的电芯而言尤其如此，由于柔性袋具有柔性，其本身无法为电芯膨胀提供作用力，而方形壳体为金属壳体且具有较高硬度，当电芯膨胀挤压方形壳体时，方形壳体能为电芯提供反作用力，从而能够在一度程度上抑制电芯膨胀。
能够理解地，电池的化成是指对电池进行首次充电，以激活电池，所述首次充电是指第一次充电，并非强调充电次数。在首次充电中，可以根据实际情况，对电池进行一次或多次充电。
进一步的，所述步骤（8）之后还包括通过顶盖2向方形壳体内部注入电解液的步骤，具体通过顶盖2上的注液口进行注液。此时的电解液注入量大于所述柔性袋的电芯容置空间的电解液注入量。为更好地保障电池性能，本发明所提供的化成方法包括两次注液。
一次注液是注入柔性袋中的电芯容置空间，目的是为电池的首次充电提供离子迁移的介质，由于柔性袋需要能够很好的贴合电芯且首次充电结束后会将电芯从柔性袋中拿出，故而一次注液的注液量相对较小，若一次注液的注入量较大，电芯则无法完全吸收电解液，多余电解液游离在柔性袋和电芯之间，使得柔性袋无法很好的贴合电芯，影响夹具的夹持效果，从而影响化成效果，此外，当拆除柔性袋拿出电芯时，多余的电解液会被浪费。
二次注液是在柔性袋拆除后电芯装入方形壳体中时，目的是为电池下线后的正常使用过程中提供离子迁移的介质，故而需要注入足量的电解液以满足电池日常循环需求，并且方形壳体的容置空间较大，能够储存更多的电解液。能够理解地，二次注液时，可以将电解液分多次注入到方形壳体中，例如：可以先注一次，静置，然后再注一次，再静置。
实施例1：
本实施例提供了一种方形铝壳电池的化成方法，该电池的电芯尺寸为13 mm*148mm*91 mm，容量为37Ah，柔性膜采用铝塑膜。化成方法包括以下步骤：
（1）在铝塑膜上冲出两个电芯槽和两个气袋槽，两个电芯槽和两个气袋槽分别沿铝塑膜的中线对称；
将铝塑膜沿中线折叠，使得两个电芯槽对接形成尺寸为13 mm*148 mm*91 mm的电芯容置空间，两个气袋槽对接形成尺寸为5 mm*3 mm*10 mm的气体容置空间；
（2）将焊接好顶盖的电芯从远离铝塑膜中线的一侧开口装入电芯容置空间中，顶盖留在铝塑膜外；将铝塑膜在热封机下热熔封口，热熔机温度为200℃，热熔封口时间为6s，封口位置包括顶部（即远离铝塑膜中线的一侧或靠近顶盖的一侧）和一端，铝塑膜的另一端留作注液口；
（3）向注液口注入电解液，热熔封闭注液口，热熔温度为200℃，时间为6 s，得到电芯包；
（4）将电芯包高温静置，使电解液充分浸润，静置温度为45℃，静置时间为20 h；
（5）将浸润完成的电芯包在高温箱中带夹具化成，化成温度45℃，夹具预紧力300kgf，夹具为铝材质；
（6）化成结束的电芯包在1%湿度环境下拆除夹具，然后将电芯放入方形壳体并满焊。
对比例1：
本对比例中采用了和实施例1中成品结构、尺寸和容量均相同的电池。
本对比例采用的化成方法，包括以下步骤：
将焊接好顶盖的电芯装入方形壳体并满焊，将焊接完成的电池高温静置，使电解液充分浸润，静置温度为45℃，静置时间为20 h；静置完成后采用夹具化成，化成温度45℃，夹具预紧力300 kgf；化成完成后拆除夹具。
结果分析：
实施例1所得化成界面如图5和6所示，对比例1所得化成界面如图7所示。可以看出，实施例1所得化成界面平整光亮，无黑斑和析锂；对比例1所得化成界面有大量黑斑和析锂。
由此可知，现有的方形电池在化成时，夹具夹持于方形壳体，夹具对电芯没有束缚力，导致电池在化成时电芯膨胀得不到抑制，界面贴合松散，化成时产生的气体进一步加剧了界面的松散程度，从而使化成界面出现大量黑斑造成电芯低容和析锂，影响电池性能。
本发明的化成方法通过将提前与顶盖相连的电芯放入柔性袋中，通过夹具夹持柔性袋，柔性袋与电芯贴合紧密，当电芯膨胀时挤压夹具，夹具给予电芯反作用力能够很好地抑制电芯膨胀，从而够有效解决方形电芯在化成时由于产气和膨胀造成的界面黑斑和析锂。当首次充电结束后，拆除夹具和柔性袋，将电芯放入方形壳体中，密封顶盖和方形壳体，整个化成过程结束，方形电池流转到一下工序，例如气密性检测工序。
