鋰離子電池壓力化成方法與流程
2023-04-30 19:33:26
本發明涉及鋰離子電池製造技術領域，特別是涉及一種鋰離子電池壓力化成方法。
背景技術：
目前，隨著電動汽車、各種可攜式電子設備和無線移動通訊設備的快速發展和廣泛應用，人們對於循環壽命長、能量密度高、工作電壓高、無記憶效應且環保的鋰離子電池需求日趨增大。
鋰離子電池在使用前，需經過化成步驟。鋰離子電池的化成主要有兩方面的作用，一方面，激活電池正、負極的活性物質，從而使得電池達到最佳的充放電狀態。另一方面，在鋰離子電池的化成過程中，有機電解液在電極表面，主要是負極表面發生還原和分解，形成緻密的電子絕緣，鋰離子能夠導電的固體電解質界面膜，固體電解質界面膜稱為SEI(Solid Electrolyte Interface)膜。由於鋰離子的嵌入過程必然經由覆蓋在碳負極上的SEI膜，SEI膜的均勻性及穩定性等特性對整個鋰離子電池的電化學性能，例如電池容量、電池的法拉第效率、循環壽命、自放電性能、低溫性能、穩定性及安全性等均有很大的影響，是決定鋰離子電池性能好壞的重要原因之一。
為了獲得均勻性及穩定性較好的SEI膜，傳統的化成工藝是採用高溫大電流的化成工藝，高溫大電流化成的主要流程為：在高溫條件下，對鋰離子電池進行大電流化成，隨後，對完成化成的電池進行降溫冷卻，耗時較短。然而，上述化成工藝生產的鋰離子電池的電芯卸去壓力後靜置一段時間容易發軟，出現電池硬度不足的問題，導致電池在後期反覆充放電的使用過程中容易變形。
技術實現要素：
基於此，有必要針對傳統化成工藝生產的鋰離子電池的電芯卸去壓力後靜置一段時間後硬度不足，導致電池在後期反覆充放電的使用過程中容易變形的技術問題，提供一種鋰離子電池壓力化成方法。
一種鋰離子電池壓力化成方法，包括以下步驟：
S110：在第一預設溫度和第一預設壓強下，採用0.03CmA～0.06CmA電流對鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為4min～6min；
S120：在第二預設溫度和第二預設壓強下，採用0.1CmA～0.3CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為4min～6min；
S130：在第三預設溫度和第三預設壓強下，採用0.9CmA～1.1CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為55min～66min；
S140：在第四預設溫度和第四預設壓強下，採用0.09CmA～0.11CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為30min～35min；
S150：在第五預設溫度和第五預設壓強下，對完成恆流充電的所述鋰離子電池進行保溫保壓30min～120min；
其中，所述第五預設溫度為10℃～85℃，所述第五預設壓強為0.8MPa～2.0MPa，S110、S120、S130及S140中恆流充電的上限電壓小於等於最高充電截止電壓。
在其中一個實施例中，所述第五預設壓強為0.98MPa～1.8MPa。
在其中一個實施例中，所述第五預設溫度為45℃～75℃。
在其中一個實施例中，所述第一預設溫度、所述第二預設溫度、所述第三預設溫度及所述第四預設溫度均為10℃～85℃。
在其中一個實施例中，所述第一預設壓強及所述第二預設壓強均為0.08MPa～0.12MPa。
在其中一個實施例中，所述第三預設壓強及所述第四預設壓強均為0.6MPa～1.2MPa。
在其中一個實施例中，所述最高充電截止電壓為4.2V～4.4V。
在其中一個實施例中，所述最高充電截止電壓為4.2V、4.35V或4.4V。
在其中一個實施例中，在步驟S110之前，還包括如下步驟：在0.05MPa～0.12MPa的壓強下，將所述鋰離子電池進行休眠處理。
在其中一個實施例中，休眠的時間為4min～6min。
上述鋰離子電池壓力化成方法，在0.8MPa～2.0MPa的壓強下，在10℃～85℃的溫度下，保溫保壓30min～120min，對鋰離子電池的電芯進行高溫加壓整形硬化，使得電芯硬度提升，解決了電芯熱態情況下卸去壓力後靜置一段時間容易發軟，出現電池硬度不足的問題，有效避免了電池在後期反覆充放電的使用過程中容易變形的問題出現。
附圖說明
圖1為一實施例的鋰離子電池壓力化成方法的流程示意圖。
具體實施方式
