CN116598418B - 一种三电极电池及其预锂化的预锂量计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三电极电池及其预锂化的预锂量计算方法，所述三电极电池为叠片双侧出极耳软包电池，三电极由正极、负极及锂/铜复合电极组成；所述三电极电池的预锂化由负极和锂/铜复合电极一次充电完成，在电池因长期循环出现容量大幅度衰减的情况下，通过正极和锂/铜复合电极进行适当的放电操作，实现对正极材料锂容量的补充。本发明可有效实现锂离子电池正极容量的最大发挥以及电池寿命的最大延长，减少了频繁更换电池包的经济开销。
Description
技术领域
本发明涉及一种三电极电池及其预锂化的预锂量计算方法，属于锂离子电池领域。
背景技术
锂离子电池作为一种有效的储能工具，其能量密度以及循环寿命近年来备受关注，但锂离子电池因首次充放电过程中在负极表面生成SEI膜等，造成不可逆的锂容量损失，进而导致容量发挥不正常，能量密度低等问题。对负极材料进行预锂化，提前补充因负极表面成膜等原因造成的容量损失，即可以达到较好的容量发挥，进而提高电池能量密度。
现有专利一种预锂化装置、锂电芯预锂化方法及锂电池(CN115275388A)，一种预锂化用锂铜复合电极、一种预锂化方法以及一种锂离子电池(CN109119593A)，均是通过电化学预锂化方法对负极进行预锂，但预锂化量并未详细说明如何控制，有可能出现预锂化过量，出现析锂的风险；在专利锂离子电容器及其化成方法(CN105355457A)中，化成过程通过第三电极锂片对正极进行锂离子补充操作，预锂量未详细量化；专利预锂化膜的预锂化量检测方法(CN 109342951 A)，其是基于扣式电池的实验结果，与大容量电芯的软包电池或者方形电池存在较大差异。
发明内容
本发明的目的是为了克服锂离子电池首次容量损失严重以及预锂化量不准确等问题，提供了一种三电极电池及其预锂化的预锂量计算方法。
为了实现上述目的，本发明采用的一种三电极电池，所述三电极电池为叠片双侧出极耳软包电池，三电极由正极、负极及锂/铜复合电极组成；
所述三电极电池的预锂化由负极和锂/铜复合电极一次放电完成，在电池因长期循环出现容量大幅度衰减的情况下，通过正极和锂/铜复合电极进行适当的放电操作，实现对正极材料锂容量的补充。
作为进一步的，所述锂/铜复合电极中铜箔为集流体，铜箔两侧均涂覆有锂金属；所述锂/铜复合电极的厚度为5～8μm，铜箔厚度为4～5μm，锂箔厚度为0.5～1μm。
作为进一步的，所述正极的活性物质为LiMnO2、LiCoO2、LiNiO2、LiMO2(M＝NixCoyMnz/Alz，x+y+z＝1)中的任一种。
作为进一步的，所述负极的活性物质为石墨、氧化亚硅或硅中的任一种。
另外，本发明还提供了一种所述的三电极电池预锂化的预锂量计算方法，化成分容之前，先将负极与锂/铜复合电极连接，进行放电预锂化；
其中，所述Q负理论为半电池Li|负极极片发挥的理论克容量，Q正理论为半电池Li|LiMO2发挥的理论克容量；CE为与三电极电池相同的LiMO2|负极极片的两电极电池首次库伦效率经验值；F为法拉第常数，数值为96485C/mol；以上所述所有的容量单位均为Ah。
作为进一步的，计算公式适用于循环多次后容量保持率低于80％的失效电芯，再次连接正极和锂/铜复合电极进行nC放电，对正极进行补锂操作以恢复容量，其中CE即与循环初始放电容量的比值。
作为进一步的，对容量保持率低于80％的失效电芯正极进行放电补锂操作，补锂放电电流为nC，其中1C为放电电量Q，n的取值范围为0.01-0.5，补锂放电时间≤1/n h。
作为进一步的，当负极活性物质为石墨时，Q负理论＝0.372Ah，CE＝0.9；当负极活性物质为氧化亚硅时，Q负理论＝2.1Ah，CE＝0.8；当负极活性物质为硅时，Q负理论＝4.2Ah，CE＝0.77。
