CN111786042B - 一种改善化成失液量的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改善化成失液量的方法及其应用，所述方法包括在负压化成过程中根据电压变化进行真空度的梯度变化调节，且真空度的梯度变化调节包含四个阶段，分别为第一阶段，电压小于2.5V，调节真空度为‑20kPa～‑40kPa；不含‑40kPa，第二阶段，电压为2.5V～3.0V，不含3.0V，调节真空度为‑40kPa～‑80kPa，不含‑80kPa；第三阶段，电压为3.0V～3.75V，调节真空度为‑80kPa～‑100kPa；第四阶段，电压＞3.75V，调节真空度为‑40kPa～‑80kPa，不含‑80kPa；采用上述方法，在保证电池内积存气体抽真空的同时，有效改善了化成过程的失液量。
Description
技术领域
本发明属于电池领域，涉及一种改善化成失液量的方法及其应用。
背景技术
在电池生产过程中，化成属于比较重要的工序，化成时负极片表面会形成一层SEI膜，SEI膜的好坏直接影响着电芯的循环寿命、安全性、热稳定性、自放电及内阻等电化学性能；目前采用的负压化成过程中会造成电解液流失，降低化成失液量对于降低化成工艺成本具有重要意义。
针对化成失液量，目前主要有几种方法：1)增大化成柜工装中收集电解液的过渡杯子的体积，增加电解液在抽真空时的存储量，化成结束后回流到电池中，减少了电解液抽走的量，改善了化成失液量；2)降低真空度，减少抽走的电解液的量。但是真空度过大会抽走大量电解液，真空度过小会导致气体残留，影响电池性能；3)分步注入电解液，注入第一电解液之后，在较高电位的范围内进行预化成，然后排气注入第二电解液，最后进行充放电循环。这个方法能够有效的缓解电极极化导致的电解液的分解，减少电解液的损失。但这个方法过于繁琐，且第一电解液与第二电解液的成分不同，会影响电解液的浸润性，影响电池性能。
CN110661050A公开的化成过程中，温度维持在25±5℃，打开真空阀，保持真空度在-0.06～-0.08MPa，以0.05C恒流充电至3.22-3.24V，搁置，再以0.2C恒流充电至3.34-3.35V；CN101908647A公开了采用负压化成技术对电池进行化成，控制电池内压在-0.01MPa～-0.1MPa的真空度范围内，在0.01C～1.5C的电流范围内充电，并通过时间控制锂离子电池的充电量进行化成；CN102117936A公开了一种软包装锂离子电池化成方法，化成过程中，采用回流装置对铝塑膜内腔抽真空，表压真空度0.05～0.06MPa，再用惰性气体回压电解液，并自动控制回压量，不让气体进入电池内；上述化成过程中真空度均保持在特定范围内，而真空度过大时，会抽走大量电解液，造成化成失液量增加，而真空度过小时，会导致气体残留，影响电池性能。
因此，开发一种操作简单，且在保证电池内积存气体抽真空的同时有效改善化成失液量的方法仍具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善化成失液量的方法及其应用，所述方法包括在负压化成过程中根据电压变化进行真空度的梯度变化调节，且真空度的梯度变化调节包含四个阶段，分别为第一阶段，电压小于2.5V，此阶段调节真空度为-20kPa～-40kPa；不含-40kPa，第二阶段，电压为2.5V～3.0V，不含3.0V，此阶段调节真空度为-40kPa～-80kPa，不含-80kPa；第三阶段，电压为3.0V～3.75V，此阶段调节真空度为-80kPa～-100kPa；第四阶段，电压＞3.75V，此阶段调节真空度为-40kPa～-80kPa，不含-80kPa；本发明采用上述方法，其能有效匹配电池内的产气速率，进而改善化成过程的失液量，降低化成的成本。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种改善化成失液量的方法，所述方法包括在负压化成过程中根据电压变化进行真空度的梯度变化调节；
其中，真空度的梯度变化调节包含以下四个阶段，其具体包括：
第一阶段，电压＜2.5V时，真空度调节为-20kPa～-40kPa；例如-22kPa、-25kPa、-28kPa、-30kPa、-32kPa、-34kPa、-36kPa或-38kPa等，不含-40kPa；
第二阶段，电压为2.5V～3.0V时，不含3.0V，真空度调节为-40kPa～-80kPa，例如-45kPa、-50kPa、-55kPa、-60kPa、-65kPa、-70kPa或-75kPa等，不含-80kPa；
第三阶段，电压为3.0V～3.75V时，真空度调节为-80kPa～-100kPa，例如-82kPa、-85kPa、-88kPa、-90kPa、-92kPa、-95kPa或-98kPa等；