化成中的电芯膨胀是电芯发生的第一次膨胀，若处理不好，会严重影响后续的电池使用，本发明的化成方法制成的电池，能够有效解决在电池制造过程中发生的电芯膨胀问题，提高了电池的性能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (11)
1.一种方形电池的化成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提供柔性袋，所述柔性袋具有电芯容置空间和气体容置空间；
S2：提供连接好顶盖的电芯；
S3：将连接好顶盖的电芯容置于所述电芯容置空间中，使所述顶盖设置于所述柔性袋外；
S4：向所述电芯容置空间中注入电解液，密封所述柔性袋，得到电芯包；
S5：提供夹具，夹持所述电芯包；
S6：对被夹持的电芯包进行充电；
S7：拆除夹具，将所述电芯从所述电芯包中取出；
S8：提供方形壳体，将取出的电芯放入所述方形壳体中，所述顶盖扣合所述方形壳体的开口；
所述步骤S1和S2的顺序不限。
2.如权利要求1所述的方形电池的化成方法，其特征在于，所述气体容置空间的体积V和所述电芯的容量C之间满足以下关系：0.3C≤V≤5C，其中C的单位为Ah，V的单位为mL。
3.如权利要求1所述的方形电池的化成方法，其特征在于，所述步骤S1的具体操作如下：提供一柔性膜，所述柔性膜形成有电芯槽和气袋槽，所述电芯槽和所述气袋槽为由所述柔性膜形成的凸出于柔性膜主体的凹形结构；
所述电芯槽为位于所述柔性膜中线一侧的单个电芯槽，或沿所述柔性膜中线对称的两个电芯槽；
所述气袋槽为位于所述柔性膜中线一侧的单个气袋槽，或沿所述柔性膜中线对称的两个气袋槽，所述气袋槽的位置与所述电芯槽或所述电芯槽沿所述柔性膜中线对称的位置不重叠；
所述柔性膜沿中线对折形成所述柔性袋，所述柔性膜中线一侧的所述单个电芯槽与所述柔性膜中线另一侧的所述柔性膜对接形成所述电芯容置空间，或所述柔性膜中线两侧的所述两个电芯槽对接形成所述电芯容置空间；同时所述柔性膜中线一侧的所述单个气袋槽与所述柔性膜中线另一侧的所述柔性膜对接形成所述气体容置空间，或所述柔性膜中线两侧的两个气袋槽对接形成所述气体容置空间。
4.如权利要求3所述的方形电池的化成方法，其特征在于，
所述步骤S3中，对所述柔性袋进行部分封边，部分封边时至少保留电芯底部进入所述电芯容置空间的侧边，再将连接好顶盖的电芯放入部分封边的柔性袋中，使所述顶盖位于所述柔性袋外；或者
将连接好顶盖的电芯放置在所述柔性袋的电芯容置空间中，使所述顶盖位于所述柔性袋外，再对所述柔性袋进行部分封边。
5.如权利要求4所述的方形电池的化成方法，其特征在于，
所述步骤S4中，从所述柔性袋未封边的位置向所述电芯容置空间中注入电解液，密封所述柔性袋，得到所述电芯包。
6.如权利要求1所述的方形电池的化成方法，其特征在于，在步骤S4和S5之间，还包括将所述电芯包静置的步骤。
7.如权利要求6所述的方形电池的化成方法，其特征在于，所述静置的温度为40℃-80℃，静置的时间为8 h-48 h。
8.如权利要求1所述的方形电池的化成方法，其特征在于，所述方形电池的负极材料为石墨或硅基负极材料。
9.如权利要求1所述的方形电池的化成方法，其特征在于，所述步骤S6中，充电的温度为40℃-60℃。
10.如权利要求1或9所述的方形电池的化成方法，其特征在于，充电过程中，所述夹具的预紧力为100 kgf-800 kgf。
11.如权利要求1所述的方形电池的化成方法，其特征在于，所述步骤S8之后还包括通过所述顶盖向所述方形电池内部注入电解液的步骤。
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