作为进一步的，当正极活性物质为LiMnO2时，Q正理论＝0.285Ah；当正极活性物质为LiCoO2时，Q正理论＝0.274Ah；当正极活性物质为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2时，Q正理论＝0.278Ah；当正极活性物质为LiNi0.8Co0.15Al0.05O2时，Q正理论＝0.275Ah；当正极活性物质为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2时，Q正理论＝0.28Ah。
作为进一步的，预锂化放电电流为nC，其中1C即为放电电量Q，n的取值范围为0.01-0.5，预锂化放电的时间≤1/n h。
本发明原理：在三电极软包叠片电芯自身的基础上进行预锂化设计并通过电芯实际的首次充放电容量差直接估算出预锂量，避免了过渡嵌锂所造成的风险。同时此三电极电池中的锂/铜复合电极双面均涂有锂金属，预锂化后，并未同以上专利中所述从电池中取出。当电池经长期循环容量降低较多的情况下，可将锂/铜复合电极连接正极，放电进行锂源补给，进而提升电池的容量，持续延长电池包寿命。
与现有技术相比，本发明的三电极电池是由正极、负极及锂/铜复合电极组成的叠片双侧出极耳软包电池，三电极电池的预锂化由负极和锂/铜复合电极一次放电完成，以补充常规电池正极和负极首次充放电过程中因生成SEI膜等原因导致的锂容量损失，同时可在电池因长期循环以后出现容量大幅度衰减的情况下，通过正极和锂/铜复合箔片进行适当的放电操作，实现对正极材料锂容量的补充，此方法可有效实现锂离子电池正极容量的最大发挥以及电池寿命的最大延长。
附图说明
图1为本发明的三电极电池的外形结构图；
图2为本发明的三电极电池的极片组装结构图；
图3为本发明实施例1与对比例1在1C倍率下1000周的容量保持率曲线图；
图4为本发明实施例2与对比例2在1C倍率下1000周的容量保持率曲线图；
图5为本发明实施例3与对比例3在1C倍率下1000周的容量保持率曲线图(图中箭头处为实施例3正极失效补锂处)。
具体实施方式
下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
如图1所示，一种三电极电池，其为叠片双侧出极耳软包电池，包括正极片1、负极片2和锂/铜复合电极片3；
所述锂/铜复合电极片3中，铜箔为集流体，铜箔两侧均涂覆有锂金属，其中，锂/铜复合电极片3的厚度优选为5～8μm，铜箔厚度为4～5μm，锂箔厚度优选为0.5～1μm。
三电极电池内部极片组装如图2所示，隔膜4以Z字型结构排布，正极片1、负极片2和锂/铜复合电极片3依次插入其中，且锂/铜复合电极的铜箔两侧均涂覆有金属锂。
作为实施例的一种改进，所述三电极电池留有气袋，以便化成排气使用。
另外，所述正极的活性物质为LiMnO2、LiCoO2、LiNiO2、LiMO2(M＝NixCoyMnz/Alz，x+y+z＝1)中的任一种。所述负极的活性物质为石墨、氧化亚硅或硅中的任一种。
当负极活性物质为石墨时，Q负理论＝0.372Ah，CE＝0.9；当负极活性物质为氧化亚硅时，Q负理论＝2.1Ah，CE＝0.8；当负极活性物质为硅时，Q负理论＝4.2Ah，CE＝0.77。
当正极活性物质为LiMnO2时，Q正理论＝0.285Ah；当正极活性物质为LiCoO2时，Q正理论＝0.274Ah；当正极活性物质为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2时，Q正理论＝0.278Ah；当正极活性物质为LiNi0.8Co0.15Al0.05O2时，Q正理论＝0.275Ah；当正极活性物质为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2时，Q正理论＝0.28Ah。