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明。但是本發明能夠以很多不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似改進，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。在本發明的描述中，「多個」的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。
下面結合附圖描述根據本發明實施例的鋰離子電池壓力化成方法。
如圖1所示，一實施例的鋰離子電池壓力化成方法包括如下步驟：
S110：在第一預設溫度和第一預設壓強下，採用0.03CmA～0.06CmA電流對鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為4min～6min。
需要說明的是，鋰離子電池在化成步驟之前為鋰離子電池的注液步驟。這樣，在開始化成步驟時，鋰離子電池的電芯中存在多餘的氣體和部分多餘的電解液。為了防止後續在高溫高壓下的化成步驟中，多餘的氣體和部分多餘的電解液撐破電芯的前沿，在化成步驟開始之前，在0.05MPa～0.12MPa的壓強下，將鋰離子電池進行休眠處理，休眠的時間為4min～6min，提前排出鋰離子電池芯體中多餘的氣體和部分多餘的電解液，防止後續在高溫高壓下的化成步驟中，多餘的氣體和部分多餘的電解液撐破電芯的前沿。其中，休眠是指在化成步驟中表現為不做充電或放電，在本實施例中，表現為不做充電。
在本步驟中，將鋰離子電池放進壓力化成設備中，在第一預設溫度和第一預設壓強的環境下進行化成，採用0.03CmA～0.06CmA電流對鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為4min～6min，達到的上限電壓為3.4V～3.8V，低於最高充電截止電壓4.2V～4.4V。通過S110，能夠放出鋰離子電池內部大部分氣體，例如：CO、CO2、CH4、C2H4等。其中，壓力化成設備為現有技術中通常使用的壓力化成設備。其中，CmA中C為電池容量capacity的縮寫，mA為電流單位毫安，例如，所述0.03CmA～0.06CmA電流對鋰離子電池進行恆流充電錶示為：以0.03個容量大小的電流～0.06個容量大小的電流對鋰離子電池進行恆流充電。
例如，第一預設溫度為10℃～85℃。又如，第一預設溫度為20℃～55℃。又如，第一預設溫度為40℃～60℃。需要說明的是，當溫度過低，低於10℃時，容易導致鋰離子電池內部氣體放出不完全的情況出現。當溫度過高，高於85℃時，容易導致鋰離子電池內部發生異常化學反應，進而引發電池溫度異常升高、電解液失效等問題發生。
例如，第一預設壓強為0.08MPa～0.12MPa。又如，第一預設壓強為0.09MPa～0.1MPa。又如，第一預設壓強為0.88MPa～0.11MPa。需要說明的是，當壓強過低，低於0.08MPa，容易導致化成耗時過長，生產效率低下的問題出現。當壓強過高，高於0.12MPa，不能達到最好的工藝效果。
例如，在10℃～85℃溫度下，在0.08MPa～0.12MPa壓強下，採用0.03CmA～0.06CmA電流對鋰離子電池進行恆流充電，通過上述溫度、壓力及電流三項工藝參數的合理設置，充電時間僅為4min～6min，便可放出鋰離子電池內部大部分氣體，極大地縮短了S110的耗時，提高了生產效率。
S120：在第二預設溫度和第二預設壓強下，採用0.1CmA～0.3CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為4min～6min。
例如，在10℃～85℃溫度下，在0.08MPa～0.12MPa壓強下，採用0.1CmA～0.3CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為4min～6min，繼續進行化成，在化成過程中，達到的上限電壓為3.4V～3.8V，低於最高充電截止電壓4.2V～4.4V，鋰離子電池內部材料開始活化，並初步形成SEI膜。
其中，通過採用0.1CmA～0.3CmA電流，使得鋰離子能夠充分嵌入到負極的深處空穴，形成初步的SEI膜，進而能夠使得後續產生的SEI膜更緻密。通過使鋰離子電池置於0.08MPa～0.12MPa壓強下，能夠加速材料活化的速率，較好地縮短S120的耗時，進而能夠提高生產效率。
通過上述溫度、壓力及電流等多項工藝參數的合理設置，互相配合，使得S120中，鋰離子能夠充分嵌入到負極的深處空穴，形成初步的SEI膜，進而能夠使得後續產生的SEI膜更緻密，同時，較好的所述了化成的耗時，提高了生產效率。