第四阶段，电压＞3.75V时，真空度调节为-40kPa～-80kPa，例如-45kPa、-50kPa、-55kPa、-60kPa、-65kPa、-70kPa或-75kPa等，不含-80kPa。
电池的化成过程是对电池的初次激活过程，也即首次充电的过程，在上述过程中，电池会发生化学反应，在负极(碳、硅、硅氧活性材料中的一种或者多种组合)和电解液的相界面形成一层钝化层(SEI)，SEI膜的质量直接影响到电池的各项电性能，同时，在形成SEI膜的过程中，电解液中会分解产生大量气体，若气体积存在电池内部，会对电池造成不可逆的损害，因此，需将积存在电池内的气体抽真空，抽真空的过程中会导致电解液损失，在化成结束后需要对电池进行补液，造成成本的提高；为解决上述技术问题，本发明所述方法通过在负压化成过程中根据电压变化进行真空度的梯度变化调节，进而达到了有效减少化成失液量的技术效果。
本发明研究发现，在电池化成过程中，随着电压的变化，其产气体积存在规律性的变化，即，产气体积随着电压的升高先升高，在电压为3.0V～3.75V的区间内达到最大值，之后产气体积随着电压的升高呈下降趋势。基于上述发现，本发明通过控制化成过程中不同电压下采用不同的真空度，进而保证有效降低化成过程的失液量，进而降低电池化成工艺的成本。
本发明所述方法将电池进行负压化成的过程分为四个阶段，其分别对应电压小于2.5V的第一阶段，此阶段内，产气体积较小，调节真空度为-20kPa～-40kPa，不含-40kPa，即可满足将电池内积存气体抽真空并避免电解液流失的效果，随着电压的升高，进入第二阶段，此阶段内电压范围为2.5V～3.0V(不含3.0V)，此阶段内产气体积较第一阶段提高，将真空度调节为-40kPa～-80kPa，不含-80kPa，即可满足将电池内积存气体抽真空并避免电解液流失的效果，之后随着电压的升高(电压位于3.0V～3.75V)，产气体积继续升高进入第三阶段，此阶段内调节真空度为-80kPa～-100kPa，即可满足电池内积存气体抽真空和避免电解液流失的效果，之后随着电压继续升高(电压＞3.75V)，电池内产气体积下降，此时将真空度调节为-40kPa～-80kPa，不含-80kPa；本发明采用上述过程能明显降低化成过程的失液量，降低化成过程的成本，且操作简单，化成效率高。
优选地，所述负压化成过程的温度为45-50℃，例如45℃、46℃、47℃、48℃或49℃等。
优选地，第一阶段内，真空度随着电压的增大而增大。
优选地，第一阶段内，真空度随着电压的增长速率为-7kPa/V～-9kPa/VkPa/V，例如-7.5kPa/V、-8kPa/V或-8.5kPa/V等，优选为-8kPa/V。
本发明研究表明，在电池化成开始时，其电压小于2.5V的范围内，电池内产气体积较小，但随着电压的增大，产气体积仍呈现增长趋势；本发明控制在第一阶段内，真空度随电压的增大而增大，进一步控制增长速率在上述范围内，其能有效减少化成过程的失液量，降低负压化成的成本。
优选地，第二阶段内，真空度随着电压的增大而增大。
优选地，第二阶段内，真空度随着电压的增长速率为-75kPa/V～-85kPa/V，例如-76kPa/V、-77kPa/V、-78kPa/V、-79kPa/V、-80kPa/V、-81kPa/V、-82kPa/V、-83kPa/V或-84kPa/V等，优选为-80kPa/V。
在电池化成进入第二阶段时，随着电压的升高，产气体积增加，此阶段内控制真空度随着电压的增大而增大，同时，控制增长速率在上述范围内，其能有效减少化成过程的失液量，降低负压化成的成本。
优选地，第三阶段内，真空度随着电压的增大而增大。
优选地，第三阶段内，真空度随着电压的增长速率为-25kPa/V～-28kPa/V，例如-25.5kPa/V、-26kPa/V、-26.5kPa/V、-27kPa/V或-27.5kPa/V等，优选为-26.7kPa/V。
在电池化成进入第三阶段时，随着电压的升高，产气体积增加，此阶段控制真空度随着电压的增大而增大，同时，控制增长速率在上述范围内，其能有效减少化成过程的失液量，降低负压化成的成本。
优选地，第四阶段内，真空度随着电压的增大而减小。
优选地，第四阶段内，真空度随着电压的减小速率为-25kPa/V～-28kPa/V，例如-25.5kPa/V、-26kPa/V、-26.5kPa/V、-27kPa/V或-27.5kPa/V等，优选为-26.7kPa/V。
当电池化成进入第四阶段时，随着电压的升高，产气体积下降，此阶段控制真空度随着电压的增大而减小，同时，控制减小速率在上述范围内，其能有效减少化成过程的失液量，降低负压化成的成本。
作为本发明优选的技术方案，在温度为45-50℃的条件下进行负压化成过程真空度的梯度变化调节包含以下步骤：
第一阶段，电压＜2.5V时，真空度调节为-20kPa～-40kPa；不含-40kPa；其中，真空度随电压的增长速率为-7kPa/V～-9kPa/V；
