CN118040067A - 一种使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了锂离子电池技术领域的一种使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法，包括以下步骤，步骤一，首先将锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极分别进行激光打孔，且锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极的孔位置需对应，将打孔后的锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极组装成半电池；步骤二，将锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极的极耳端引出，并与电池测试仪连接进行预锂，利用电池测试仪提供过电位，设置不同的预锂电流，控制锂箔溶解；步骤三，锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极预锂后，将预锂好的SiOx/Gr复合阳极与其他阴极进行安装，并密封电池，组装成全电池，完成电池的预锂化。本发明简单易操作，通过利用电池测试仪和打孔极片，实现了高效且均匀的预锂，降低了由于不均匀预锂带来的析锂风险。

Description

一种使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体是一种使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法。
背景技术
锂离子电池在首次充放电循环过程中，会有一部分活性锂损失，这部分活性锂会和电解液发生反应形成一层覆盖在电极颗粒表面的固体电解质膜，简称SEI膜，这会造成锂离子电池的低初始库伦效率。随着市场对高能量密度电池的迫切需求，具有更高比容量的Si阳极已经越来越受到关注，以取代当前的低比容量石墨基阳极。然而，由于(去)锂化过程中硅的体积变化大，固体电解质界面(SEI)膜的持续破坏和重建，硅阳极通常具有较低的初始库伦效率和较差的循环性能，这严重阻碍了其实际应用。为了克服纯硅巨大的体积膨胀障碍，研究人员研究了各种替代硅基材料，包括硅合金和纯硅分散在基体中的硅复合材料(Si/C、SiOx/C等)。与硅相比，SiOx的体积膨胀更小，而且石墨等碳材料作为缓冲材料的引入可以更好的适应SiOx的体积变化。所以，SiOx/Gr复合阳极成为高容量高安全性能阳极的首选。使用SiOx/Gr复合阳极，可以有效减少体积膨胀，在一定程度上提高阳极的初始库仑效率。然而，这种策略仍然不能将初始库仑效率提高到令人满意的水平。预锂化，即提前补充活性锂，是补偿阳极初始不可逆锂损失，改善库伦效率和循环性能的有效方法，近年来引起了相当大的关注。
目前已经发展了多种预锂化策略，遗憾的是，各种预锂化方法还仅局限于实验室研究，还没有一种预锂化方法成功应用到大规模的商业生产中。理想的预锂化策略需要高效、均匀预锂，以及精确控制。然而，目前的预锂化方法很少能满足所有要求。当前预锂化方法主要分为两种，一种是化学预锂化方法，即利用化学反应或者直接添加含锂化学试剂的方法。这种方法具有不可控、且高反应性等缺点。还有一种是电化学预锂化方法。电化学方法又分为两种，一种是直接将锂金属粉末、锂条或者锂膜、锂网等直接附在阳极表面上的直接接触预锂化，锂和阳极在电位差的驱动下自发预锂。还有一种是外部短路预锂化，将外界锂源、隔膜、阳极组成一个半电池，外界锂源和阳极在电池外部用一根导线相连，锂和阳极在电位差的驱动下自发预锂。利用两者之间的电位差作为驱动力自发预锂，具有驱动力不足的缺点，并且随着接触时间的增加，锂源和阳极的电位差会逐渐下降。因此，为了从本质上提高预锂效率，需要人为的增加预锂驱动力。当人为的驱动力增加后，能够实现快速预锂，但是由于锂铜复合带上铜箔的阻挡，锂箔溶解的锂离子只能通过四周电解液间隙向复合阳极进行补锂，预锂的均匀性却不能保证，因此会造成极片边缘预锂量多，中心预锂量少的特点。预锂量多的极片边缘在后续的使用过程中，极易产生析锂风险，而中心预锂量不足，预锂的效果不明显。为此有必要提出一种预锂效率高且预锂均匀的使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法。
发明内容
为了解决上述增加驱动力后，预锂不均匀的问题，本发明的目的是提供一种使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法，通过利用电池测试仪和打孔极片，实现了提高预锂效率的同时快速且均匀的补锂。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法，包括以下步骤，