S130：在第三預設溫度和第三預設壓強下，採用0.9CmA～1.1CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為55min～66min。
例如，在10℃～85℃溫度下，在0.6MPa～1.2MPa壓強下，採用0.9CmA～1.1CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為55min～66min，繼續進行化成，在化成過程中，達到的上限電壓約為最高充電截止電壓4.2V～4.4V，鋰離子電池內部材料充分活化，形成SEI膜。同時，形成SEI膜的同時，伴隨副反應產生的氣體及時排出，避免了這些氣體在電芯內部積聚造成電芯鼓脹、外殼變形、甚至產生爆炸的情況發生，確保了電芯的電性能及安全性能。
具體地，在S130化成過程中，在電芯相對的兩側面施加0.6MPa～1.2MPa壓強，同時，加熱升溫，溫度在10℃～85℃範圍內，在保證電芯內部極片界面良好的情況下，進行大電流恆流充電，充電時間為55min～66min，例如採用0.9CmA～1.1CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電。通過在電芯相對的兩側面施加壓力，避免了用大電流恆流充電時產生的極化而導致的充電不均勻問題發生，能夠在負極表面形成均勻的SEI膜。
S140：在第四預設溫度和第四預設壓強下，採用0.09CmA～0.11CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為30min～35min。
為了確保鋰離子電池電芯負極表面性的SEI膜完全穩定，例如，將完成S130的鋰離子電池在10℃～85℃溫度下，在0.6MPa～1.2MPa壓強下，採用0.09CmA～0.11CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為30min～35min，繼續進行化成，在化成過程中，達到的上限電壓約為最高充電截止電壓4.2V～4.4V，這樣，確保鋰離子電池電芯負極表面性的SEI膜完全穩定，伴隨副反應產生的氣體完全排出。
通過上述化成步驟獲得的鋰離子電池的電芯與傳統小電流長時間充電的電芯相比，電性能相似，甚至更好的，但是，能夠極大的縮短預充時間，提高工序效率，降低生產成本。
S150：在第五預設溫度和第五預設壓強下，對完成恆流充電的所述鋰離子電池進行保溫保壓30min～120min，其中，所述第五預設溫度為10℃～85℃，所述第五預設壓強為0.8MPa～2.0MPa。
需要說明的是，當鋰電池完成化成後，立即將電池從化成環境或者化成設備中取出，電芯在熱態情況下卸去壓力後靜置一段時間容易發軟，出現電池硬度不足，導致電池在後期反覆充放電的使用過程中容易變形。
為了解決上述問題，在本實施例中，在0.8MPa～2.0MPa的第五預設壓強下，在10℃～85℃的第五預設溫度下，將所述鋰離子電池在壓力化成設備中繼續保溫保壓30min～120min，對鋰離子電池的電芯進行高溫加壓整形硬化，使得電芯硬度提升，且靜置一段時間後仍保持較好的硬度，解決了電芯熱態情況下卸去壓力後靜置一段時間容易發軟，出現電池硬度不足的問題，有效避免了電池在後期反覆充放電的使用過程中容易變形的問題出現。
例如，第五預設壓強為0.89MPa～1.0MPa。又如，第五預設壓強為0.98MPa～1.8MPa。需要說明的是，當壓力過低，低於0.8MPa時，不能達到較好的硬化效果，當壓力過高，高於2.0MPa時，容易出現壓力過大而損壞電芯的情況。當壓力處於0.8MPa～2.0MPa之間時，能夠避免損壞電芯，且使得電芯能夠達到較好的硬化效果。
例如，第五預設溫度為30℃～50℃。又如，第五預設溫度為45℃～75℃，當溫度過低，低於10℃時，不能達到較好的硬化效果。當溫度過高，高於85℃時，容易導致鋰離子電池內部發生異常化學反應，進而引發電池溫度異常升高、電解液失效等問題發生。當溫度處於10℃～85℃時，既能夠達到較好的硬化效果，又能夠避免鋰離子電池內部發生異常化學反應。通過上述溫度及壓力兩項工藝參數的合理設置，互相配合，確保電芯定型，使得電芯的硬度得到很好的提升，保溫保壓一段時間後仍能保持較好的硬度，進而能夠避免後期反覆充放電後發生變形的情況出現。
