一種鋰離子二次電池動態化成方法與流程
2023-05-18 20:42:36 2
本發明涉及一種鋰離子化成工藝，尤其是一種鋰離子二次電池動態化成方法。
背景技術：
在鋰離子電池生產過程中，化成工序直接影響電池的性能。傳統的化成工藝一般採用分段恆流充電，首先小電流充電一定時間後，再用較大的電流繼續充電一定時間。化成過程中的充電電流至關重要，廠家需要在大電流(節約生產時間)和小電流(穩定的電池性能)之間選擇最佳組合。
例如，公開號為cn101315994a的中國專利申請提到一種鋰離子二次電池的化成方法，該方法包括向鋰離子二次電池內注入電解液並陳化，然後對鋰離子二次電池進行充電，所述充電方法包括第一次充電過程和第二次充電過程，在第一次充電過程之後再次向鋰離子二次電池內注入電解液，所述在第一次充電過程之前注入的電解液和在第一次充電過程之後再次向鋰離子二次電池內注入的電解液分別獨立的為含有電解質鋰鹽和鏈狀酸酯的混合溶液，其中，在第一次充電過程之前向鋰離子二次電池內注入的電解液中還含有成膜添加劑；在第一次充電過程之後再次向鋰離子二次電池內注入的電解液中還含有過充添加劑。
公開號為cn103151565a的中國專利申請提到一種鋰離子二次電池的首次充電化成方法，包括以下步驟：將已注有電解液的鋰離子二次電池進行陳化處理，然後在負壓狀態下逐步增加充電電流對電池進行分段充電化成，當電壓到達3.6v時，對電池進行封口；對電池進行老化處理，然後先以0.5c～1c的倍率恆流充電至3.8～4.0v，再以0.2c～0.5c的倍率恆流充電至4.2v，最後在4.2v下恆壓充電。相對於現有技術，本發明採用分段充電化成的方法先將電池充電至3.6v，可以將在形成sei膜的過程中產生的有害氣體及時排出，更好的保證li+的遷移，使形成的sei膜更加均一、穩定和緻密，從而提高其循環性能和大倍率放電性能，但是充電電流對電池進行分段充電化成過程中，3.6v，3.8～4.0v，4.2v的各個充電分段極點的具體數字得來依據並沒有具體公開，如果鋰離子二次電池的規格發生變化，各個充電分段極點的具體數字也會發生變化，在化成的具體過程中，「預化成區」，「化成區」以及「後化成區」的充電電壓無法確定。
以上專利動態化成過程中的「首次充電電流(fcc)」和「二次充電電流(scc)」並沒有確定，廠家需要在大電流(節約生產時間)和小電流(穩定的電池性能)之間選擇最佳組合。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決現有技術所存在的缺陷，提供一種鋰離子二次電池動態化成方法。
為了實現上述目的，本發明採用的技術方案是：
一種鋰離子二次電池動態化成方法，包括如下步驟：
確定「sei膜成膜結束電壓(sfev)」；
確定動態化成過程中的「首次充電電流(fcc)」和「二次充電電流(scc)」；至少在動態化成的首次循環中應用「首次充電電流(fcc)」和「二次充電電流(scc)」。
上述的一種鋰離子二次電池動態化成方法，確定「sei膜成膜結束電壓(sfev)」的具體方法：sfev是通過測量電池在一個或多個化成過程中的熱量曲線而獲得的，具體內容為：用恆定電流將測試電池充電至目標電壓，測量化成過程中產生的熱量，得到熱量曲線。
用不同的充電電流重複上述步驟至少一次，得到一系列的熱量曲線並製成曲線表，通過一系列曲線的重疊情況，確定「預化成區」，「化成區」以及「後化成區」。
上述的一種鋰離子二次電池動態化成方法，化成過程中sei膜完全形成時的電壓被稱為「sei膜成膜結束電壓(sfev)」。
上述的一種鋰離子二次電池動態化成方法，從化成過程的首次循環開始至電壓達到sfev，充電電流為「首次充電電流(fcc)」，化成過程中，sfev直至達到目標電壓，充電電流為「二次充電電流(scc)」。
上述的一種鋰離子二次電池動態化成方法，所述sfev為3.7v,目標電壓為4.2v。
上述的一種鋰離子二次電池動態化成方法，鋰離子的正極材料為鎳鈷錳(ncm)三元材料，負極材料為石墨基材料。
上述的一種鋰離子二次電池動態化成方法，化成過程中的溫度控制在25℃至55℃。
上述的一種鋰離子二次電池動態化成方法，記錄並確定sei膜成膜窗口期，該過程中的溫度應與前一個sei膜成膜窗口期過程中的的溫度相同。
本發明的有益效果為：該方法基於鋰電池在化成過程中熱量變化可以被測量，而且能夠被用來確定最佳的化成流程的背景知識。化成工序的目的是使鋰電池形成良好穩定的sei膜，sei膜的形成過程可以通過測量化成時的吸熱或放熱量來實時監控，通過對比確定「sei膜成膜結束電壓(sfev)」；確定動態化成過程中的「首次充電電流(fcc)」和「二次充電電流(scc)」，在大電流(節約生產時間)和小電流(穩定的電池性能)之間選擇最佳組合，保證鋰離子的加工效率以及最佳性能。