步骤一，首先将锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极进行分别激光打孔，且锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极的孔位置需对应，将打孔后的锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极组装成半电池；
步骤二，将锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极的极耳端引出，并与电池测试仪连接进行预锂化，利用电池测试仪提供过电位，设置预锂电流，控制锂箔溶解；
步骤三，锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极预锂后，将预锂好的SiOx/Gr复合阳极与其他阴极进行安装，并密封电池，组装成全电池，完成电池的预锂化。
进一步，步骤一中，锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极尺寸为上所打的96mm*96mm，孔的孔径为500um，且孔均匀设置于锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极上，孔与孔之间的间距相同。
进一步，步骤一中，锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极上孔的数量控制为100个。
进一步，步骤一中，锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极上孔的数量密度为0.6％。
进一步，步骤一中，打孔技术选择为飞秒脉冲激光技术。
进一步，步骤二中，电池测试仪采用蓝电测试仪。
进一步，步骤一中，锂铜复合带和复合阳极组装时，锂铜复合带和复合阳极之间需设有隔膜。
基础方案的原理及有益效果是：1、本发明通过利用电池测试仪和打孔极片，实现了提高预锂效率的同时快速且均匀的补锂；其中将锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极的两端引出放在电池测试仪上，利用电池测试仪来提供过电位，设置预锂电流，控制锂箔溶解，能够加快预锂效率；同时由于打孔，锂箔溶解的锂离子不仅可以通过四周对其补锂，还可以通过孔洞垂直补锂，这样就可以实现快速且均匀的补锂。
2、孔的设计不会引起化学副反应、热损伤和电极结构破坏，从而降低了电极颗粒在锂化过程中的内应力，防止了电极裂纹的产生。
3、使用打孔的电极片可以提高锂离子的传输速率，降低液相传输电阻，缓解浓度极化，提高速率性能；同时研究表明，在预锂化过程中使用打孔极片可以避免锂金属沉积，并生成均匀稳定的固体电解质膜(SEI)。
4、通过研究，当孔径<500um时，通过增加孔的尺寸，可以显著改善预锂化的不均匀性。然而，当孔径＝500um时，锂离子很容易通过孔移动到SiOx/Gr复合阳极，当孔径>500um时，改善就不明显了。相反，电极片的结构完整性可能会由于使用更大的孔径尺寸而受到损害；由此孔径的大小选择为500um时，改善预锂不均匀性的效果最佳。
5、孔的均匀分布不仅使打孔过程更简单，而且可以保证每个孔都能发挥自己的作用。
附图说明
图1为本发明实施例中使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法的方法示意图。
图2为本发明实施例中使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法的结构示意图。
图3为本发明实施例中使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法中的打孔预锂原理示意图。
图4为本发明实施例中使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法中的实验示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：锂铜复合带1、孔2、SiOx/Gr复合阳极3、电池测试仪4。
实施例1
基本如附图1-图3所示：一种使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法，包括以下步骤，
步骤一，首先将锂铜复合带1和SiOx/Gr复合阳极3进行分别激光打孔2，且锂铜复合带1和SiOx/Gr复合阳极3的孔2位置需对应，将打孔2后的锂铜复合带1和SiOx/Gr复合阳极3组装成半电池；对极片进行打孔2优化设计可以兼顾预锂的均匀性，减小预锂过程中的析锂风险；
其中锂铜复合带1和SiOx/Gr复合阳极3上所打的孔2的孔2径为500um，且孔2均匀设置于锂铜复合带1和SiOx/Gr复合阳极3上，孔2与孔2之间的间距相同；锂铜复合带1和SiOx/Gr复合阳极3上孔2的数量控制为100个；锂铜复合带1和SiOx/Gr复合阳极3上孔2的数量密度为0.6％；打孔2技术选择为飞秒脉冲激光技术；并且锂铜复合带1和SiOx/Gr复合阳极3组装时，锂铜复合带1和SiOx/Gr复合阳极3之间需设有隔膜；