实施例1
一种三电极电池，正极选取LiNi0.8Co0.15Al0.05O2作为活性物质，负极选取氧化亚硅作为活性物质，锂/铜复合电极厚度为5.5μm，其铜箔厚度为4.5μm，两侧锂箔厚度均为0.5μm。此叠片电池型号为702440，额定容量1.5Ah。
此LiNi0.8Co0.15Al0.05O2三电极电池制备完成后，先连接负极和锂/铜复合电极进行放电预锂化操作。预锂化放电电流为0.01C，预锂化容量Q的计算公式为：
F为法拉第常数，数值为96485C/mol，以上所述所有的容量单位均为Ah。
因此，则预锂化放电电流0.01C即为0.0431mA，预锂化放电时间应小于100h。
对比例1
与实施例1中的电池体系完全相同，正极选取LiNi0.8Co0.15Al0.05O2作为活性物质，负极选取氧化亚硅作为活性物质。此叠片电池型号为702440，额定容量1.5Ah。此软包电池仅有正极和负极，无锂/铜复合电极。
实施例1和对比例1的电池在1C倍率下1000周的容量保持率曲线，如图3所示，实施例1中的三电极电池循环1000周后，其保持率为97％，对比例1中的电池循环1000周后保持率为79％，说明电池已失效。因此，本发明的预锂化三电极电池能有效提升电池的放电克容量和循环寿命。
实施例2
一种三电极电池，正极选取LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2作为活性物质，负极选取硅作为活性物质，锂/铜复合电极厚度为6μm，其铜箔厚度为5μm，两侧锂箔厚度均为0.5μm。此叠片电池型号为803035，额定容量0.85Ah。
此LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2三电极电池制备完成后，先连接负极和锂/铜复合电极进行放电预锂化操作。预锂化放电电流为0.02C，预锂化容量Q的计算公式为：
F为法拉第常数，数值为96485C/mol，以上所述所有的容量单位均为Ah。
因此，预锂化放电电流0.02C即为0.2004mA，预锂化放电时间应小于50h。
对比例2
与实施例2中的电池体系完全相同，正极选取LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2作为活性物质，负极选取硅作为活性物质。此叠片电池型号为803035，额定容量0.85Ah。此软包电池仅有正极和负极，无锂/铜复合电极。
实施例2和对比例2的电池在1C倍率下1000周的容量保持率曲线，如图4所示，实施例2中的三电极电池循环1000周后，其保持率为96％，对比例2中的电池循环1000周后保持率为78％，说明电池已失效。因此，本发明的预锂化三电极电池能有效提升电池的放电克容量和循环寿命。
实施例3
一种三电极电池，正极选取LiCoO2作为活性物质，负极选取石墨作为活性物质，锂/铜复合电极厚度为6.2μm，其铜箔厚度为5μm，两侧锂箔厚度均为0.6μm。此叠片电池型号为11080130，额定容量8Ah。
此LiCoO2三电极电池制备完成后，先连接负极和锂/铜复合电极进行放电预锂化操作。预锂化放电电流为0.05C，预锂化容量Q的计算公式为：
F为法拉第常数，数值为96485C/mol，以上所述所有的容量单位均为Ah。
因此，预锂化放电电流0.05C即为0.019mA，预锂化放电时间应小于20h。
当循环至1000周后，容量保持率为77％，需连接正极和锂/铜复合电极进行放电预补锂操作。补锂放电电流为0.05C，补锂容量Q的计算公式为：
F为法拉第常数，数值为96485C/mol，以上所述所有的容量单位均为Ah。
因此，补锂放电电流0.05C即为0.0435mA，补锂放电时间应小于20h。
正极补锂后，首次放电容量提升至7.80Ah，待再次循环300周后，其容量为6.39Ah，相比于补锂后首次放电容量保持率为82％。