此外，傳統技術中，在壓力化成設備上額外配置冷壓模塊，通過冷壓確保電芯定型，這樣，無疑增加了設備成本。在本實施例中，不需要額外增加冷壓模塊，採用無冷壓模塊的壓力化成設備，在0.8MPa～2.0MPa的第五預設壓強下，在10℃～85℃的第五預設溫度下，將所述鋰離子電池在壓力化成設備中繼續保溫保壓30min～120min，對鋰離子電池的電芯進行高溫加壓整形硬化，不僅確保電芯硬度符合工藝標準，防止鋰離子電池在後續使用過程中反覆充放電後發生變形現象，還能夠較好地節約設備成本。
又如，所述第一預設溫度、所述第二預設溫度、所述第三預設溫度及所述第四預設溫度相同；又如，所述第一預設溫度、所述第二預設溫度、所述第三預設溫度及所述第四預設溫度均為10℃～85℃。例如，所述第一預設溫度、所述第二預設溫度、所述第三預設溫度及所述第四預設溫度均為25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃或55℃；又如，所述第一預設壓強及所述第二預設壓強相同；又如，所述第三預設壓強及所述第四預設壓強相同；例如，所述第一預設壓強小於所述第三預設壓強。
上述鋰離子電池壓力化成方法，通過鋰離子電池在負極表面形成均勻穩定的SEI膜後，在0.8MPa～2.0MPa的壓強下，在10℃～85℃的溫度下，保溫保壓30min～120min，對鋰離子電池的電芯進行高溫加壓整形硬化，使得電芯硬度提升，且靜置一段時間後仍保持較好的硬度，解決了電芯熱態情況下卸去壓力後靜置一段時間容易發軟，出現電池硬度不足的問題，有效避免了電池在後期反覆充放電的使用過程中容易變形的問題出現。
下面為具體實施例：
實施例1：
步驟1：將鋰離子電池放進壓力化成設備中，在0.05MPa的壓強下，將鋰離子電池進行休眠，休眠的時間為4min；
步驟2：在40℃溫度下，在0.09MPa的壓強下，採用0.03CmA電流對完成步驟1的鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為4min，在化成過程中，達到的上限電壓為3.4V～3.8V，低於最高充電截止電壓4.2V～4.4V。
步驟3：將完成步驟2的鋰離子電池，在40℃溫度下，在0.08MPa壓強下，採用0.1CmA電流對鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為4min，在化成過程中，達到的上限電壓為3.4V～3.8V，低於最高充電截止電壓4.2V～4.4V。
步驟4：將完成步驟3的鋰離子電池在50℃溫度下，在0.8MPa壓強下，採用0.9CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為58min，在化成過程中，達到的上限電壓約為最高充電截止電壓4.2V～4.4V。
步驟5：將完成步驟4的鋰離子電池在50℃溫度下，在0.9MPa壓強下，採用0.09CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為31min，在化成過程中，達到的上限電壓約為最高充電截止電壓4.2V～4.4V。
步驟6：在0.89MPa的壓強下，在75℃的溫度下，將完成步驟5的鋰離子電池在壓力化成設備中繼續保溫保壓40min。
實施例2：
步驟1：將鋰離子電池放進壓力化成設備中，在0.1MPa的壓強下，將鋰離子電池進行休眠，休眠的時間為5min；
步驟2：在55℃溫度下，在0.88MPa的壓強下，採用0.04CmA電流對完成步驟1的鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為5min，在化成過程中，達到的上限電壓為3.4V～3.8V，低於最高充電截止電壓4.2V～4.4V。
步驟3：將完成步驟2的鋰離子電池，在55℃溫度下，在0.88MPa壓強下，採用0.2CmA電流對鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為5min，在化成過程中，達到的上限電壓為3.4V～3.8V，低於最高充電截止電壓4.2V～4.4V。
步驟4：將完成步驟3的鋰離子電池在55℃溫度下，在1MPa壓強下，採用1CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為60min，在化成過程中，達到的上限電壓約為最高充電截止電壓4.2V～4.4V。
步驟5：將完成步驟4的鋰離子電池在60℃溫度下，在1MPa壓強下，採用0.1CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為32min，在化成過程中，達到的上限電壓約為最高充電截止電壓4.2V～4.4V。