步骤二，将锂铜复合带1和SiOx/Gr复合阳极3的极耳端引出，并与电池测试仪4连接进行预锂，利用电池测试仪提供过电位，设置预锂电流，控制锂箔溶解；其中电池测试仪4采用蓝电测试仪；利用蓝电测试仪可以调控预锂效率，节约预锂时间；
步骤三，锂铜复合带1和SiOx/Gr复合阳极3预锂后，将锂铜复合带1和SiOx/Gr复合阳极3与其他部件进行安装，并密封电池，完成电池的预锂化。
其中实施过程中，如图3所示，锂铜复合带上的锂箔腐蚀溶解对复合阳极进行补锂，由于锂铜复合带上铜箔的阻挡，锂离子只能通过两侧电解液间隙向复合阳极进行补锂，因此会造成极片边缘预锂量多，中心预锂量少的特点。预锂量多的极片边缘在后续的使用过程中，极易产生析锂风险，而中心预锂量不足，预锂的效果不明显。通过打孔，锂箔溶解的锂离子不仅可以通过四周对其补锂，还可以通过孔洞垂直补锂，这样就可以实现快速且均匀的补锂。
具体实验过程：
如图4所示，由于孔密度小于1％，所以忽略由于打孔所造成的活性材料的损失，假设打孔的阳极极片和不打孔的阳极极片的容量是一致的，两极片的容量约为1Ah。假设预锂量为4％，预锂时间为30h，采用恒电流预锂，因此在电池测试仪上设置预锂电流I＝1Ah*4％/30h。将预锂结束的SiOx/Gr复合阳极极片用DMC洗净烘干，然后从内到外分为a、b、c、d四层，将每一层的涂料粉末刮下来混合均匀，然后让每一层的涂料去做原子吸收光谱测试，测量每一层所包含的归一化锂含量，来看不同极片位置预锂是否均匀。
结果分析：结果发现对于不打孔的极片，从a到d(从内到外)，锂含量逐渐增加，其中最内层a的锂含量最少，最外层d的锂含量最多。因此可以证明，如果极片不打孔，预锂较不均匀，极片边缘预锂量较多，中心预锂量不足。预锂量多的极片边缘在后续的使用过程中，极易产生析锂风险，而中心预锂量不足，预锂的效果不明显。相反对于打孔的极片，从a到d(从内到外)，锂含量变化不大，因此预锂相对均匀。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一，首先将锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极进行分别激光打孔，且锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极的孔位置需对应，将打孔后的锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极组装成半电池；
步骤二，将锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极的极耳端引出，并与电池测试仪连接进行预锂化，利用电池测试仪提供过电位，设置预锂电流，控制锂箔溶解；
步骤三，锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极预锂后，将预锂好的SiOx/Gr复合阳极与其他阴极进行安装，并密封电池，组装成全电池，完成电池的预锂化。
2.根据权利要求1所述的使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法，其特征在于：步骤一中，锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极的尺寸为96mm*96mm，锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极上所打的孔的孔径为500um，且孔均匀设置于锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极上，并且孔与孔之间的间距相同。
3.根据权利要求2所述的使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法，其特征在于：步骤一中，锂铜复合带和SiOx/Gr复合阳极上孔的数量控制为100个。
4.根据权利要求3所述的使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法，其特征在于：步骤一中，锂铜复合带和复合阳极上孔的数量密度为0.6％。
5.根据权利要求4所述的使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法，其特征在于：步骤一中，打孔技术选择为飞秒脉冲激光技术。
6.根据权利要求5所述的使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法，其特征在于：步骤二中，电池测试仪采用蓝电测试仪。
7.根据权利要求6所述的使用电池测试仪和打孔极片的电化学预锂化的方法，其特征在于：步骤一中，锂铜复合带和复合阳极组装时，锂铜复合带和复合阳极之间需设有隔膜。
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