一种聚合物锂离子电池的化成方法

技术领域

本发明属于聚合物锂离子电池制造领域，特别涉及一种可以改善高能量密度聚合物锂离子电池硬度、厚度和循环性能的化成方法。

背景技术

锂离子电池随着市场高能量密度和轻便化的需求，已经从原来的钢壳、铝壳电池发展到聚合物锂离子电池，聚合物锂离子电池具有高能量密度、体积小、安全性能好、外形设计灵活等优点，被广泛应用于3C数码类产品中。特别是近年来，随着4G、5G的快速发展，人们对手机的体验感要求更多，不仅需要更高的能量密度，还有更快速地充电。这对锂离子电池的制造提出了更高的要求。

聚合物锂离子电池的生产过程中，化成工艺是非常关键的一道工序，其对聚合物锂离子电池的厚度、硬度以及电性能起到至关重要的作用。锂离子电池的化成主要有两个方面的作用：一是使电池中活性物质借助第一次充电转成正常电化学作用；而是使电极主要是负极表面生成有效的SEI膜。而SEI膜在锂离子电池的电化学反应中，对于电池体系的稳定扮演着相当重要的角色。电池化成期间，最初的几次充放电会因为电池体系的不可逆反应，使得电池的放电容量在初期有所衰减，待到电池电化学状态稳定后，电池的容量趋于稳定。目前行业内通用的方法是采用压力化成方式化成。

中国发明专利CN109301335B公开了一种软包装锂离子电池的化成方法，采用三段压力脉冲式变动的方法对锂离子电池进行化成。压力脉冲式变动选择三角波、梯形波或半正弦波特定的脉冲压力波形和时间进行脉冲压力按摩。此方法提高化成工艺效率，SE1膜稳定性,提高化成工艺效率，改善锂离子的循环性能，但压力设置较为复杂，对技术有一定的要求。

中国发明专利申请CN109560337A公开了一种锂离子电池的化成方法，采用三次恒流充电，第一次充电，电流0.05-0.15C,压力0.05-0.35MPa:搁置3-8分钟,进行第二次恒流充电，电流0.2-0.4C,压力0.05-0.35MPa，搁置3-7分钟，进行第三次恒流充电，电流0.4-0.7C,压力0.5-0.8MPa，搁置5分钟,结束化成。该发明的锂离子电池的化成方法可提高SE1膜稳定性,提高生产效率，改善锂离子电池的循环性能。

但是在使用压力化成时，由于各阶段压力和温度的设计不合理，很容易造成电池的电极卷芯和铝塑膜之间的移位，从而导致电池报废。同时由于只追求了生产效率，而降低了化成电压并缩短了化成时间，致使电池在化成后出现电池发软，乃至负极活性物和基体铜箔的剥离现象(循环后更严重)，使得电池表面鼓起，厚度不良，导致电池不能装入手机仓，或者装入手机仓使用过程中，出现顶开手机屏幕的现象，致使手机报废。此类现象在高能量密度、快充、快放的锂离子电池方面表现的尤为突出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以改善锂离子电池使用压力化成时产生的电极芯和铝塑膜的移位，并改善电池的硬度、厚度以及负极活性物和基体铜箔的剥离现象的化成工艺方法。

