一种锂离子电池的电化学均匀预锂方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池的电化学均匀预锂方法。

背景技术

锂离子电池在首次充放电过程中，由于结构的变化或表面SEI膜的形成，会消耗部分活性锂，导致电池容量的下降。负极容量的损失可以通过预嵌锂的方式改善。目前普遍采用的预嵌锂的方法有锂箔补锂、金属锂粉末涂覆、电解锂盐水溶液等。锂箔补锂的量控制难度大，金属锂粉使用环境要求高，电解锂盐溶液补锂步骤繁杂。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种锂离子电池的电化学均匀预锂方法，该方法嵌锂均匀，简单易操作。

本发明提出的一种锂离子电池的电化学均匀预锂方法，包括以下步骤：

S1、在铜锂复合层的一侧按照叠片的方式由里到外交替叠加正极片和负极片，形成上电芯单元，在铜锂复合层的另一侧按照叠片的方式由里到外交替叠加负极片和正极片，形成下电芯单元；其中，上电芯单元和下电芯单元中的正极片或负极片的数目相等，正极片和负极片之间、上电芯单元和铜锂复合层之间、下电芯单元和铜锂复合层之间均设有隔膜；所述铜锂复合层包括铜箔及涂覆在铜箔上、下表面的金属锂层；

S2、按照上电芯单元、铜锂复合层和下电芯单元的组装顺序制备叠片式电池，向电池内部注入电解液，将铜锂复合层和负极片分别与充放电测试柜相连进行预锂化处理；

S3、预锂化结束后，将铜锂复合层与上电芯单元或下电芯单元之间的隔膜取出，最后将电池密封，即完成电池的预锂化。

在本发明S1中，金属锂层的面积等于或者略大于负极片上负极材料的面积。

在本发明S1中，铜锂复合层的铜箔上设有一个极耳，其位于与正、负极极耳侧相垂直的那面上。

优选地，所述正极片包括正极集流体和正极活性材料，所述正极集流体为穿孔铝箔或穿孔聚合物金属铝层状复合箔材，优选厚度为8～15μm；优选地，正极活性材料包括钴酸锂、磷酸铁锂、三元正极材料中的一种。

优选地，所述负极片包括负极集流体和负极活性材料，所述负极集流体为穿孔铜箔或者穿孔聚合物金属铜层状复合箔材，优选厚度为6～12μm；优选地，负极活性材料包括石墨、硅碳复合材料、氧化亚硅、纳米晶硅中的一种。

优选地，S2中，将负极片连接充放电测试柜的正极，铜锂复合层连接充放电测试柜的负极进行预锂化处理，截止电压为0.01～2.5V，放电电流为0.02～0.5C；优选地，预锂化处理的温度为25～50℃。

优选地，所述预锂化处理包括恒流放电和静置步骤；其中，恒流放电时间t＝C×a/I，其中，C为负极的容量，a为预嵌锂的容量占负极容量的百分比，I为放电电流；优选地，静置时间为8～48h。

优选地，预锂化处理中，预嵌锂的质量m＝(M×C×a×3600)/F，其中，M为锂的摩尔质量，F为法拉第常数，C为负极的容量，a为预嵌锂的容量占负极容量的百分比。

在本发明中，金属锂的量等于或略多于预嵌锂的量。

优选地，双侧金属锂层的总厚度>m/(ρA)，ρ为金属锂的密度，A为金属锂层表面积。

优选地，铜锂复合层中，铜箔的厚度为4～15μm。

有益效果：本发明提出的预锂方法，可以有效地提升电池的容量和首效，简单易操作，对环境要求较低，引入的穿孔集流体，在不影响电池性能地前提下，提升了预锂地均匀性。

附图说明

图1为本发明电池的内部截面图；

图2为本发明电池的外观图。

具体实施方式

本发明采用的电池，其正极活性材料包括钴酸锂、磷酸铁锂、三元正极材料中的一种，集流体为穿孔铝箔或穿孔聚合物金属铝层状复合箔材，厚度为8～15μm；负极活性材料包括石墨、硅碳复合材料、氧化亚硅、纳米晶硅中的一种，集流体为穿孔铜箔或者穿孔聚合物金属铜层状复合材料，厚度为6～12μm。

本发明中的铜锂复合层，其结构为：金属锂位于铜箔的两侧，形成金属锂/铜箔/金属锂层状结构，铜箔一侧设有一个极耳。金属锂的厚度根据负极活性物质含量与负极预嵌锂容量确定，金属锂的量等于或略多于余预嵌锂的量。铜箔的厚度在4～15μm之间。锂层的面积与负极相同或略高于负极材料的面积。

预锂量的计算方法如下：m＝(M×C×a×3600)/F，m为预嵌锂的质量，单位为g，M为锂的摩尔质量，F为法拉第常数，C为负极的容量，a为预嵌锂的容量占负极容量的百分比，一般取值为5～50％。金属锂层的厚度略高于m/(ρA)，ρ为金属锂的密度，A为锂层表面积。

如图1所示，本发明在电池的中心位置，插入铜锂复合层，在铜锂复合层的一侧，依次以叠片的方式交替叠加正极片、负极片，在铜锂复合层的另一侧，依次以叠片的方式叠加负极片、正极片。负极片与正极片之间，以及极片与金属锂之间，以隔膜隔开。