附圖說明
圖1為本發明的流程示意圖。
圖2為為鋰電池在靜態化成過程中熱量隨電壓變化的曲線，充電電流0.1c。
圖3為鋰電池在靜態化成過程中熱量隨電壓變化的曲線，充電電流0.2c。
圖4為鋰電池在靜態化成過程中熱量隨電壓變化的曲線，充電電流0.5c。
圖5為鋰電池在靜態化成過程中熱量隨電壓變化的曲線，充電電流1.0c。
圖6為鋰電池在靜態化成過程中熱量隨電壓變化的四條曲線疊加，充電電流分別是0.1c、0.2c、0.5c、1.0c。
圖7為不同倍率下電池的首效。
圖8為不同倍率下電池的容量。
圖9為不同倍率下電池的循環性能。
圖10為一個動態化成工藝。
具體實施方式
一種鋰離子二次電池動態化成方法，包括如下步驟：
確定「sei膜成膜結束電壓(sfev)」；
確定動態化成過程中的「首次充電電流(fcc)」和「二次充電電流(scc)」；至少在動態化成的首次循環中應用「首次充電電流(fcc)」和「二次充電電流(scc)」。
上述的一種鋰離子二次電池動態化成方法，確定「sei膜成膜結束電壓(sfev)」的具體方法：sfev是通過測量電池在一個或多個化成過程中的熱量曲線而獲得的，具體內容為：用恆定電流將測試電池充電至目標電壓，測量化成過程中產生的熱量，得到熱量曲線；
用不同的充電電流重複上述步驟至少一次，得到一系列的熱量曲線並製成曲線表，通過一系列曲線的重疊情況，確定「預化成區」，「化成區」以及「後化成區」。
化成過程中sei膜完全形成時的電壓被稱為「sei膜成膜結束電壓(sfev)」，從化成過程的首次循環開始至電壓達到sfev，充電電流為「首次充電電流(fcc)」，化成過程中，sfev直至達到目標電壓，充電電流為「二次充電電流(scc)」。
在本發明中，sfev為3.7v,目標電壓為4.2v，鋰離子的正極材料為鎳鈷錳(ncm)三元材料，負極材料為石墨基材料，化成過程中的溫度控制在25℃至55℃。
下面結合具體的附圖分析如下：
圖2至圖5表明化成的首次循環中產生了一定數量的不可逆熱量，主要來自電池負極材料與電解液反應所產生的熱量。圖6中四條曲線的重疊情況表明，0-2.0v可看作「預化成區」，2.0v-3.7v為「化成區」，3.7v-4.2v為「後化成區」；在化成區內，小電流有利於穩定的sei膜形成；而在後化成區，大電流是可以接受的。
表1為在2.0-3.7v的電壓窗口內，不同化成充電電流下電池的功率和能量；
表1
表1的結果顯示：0.1c的化成速率下，電池的能量最高。
一旦確定了化成中的「慢充區」和「快充區」，下一步就是確定各個步驟的具體參數。圖7至圖9分別顯示的是不同倍率下電池的首效、容量和循環性能。在確定「化成區」的充電電流和最佳化成溫度(一般在25-55℃)時，以上的測試都可以用來衡量電池的性能。
圖10展示的是一個動態化成工藝的具體實例：在首個循環中，在電壓達到3.7v前0.2c充電，3.7v至4.2v區間內0.5c充電，靜置兩小時，0.2c放電至3.0v，靜置兩小時，0.2c充至4.2v，靜置兩小時，0.2c放電至3.0v。
下面結合附圖1對本發明作進一步的說明：
步驟11-14包括運用熱量測量儀器來獲取鋰電池的熱量變化曲線。
步驟15包括確定sei膜成膜窗口期，sei膜完全形成時的電壓被稱為「sei膜成膜結束電壓(sfev)」。
步驟16和17包括確定動態化成過程中的充電電流。如上述實例中，用小電流，如0.2c，充電至sei膜完全形成；隨後用大電流，如0.5c，充電至目標電壓；特定情況下，在電壓達到2.0v之前也可用大電流進行充電。
步驟18是將上述步驟中所確定的所有參數應用到實際的化成工序中。值得注意的是，對於不同正負極材料體系、不同結構類型的電池而言，各個參數不盡相同，需要實際測量確定。
該方法基於鋰電池在化成過程中熱量變化可以被測量，而且能夠被用來確定最佳的化成流程的背景知識。化成工序的目的是使鋰電池形成良好穩定的sei膜，sei膜的形成過程可以通過測量化成時的吸熱或放熱量來實時監控，通過對比確定「sei膜成膜結束電壓(sfev)」；確定動態化成過程中的「首次充電電流(fcc)」和「二次充電電流(scc)」，在大電流(節約生產時間)和小電流(穩定的電池性能)之間選擇最佳組合，保證鋰離子的加工效率以及最佳性能。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明的範圍內。本發明要求的保護範圍由所附的權利要求書及其等同物界定。