本发明所述的技术问题是以如下技术方案解决的：

一种聚合物锂离子电池的化成方法，包括如下步骤：

(1)将电池注液抽真空后，进行陈化；

(2)压力化成柜温度到达设定温度50-70℃后，压紧电池，化成柜层板间的闭合速度＜1cm/s，闭合压力≤1kg/cm

(3)对电池进行化成，采用2段阶梯充电和1段阶梯放电，并采用4段不同的压力；其中，第2段阶梯充电的截止电压为满电至高于满电0.15V之内；

(4)冷却；

(5)对冷却后的电池抽真空封口；

(6)将真空封口后的电池陈化，即得。

优选地，步骤(1)的陈化温度为50℃-85℃。

优选地，步骤(1)的陈化的时间为3h-24h。

优选地，步骤(3)中第1段的压力≤3kg/cm

优选地，步骤(3)中，第1段阶梯充电的充电电流为0.2C-0.5C，截止电压小于3.70V。

优选地，步骤(3)中，第2段阶梯充电的充电电流为0.2C-1.5C。

优选地，步骤(3)中，所述阶梯放电电流为0.2C-0.5C，放电电压至3.90V。

优选地，步骤(4)中冷却为电池在低于18℃的环境中冷却，冷却时间大于1h。

优选地，步骤(5)中抽真空后，电池中电解液保有量为1.5g/Ah-1.9g/Ah。

优选地，上述技术方案中步骤(6)电池陈化的环境条件为温度30℃-50℃，空气相对湿度大于70％RH，陈化时间大于48h。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的加压化成工艺，层板间的闭合速度小，第一段加压压力小，有效改善电极芯和铝塑膜之间产生位移，延长电池的寿命；

(2)本发明分阶梯充电，通过控制充电电流、电压，更好地控制SEI膜的成膜均匀性和稳定性，并有效消除由于极化电压引起的充电不满，消除负极和基体铜箔之间的应力，避免分容或循环使用时负极材料和基体铜箔之间剥离，有效改善电池变厚、循环性能；

(3)本发明的加压化成工艺，通过对温度、压力、电压等的控制，能保证电池有更好的硬度；

(4)本发明通过高温高湿环境下的陈化，能有效以挑选出起皮、起鼓、漏液和边电压不良的产品，保证出货的电池没有质量隐患；

(5)本发明的工艺技术简单，适合于大规模化工业生产。

附图说明

图1为实施例1化成后的聚合物锂离子电池；

图2为实施例2化成后的聚合物锂离子电池；

图3为实施例3化成后的聚合物锂离子电池；

图4为实施例4化成后的聚合物锂离子电池；

图5为对比例1化成后的聚合物锂离子电池；

图6为实施例2化成后的聚合物锂离子电池；

图7为实施例3化成后的聚合物锂离子电池；

图8为实施例1化成后运用高温高湿技术检测出来的不良电池；

图9为不同化成方式循环性能对比图；

图10为不同化成方式底部情况，对比1底部由于电池偏移而螺旋。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