第二阶段，电压为2.5V～3.0V时，不含3.0V，真空度调节为-40kPa～-80kPa，不含-80kPa；其中，真空度随电压的增长速率为-75kPa/V～-85kPa/V；
第三阶段，电压为3.0V～3.75V时，真空度调节为-80kPa～-100kPa；其中，真空度随电压的增长速率为-25kPa/V～-28kPa/V；
第四阶段，电压＞3.75V时，真空度调节为-40kPa～-80kPa，不含-80kPa，其中，真空度随电压的减小速率为-25kPa/V～-28kPa/V。
本发明所述改善化成失液量的方法根据电压变化将真空度的调节分为四个阶段，第一阶段对于电压小于2.5V，当电压在上述范围时，其化成产气体积较小，且随电压的增速较小，此阶段内控制真空度在-20kPa～-40kPa；不含-40kPa；范围内伴随电压增加而增加，此处增长速率控制在上述第一阶段的增长速率范围内，既能保证化成产气被抽真空，又能避免真空度过大造成化成失液量增加；随着电压的增加进入第二阶段，此时电压由2.5V逐渐增大至3.0V，不含3.0V，此阶段内化成产气体积增大，此时控制真空度在-40kPa～-80kPa，不含-80kPa范围内伴随电压增加而增加，此处增长速率控制在上述第二阶段的增长速率范围内，既能保证化成产气被抽真空，又能避免真空度过大造成化成失液量增加；随着电压的增加进入第三阶段，此时，电压由3.0V逐渐增大至3.75V，此阶段内化成产气达到峰值，此时控制真空度调节在-80kPa～-100kPa范围内伴随电压增加而增加，此处增长速率控制在上述第三阶段的增长速率范围内，既能保证化成产气被抽真空，又能避免真空度过大造成化成失液量增加；之后随着电压增长，进入第四阶段，电压大于3.75V，此阶段内化成产气体积下降，此时控制真空度调节在-40kPa～-80kPa，不含-80kPa，范围内伴随电压增加而减小，此处减小速率控制在上述第四阶段的减小速率范围内，既能保证化成产气被抽真空，又能避免真空度过大造成化成失液量增加；本发明中电池负压化成的过程中采用上述真空度的调节方式能有效降低化成过程的失液量，降低化成成本。
第二方面，本发明提供了如第一方面所述的改善化成失液量的方法的应用，所述方法用于电池的负压化成过程。
优选地，所述电池包括现有所有的锂离子电池。
优选地，所述电池包括磷酸铁锂体系或三元电池体系的锂离子电池。
其中，所述磷酸铁锂体系的锂离子电池包括：LiFePO4/C、LiFePO4/Si或LiFePO4/Si-O中的任意一种或至少两种的组合。
LiFePO4/C、LiFePO4/Si、LiFePO4/Si-O的含义为锂离子电池的正极为磷酸铁锂，负极分别为C、Si或SiO中的任意一种或至少两种的组合。对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明所述改善化成失液量的方法根据电压变化进行真空度的梯度变化调节；且所述真空度的梯度变化调节包含四个阶段，通过四个阶段真空度的调节，使得真空度与电池内的产气体积相配合，从而达到在保证电池内积存气体抽真空的同时，降低化成过程失液量的效果；同时降低化成的工艺成本。
附图说明
图1是本发明实施例中采用的电池的化成产气体积随电压的变化曲线；
图2是本发明实施例1中化成过程进行真空度梯度变化调节的曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
以下进行化成过程测试的电池采用NCM622/石墨电化学体系
化成过程的操作条件为电芯280Ah环境温度45℃常压，5.6A充电3h，接着28A充电至指定电压。
将上述电池进行化成产气体积的测试，并记录电压及产气体积；测试方法如下：通过导管将电芯与外部连接，采用排水法收集产气量。产气体积与电压的关系曲线如图1所示，由图1可以看出，电池化成过程中，随着电压的升高，产气体积逐渐增加，当电压达到3.0V～3.75V之间时，产气体积达到最大值；当电压继续增大时，产气体积逐渐降低。
实施例1
本实施例中负压化成过程采用如下方式，将过程分为四个阶段，其过程如图2所示，具体包括：
第一阶段，电压＜2.5V时，真空度调节为-20kPa～-40kPa；不含-40kPa；其中，真空度随电压的增长速率为-8kPa/V；
第二阶段，电压为2.5V～3.0V时，不含3.0V，真空度调节为-40kPa～-80kPa，不含-80kPa；其中，真空度随电压的增长速率为-80kPa/V；
第三阶段，电压为3.0V～3.75V时，真空度调节为-80kPa～-100kPa；其中，真空度随电压的增长速率为-26.7kPa/V；
第四阶段，电压＞3.75V时，真空度调节为-40kPa～-80kPa，不含-80kPa，其中，真空度随电压的减小速率为-26.7kPa/V。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于，第一阶段，真空度恒定在-30kPa，第二阶段，真空度恒定在-60kPa，第三阶段，真空度恒定在-90kPa，第四阶段，真空度恒定在-60kPa，其他参数和条件与实施例1中完全相同。