如图2所示，电池装入铝塑膜，其中正负极极耳的位置在电池的同侧或对侧，铜锂复合层极耳位置在与正负极耳垂直的一侧，铜锂复合层极耳一侧的铝塑膜不封口，其它三边热封后，注入电解液。对电池进行预嵌锂，在预锂化过程中，将铜锂复合层极耳与负极耳分别与充放电测试柜的相连，使金属锂向负极活性材料放电，放电电流为0.02C～0.5C，电池预锂化时间t＝c×a/I，I为放电电流，t的单位为h，整个过程的温度25～50℃。

预锂结束后，将铜锂复合层与其中一侧的隔膜取出，保留另一侧的隔膜，然后将电池密封，静置8～48h。

实施例1

本实施例提供了一种锂离子电池预嵌锂方法，具体操作过程如下：

本实施例采用的电池，其正极活性材料为磷酸铁锂，集流体为穿孔铝箔，厚度为12μm，负极活性材料为硅碳复合材料，集流体为穿孔铜箔，厚度为8μm。电池尺寸为10014010(mm)，设计容量为10Ah。

本实施例中的铜锂复合层铜箔的厚度为10μm。锂层的面积与负极相同。电池的预嵌锂量为8％，单侧的锂层厚度为18μm。

本实施例在电池的中心位置，插入铜锂复合层，在铜锂复合层的一侧，依次以叠片的方式交替叠加正极片、负极极片各8片，在铜锂复合层的另一侧，依次以叠片的方式叠加负极片、正极片，其中负极片8片，正极片7片。负极片与正极片之间，以及极片与金属锂之间，以隔膜隔开。

电池装入铝塑膜，其中正负极极耳的位置在电池的同侧或对侧，铜锂复合层的极耳位置在与正负极耳垂直的一侧，铜锂复合层极耳一侧的铝塑膜不封口，其它三边热封后，注入电解液。对电池进行预嵌锂，在预锂化过程中，将铜锂复合层的铜箔上的极耳与负极耳分别与充放电测试柜的相连，使金属锂向硅碳复合材料放电，放电电流为0.05A，电池预锂化时间16h，整个过程的温度45℃。

预锂结束后，将铜锂复合层与其中一侧的隔膜取出，保留另一侧的隔膜，然后将电池密封，45℃静置48h。

实施例2

本实施例提供了一种锂离子电池预嵌锂方法，具体操作过程如下：

本实施例采用的电池，其正极活性材料为三元NCM811，集流体为穿孔铝箔，厚度为12μm，负极活性材料为硅碳复合材料，集流体为穿孔铜箔，厚度为8μm。电池尺寸为10014010(mm)，设计容量为10Ah。

本实施例中的铜锂复合层铜箔的厚度为10μm。锂层的面积与负极相同。电池的预嵌锂量为10％，单侧的锂层厚度为23μm。

本实施例在电池的中心位置，插入铜锂复合层，在铜锂复合层的一侧，依次以叠片的方式交替叠加正极片、负极极片各8片，在铜锂复合层的另一侧，依次以叠片的方式叠加负极片、正极片，其中负极片8片，正极片7片。负极片与正极片之间，以及极片与金属锂之间，以隔膜隔开。

电池装入铝塑膜，其中正负极极耳的位置在电池的同侧或对侧，铜锂复合层的极耳位置在与正负极耳垂直的一侧，铜锂复合层极耳一侧的铝塑膜不封口，其它三边热封后，注入电解液。对电池进行预嵌锂，在预锂化过程中，将铜锂复合层的铜箔上的极耳与负极耳分别与充放电测试柜的相连，使金属锂向硅碳复合材料放电，放电电流为0.05A，电池预锂化时间20h，整个过程的温度45℃。

预锂结束后，将铜锂复合层与其中一侧的隔膜取出，保留另一侧的隔膜，然后将电池密封，45℃静置48h。

实施例3

本实施例提供了一种锂离子电池预嵌锂方法，具体操作过程如下：

本实施例采用的电池，其正极活性材料为磷酸铁锂，集流体为穿孔铝箔，厚度为12μm，负极活性材料为石墨，集流体为穿孔铜箔，厚度为8μm。电池尺寸为10014010(mm)，设计容量为10Ah。

本实施例中的铜锂复合层铜箔的厚度为10μm。锂层的面积与负极相同。电池的预嵌锂量为5％，单侧的锂层厚度为12μm。

本实施例在电池的中心位置，插入铜锂复合层，在铜锂复合层的一侧，依次以叠片的方式交替叠加正极片、负极极片各8片，在铜锂复合层的另一侧，依次以叠片的方式叠加负极片、正极片，其中负极片8片，正极片7片。负极片与正极片之间，以及极片与金属锂之间，以隔膜隔开。

电池装入铝塑膜，其中正负极极耳的位置在电池的同侧或对侧，铜锂复合层的极耳位置在与正负极耳垂直的一侧，铜锂复合层极耳一侧的铝塑膜不封口，其它三边热封后，注入电解液。对电池进行预嵌锂，在预锂化过程中，将铜锂复合层的铜箔上的极耳与负极耳分别与充放电测试柜的相连，使金属锂向石墨放电，放电电流为0.05A，电池预锂化时间10h，整个过程的温度45℃。

预锂结束后，将铜锂复合层与其中一侧的隔膜取出，保留另一侧的隔膜，然后将电池密封，45℃静置48h。

分别将实施例1-3中同批次生产的电池分为2组，一组不经预锂化处理，记作参比电池，另一组电池则经预锂化处理，记作预锂电池，将两组电池进行化成分容，其首效如表1所示。

表1实施例1-3中预锂后的电池的首效数据

从表1中可以看出，相比参比电池，预锂后的电池，其首效有明显的提升。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。