356290PL300FY 4.4V电池压力的计算如下：

压力的有效面积(cm

356290PL300FY型号电池的有效面积＝62*90/100cm

电池充电电流计算＝电池的标称容量*电池充电倍率；

0.1C的充电电流＝3000*0.1(mA)＝300mA

实施例1

356290PL300FY 4.4V电池高温化成工艺

(1)将电池注液抽真空后，在高温50±5℃24h的陈化后，将电池上柜到压力化成柜上；

(2)压力化成柜温度到达设定温度50℃后，压紧电池，压力化成柜层间距缩小，层板间闭合速度0.5cm/s，闭合压力0.50kg/cm

(3)发送参数化成，采用2段阶梯充电和第3段阶梯放电，并采用4段不同的压力，具体化成压力、化成参数设定见表1-1、1-2。

(4)压力化成压结束后，立即取下电池，并放到低温0℃环境下急速冷却3h；

(5)对冷却后的电池抽真空封口，抽真空后电解液保有量为1.5g/Ah；

(6)将真空封口后的电芯放到高温40±3℃、高湿70％RH的环境中陈化72h，挑选漏液、起鼓和边电压不良产品，完成化成。

表1-1实施例1化成压力参数

表1-2实施例1化成参数

实施例2

356290PL300FY 4.4V电池高温化成工艺

(1)将注液抽真空后，在高温85℃±5℃4h的陈化后，将电芯上柜到压力化成柜上；

(2)压力化成柜温度到达设定温度70℃后，压紧电池，压力化成柜层间距缩小，层板间闭合速度0.5cm/s，闭合压力0.50kg/cm

(3)发送参数化成，采用2段阶梯充电和第3段阶梯放电，并采用4段不同的压力，具体化成压力、化成参数设定见表2-1、2-2。

(4)压力化成压成结束后，立即取下电池，并放到低温0℃环境下急速冷却3h；

(5)对冷却后的电池抽真空封口，抽真空后电解液保有量为1.7g/Ah；

(6)将真空封口后的电芯放到高温40±3℃、高湿70％RH的环境中陈化72h，挑选漏液、起鼓和边电压不良产品，完成化成。

表2-1实施例2化成压力参数

表2-2实施例2化成参数

实施例3

356290PL300FY 4.4V电池高温化成工艺

(1)将注液抽真空后，在高温50℃±5℃4h的陈化后，将电芯上柜到压力化成柜上；

(2)压力化成柜温度到达设定温度70℃后，压紧电池，压力化成柜层间距缩小，层板间闭合速度0.5cm/s，闭合压力0.50kg/cm

(3)发送参数化成，采用2段阶梯充电和第3段阶梯放电，并采用4段不同的压力，具体化成压力、化成参数设定见表3-1、3-2。

(4)压力化成压成结束后，立即取下电池，并放到低温0℃环境下急速冷却3h；

(5)对冷却后的电池抽真空封口，抽真空后电解液保有量为1.7g/Ah；

(6)将真空封口后的电芯放到高温40±3℃、高湿70％RH的环境中陈化72h，挑选漏液、起鼓和边电压不良产品，完成化成。

表3-1实施例3化成压力参数

表3-2实施例3化成参数

实施例4

356290PL300FY 4.4V电池高温化成工艺

(1)将注液抽真空后，在高温50℃±5℃24h的陈化后，将电芯上柜到压力化成柜上；

(2)压力化成柜温度到达设定温度70℃后，压紧电池，压力化成柜层间距缩小，层板间闭合速度1cm/s，闭合压力0.50kg/cm

(3)发送参数化成，采用2段阶梯充电和第3段阶梯放电，并采用4段不同的压力，具体化成压力、化成参数设定见表4-1、4-2。

(4)压力化成压成结束后，立即取下电池，并放到低温0℃环境下急速冷却3h；

(5)对冷却后的电池抽真空封口，抽真空后电解液保有量为1.7g/Ah；

(6)将真空封口后的电芯放到高温40±3℃、高湿70％RH的环境中陈化72h，挑选漏液、起鼓和边电压不良产品，完成化成。

表4-1实施例4化成压力参数

表4-2实施例4化成参数

对比例1

356290PL300FY 4.4V电池普通化成工艺

(1)将注液抽真空后，在25℃24h的陈化后，将电池上柜到压力化成柜上；

(3)发送参数化成，第一次恒流充电电流为0.05C，截止电压为3.5V，时间120min；第二次恒流充电，电流为0.1C，截止电压为3.9V，时间为300min，具体化成参数如表5。

(4)对冷却后的电池抽真空封口，抽真空后电解液保有量为1.5g/Ah；

(5)将真空封口后的电芯放到高温40±3℃、高湿70％RH的环境中陈化72h，挑选漏液、起鼓和边电压不良产品，完成化成。

表5-1对比例1化成参数

对比例2

356290PL300FY 4.4V电池高温化成工艺

将实施例1中的闭合压力调整为2.00kg/cm

表6-1对比例2化成压力参数

表6-2对比例2化成参数

对比例3

356290PL300FY 4.4V电池高温化成工艺

将实施例1中的第一段压力调整为5.00kg/cm

表7-1对比例3化成压力参数

表7-2对比例3化成参数

效果例

1.电池化成效果确认

通过对比测试，结果表明，实施例1-4均明显改善了对比例1电池负极极片剥离的现象，实施例1-4与对比例1-3的结果分别见图1、2、3、4、5、6、7。

2.不良电池的检测

通过将真空封口后的电芯放到高温40±3℃、高湿70％RH的环境中陈化72h，能够快速准确地挑选出漏液、起鼓和边电压不良产品，见图8。

3.电池倍率性能测试

通过对比发现，实施例1-4化成的放电容量和倍率性能要明显的好于对比例1-4，SEI膜的成膜均匀性和稳定性更好。具体结果见表8。

表8电池倍率性能测试

4.循环性能测试

通过图9中的对比可以发现，实施例1、实施例2、实施例3和实施例4化成的循环性能要明显的好于对比例1，其中实施例2化成电池的循环性能最好。

对比例2相对于实施例1，改变了闭合压力、第二段压力、第一阶梯充电电流，对比例3相对于实施例1，改变了第1段压力、第4五段压力、第2段阶梯电流、最后阶梯电流，其循环性能均不如实施例效果好。

5.使用高温加压可以改善电极芯和铝塑膜之间产生位移，改善电池移动情况，结果见图10。

上述详细说明是针对本发明其中之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明技术方案的范围内。