对比例3
与实施例3中的电池体系完全相同，正极选取LiCoO2作为活性物质，负极选取石墨作为活性物质。此叠片电池型号为11080130，额定容量8Ah，电池仅有正极和负极，无锂/铜复合电极。
实施例3和对比例3的电池在1C倍率下1000周的容量保持率曲线，如图5和表1所示。
表1实施例3和对比例3循环及补锂后的数据表
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种三电极电池预锂化的预锂量计算方法，其特征在于，所述三电极电池为叠片双侧出极耳软包电池，三电极由正极、负极及锂/铜复合电极组成；隔膜以Z字型结构排布，正极、负极和锂/铜复合电极依次插入其中，且锂/铜复合电极的铜箔两侧均涂覆有金属锂；所述三电极电池的预锂化由负极和锂/铜复合电极一次放电完成，在电池因长期循环出现容量大幅度衰减的情况下，通过正极和锂/铜复合电极进行适当的放电操作，实现对正极材料锂容量的补充；
化成分容之前，先将负极与锂/铜复合电极连接，进行放电预锂化；
其中，所述Q负理论为半电池Li|负极极片发挥的理论克容量，Q正理论为半电池Li|LiMO2发挥的理论克容量；CE为与三电极电池相同的LiMO2|负极极片的两电极电池首次库伦效率经验值；F为法拉第常数，数值为96485C/mol；以上各容量单位均为Ah。
2.根据权利要求1所述的三电极电池预锂化的预锂量计算方法，其特征在于，计算公式适用于循环多次后容量保持率低于80％的失效电芯，再次连接正极和锂/铜复合电极进行nC放电，对正极进行补锂操作以恢复容量，其中CEf即循环后与循环初始放电容量的比值；对容量保持率低于80％的失效电芯正极进行放电补锂操作，补锂放电电流为nC，其中1C为放电电量Q，n的取值范围为0.01-0.5，补锂放电时间≤1/n h。
3.根据权利要求1所述的三电极电池预锂化的预锂量计算方法，其特征在于，当负极活性物质为石墨时，Q负理论＝0.372Ah，CE＝0.9；当负极活性物质为氧化亚硅时，Q负理论＝2.1Ah，CE＝0.8；当负极活性物质为硅时，Q负理论＝4.2Ah，CE＝0.77。
4.根据权利要求1所述的三电极电池预锂化的预锂量计算方法，其特征在于，当正极活性物质为LiMnO2时，Q正理论＝0.285Ah；当正极活性物质为LiCoO2时，Q正理论＝0.274Ah；当正极活性物质为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2时，Q正理论＝0.278Ah；当正极活性物质为LiNi0.8Co0.15Al0.05O2时，Q正理论＝0.275Ah；当正极活性物质为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2时，Q正理论＝0.28Ah。
5.根据权利要求1所述的三电极电池预锂化的预锂量计算方法，其特征在于，预锂化放电电流为nC，其中1C即为放电电量Q，n的取值范围为0.01-0.5，预锂化放电的时间≤1/n h。
6.根据权利要求1所述的三电极电池预锂化的预锂量计算方法，其特征在于，所述锂/铜复合电极中铜箔为集流体，铜箔两侧均涂覆有锂金属；所述锂/铜复合电极的厚度为5～8μm，铜箔厚度为4～5μm，锂箔厚度为0.5～1μm。
7.根据权利要求1所述的三电极电池预锂化的预锂量计算方法，其特征在于，所述正极的活性物质为LiMnO2、LiCoO2、LiNiO2、LiMO2(M＝NixCoyMnz或NixCoyAlz，x+y+z＝1)中的任一种。
8.根据权利要求1所述的三电极电池预锂化的预锂量计算方法，其特征在于，所述负极的活性物质为石墨、氧化亚硅或硅中的任一种。
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