步驟6：在1.0MPa的壓強下，在45℃的溫度下，將完成步驟5的鋰離子電池在壓力化成設備中繼續保溫保壓80min。
實施例3：
步驟1：將鋰離子電池放進壓力化成設備中，在0.11MPa的壓強下，將鋰離子電池進行休眠，休眠的時間為5.5min；
步驟2：在75℃溫度下，在0.1MPa的壓強下，採用0.05CmA電流對完成步驟1的鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為5.5min，在化成過程中，達到的上限電壓為3.4V～3.8V，低於最高充電截止電壓4.2V～4.4V。
步驟3：將完成步驟2的鋰離子電池，在75℃溫度下，在0.88MPa壓強下，採用0.2CmA電流對鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為5min，在化成過程中，達到的上限電壓為3.4V～3.8V，低於最高充電截止電壓4.2V～4.4V。
步驟4：將完成步驟3的鋰離子電池在55℃溫度下，在1MPa壓強下，採用1CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為60min，在化成過程中，達到的上限電壓約為最高充電截止電壓4.2V～4.4V。
步驟5：將完成步驟4的鋰離子電池在60℃溫度下，在1MPa壓強下，採用0.1CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為32min，在化成過程中，達到的上限電壓約為最高充電截止電壓4.2V～4.4V。
步驟6：在0.98MPa的壓強下，在50℃的溫度下，將完成步驟5的鋰離子電池在壓力化成設備中繼續保溫保壓110min。
實施例4：
步驟1：將鋰離子電池放進壓力化成設備中，在0.12MPa的壓強下，將鋰離子電池進行休眠，休眠的時間為4.5min；
步驟2：在80℃溫度下，在0.12MPa的壓強下，採用0.06CmA電流對完成步驟1的鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為4.5min，在化成過程中，達到的上限電壓為3.4V～3.8V，低於最高充電截止電壓4.2V～4.4V。
步驟3：將完成步驟2的鋰離子電池，在80℃溫度下，在0.12MPa壓強下，採用0.3CmA電流對鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為6min，在化成過程中，達到的上限電壓為3.4V～3.8V，低於最高充電截止電壓4.2V～4.4V。
步驟4：將完成步驟3的鋰離子電池在80℃溫度下，在1.1MPa壓強下，採用1.1CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為60min，在化成過程中，達到的上限電壓約為最高充電截止電壓4.2V～4.4V。
步驟5：將完成步驟4的鋰離子電池在80℃溫度下，在1.1MPa壓強下，採用0.11CmA電流對所述鋰離子電池進行恆流充電，充電時間為35min，在化成過程中，達到的上限電壓約為最高充電截止電壓4.2V～4.4V。
步驟6：在1.8MPa的壓強下，在70℃的溫度下，將完成步驟5的鋰離子電池在壓力化成設備中繼續保溫保壓100min。
對實施例1至實施例4中獲得的鋰離子電池的電芯及沒有經過保溫保壓的鋰離子電池的電芯的對比例進行硬度測試。具體的測試方法為：在1.5m的高度上，將質量為134g的鋼球，通過自由落體的方式將鋼球砸至電芯表面，測量鋼球在鋰離子電池表面砸出凹坑的直徑，由直徑的數值大小來反應電芯硬度的大小，直徑的數值越小，電芯的硬度越大。
為了獲得較準確的測試結果，採用多次測量求平均值的方法來對實施例1至實施例4中獲得的鋰離子電池的電芯及沒有經過高溫高壓保溫保壓的鋰離子電池的電芯的對比例進行硬度測試，具體的測試結果如下表1所示：
表1測試結果對比表
從表1能夠明顯獲知，實施例1、實施例2、實施例3及實施例4中獲得的電芯在硬度測試實驗中，鋼球砸出的直徑的數值明顯小於通過現有技術獲得的電芯被鋼球砸出的直徑，說明實施例1、實施例2、實施例3及實施例4中獲得的電芯的硬度明顯高於對比例的電芯的硬度，較好地解決了現有技術中電芯硬度不足的問題，進而有效避免在後期反覆充放電的使用過程中造成電芯容易變形的問題。
以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。