实施例3
本实施例与实施例1的区别仅在于，第一阶段，真空度恒定在-20kPa，第二阶段，真空度恒定在-50kPa，第三阶段，真空度恒定在-100kPa，第四阶段，真空度恒定在-50kPa，其他参数和条件与实施例1中完全相同。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，化成过程的真空度恒定在-80±5kPa，其他参数和条件与实施例1中完全相同。
对实施例和对比例中的电池化成过程的失液量进行测试，测试结果如表1所示；
表1
| 失液量/g(总注液量944g) | |
| 实施例1 | 1.2 |
| 实施例2 | 4.2 |
| 实施例3 | 3.5 |
| 对比例1 | 6.0 |
由上表可以看出，负压化成过程采用本发明所述方法，其化成过程失液量明显减少，降低了化成过程的成本。
对比实施例1-3可以看出，化成过程中四个阶段的各个阶段内，真空度随电压的变化而变化，且保持特定的增长速率和减少速率，其有利于进一步降低化成过程的失液量，降低化成过程的工艺成本。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (12)
1.一种改善化成失液量的方法，其特征在于，所述方法包括在负压化成过程中根据电压变化进行真空度的梯度变化调节；
其中，真空度的梯度变化调节包含以下四个阶段，其具体包括：
第一阶段，电压＜2.5V时，真空度调节为-20kPa～-40kPa；不含-40kPa；
第二阶段，电压为2.5V～3.0V时，不含3.0V，真空度调节为-40kPa～-80kPa，不含-80kPa；
第三阶段，电压为3.0V～3.75V时，真空度调节为-80kPa～-100kPa；
第四阶段，电压＞3.75V时，真空度调节为-40kPa～-80kPa，不含-80kPa；
第四阶段内，真空度随着电压的增大而减小。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负压化成过程的温度为45-50℃。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一阶段内，真空度随着电压的增大而增大。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，第一阶段内，真空度随着电压的增长速率为-7kPa/V～-9kPa/V。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第二阶段内，真空度随着电压的增大而增大。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，第二阶段内，真空度随着电压的增长速率为-75kPa/V～-85kPa/V。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第三阶段内，真空度随着电压的增大而增大。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，第三阶段内，真空度随着电压的增长速率为-25kPa/V～-28kPa/V。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第四阶段内，真空度随着电压的减小速率为-25kPa/V～-28kPa/V。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在温度为45-50℃的条件下进行负压化成过程的真空度的梯度变化调节包含以下步骤：
第一阶段，电压＜2.5V时，真空度调节为-20kPa～-40kPa；不含-40kPa；其中，真空度随电压的增长速率为-7kPa/V～-9kPa/V；
第二阶段，电压为2.5V～3.0V时，不含3.0V，真空度调节为-40kPa～-80kPa，不含-80kPa；其中，真空度随电压的增长速率为-75kPa/V～-85kPa/V；
第三阶段，电压为3.0V～3.75V时，真空度调节为-80kPa～-100kPa；其中，真空度随电压的增长速率为-25kPa/V～-28kPa/V；
第四阶段，电压＞3.75V时，真空度调节为-40kPa～-80kPa，不含-80kPa，其中，真空度随电压的减小速率为-25kPa/V～-28kPa/V。
11.如权利要求1-10任一项所述的改善化成失液量的方法的应用，其特征在于，所述方法用于电池的负压化成过程。
12.如权利要求11所述的改善化成失液量的方法的应用，其特征在于，所述电池包括磷酸铁锂体系或三元电池体系的锂离子电池。
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