一种用于动态负极电化学预锂化方法及装置

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种用于动态负极电化学预锂化方法及装置。

背景技术

预锂化技术是减小负极材料不可逆容量损失、提高库仑效率的一个有效方法，目前研究预锂化技术主要包括锂粉预锂化、压延锂箔预锂化、真空蒸镀预锂化、电化学预锂化。锂粉预锂化尽管使用较为方便，但是由于锂粉颗粒易产生扬尘，安全性不足。锂压延锂箔预锂化虽然能够对负极极片进行补锂，但其预锂化的程度很难控制，不能充分的锂化，不能充分提高首次库伦效率；而补锂过度，可能在负极表面产生析锂。真空蒸镀预锂化的优点是可以得到均匀且薄的锂层，缺点是所需条件非常苛刻，生产成本较高，限制该技术的发展。电化学预锂化优点是锂化程度可控、均匀，且成本较低，是一种非常有实现工业化前景的预锂化技术。

目前对于硅基负极预锂化技术的研究取得了一些成果，未来研发的重点是进一步减低预锂化成本；提高预锂化的安全性能、减少预锂化对环境的污染；进一步开发简单稳定并规模化生产的预锂化技术；此外，需要进一步改善锂电池的电化学性能，即在保证稳定循环性能和良好首次库伦效率的条件下，同时提高其能量密度和体积密度。但是目前电化学预锂化方法较为复杂、效率慢、时间长，而且额外的增加预锂化成本，很难实现产业化。

发明内容

基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种用于动态负极电化学预锂化方法及装置。

本发明提出的一种用于动态负极电化学预锂化方法及装置，首先对组装好的待预锂的电芯施加预定压力P并将电芯加热至预定温度T；再驱动电芯转动并调节电芯转速为H，同时带动电芯振动并控制电芯振动频率为h；然后将电芯正负极连接到电压监测设备，监测电芯电压变化，待电芯电压达到预定值时，停止对电芯加压、加热并停止电芯的转动、振动。

在本发明的一较佳实施例中，预定压力P控制在5-100N。

在本发明的一较佳实施例中，预定温度T控制在25℃-55℃。

在本发明的一较佳实施例中，电芯转动的转速H控制在1-200rad/min，电芯正转或反转且电芯转动角度控制在-360°-360°。

在本发明的一较佳实施例中，电芯振动频率h控制在0.01Hz-0.1Hz。

本发明还提出一种用于动态负极电化学预锂化装置，包括：

工作台；

加压加热件，包括加热压板、加热固定板，加热压板、加热固定板上下平行布置，加热压板与加热固定板之间形成用于放置电芯的加压加热区域且加热压板、加热固定板内均设置有可对电芯进行加热的加热元件，加热压板、加热固定板之间的距离可调节；

转动件，用于带动加压加热区域内的电芯转动；

振动件，用于带动加压加热区域内的电芯振动。

在本发明的一较佳实施例中，加热压板和/或加热固定板靠近电芯一侧设置有压力传感器、温度传感器。

在本发明的一较佳实施例中，加热压板、加热固定板之间设置有多个弹簧，弹簧上下两端分别与加热压板、加热固定板连接，加热压板上螺纹连接有多个调节螺栓且多个调节螺栓均与加热固定板螺纹连接，加热固定板一侧设置有竖直布置的导向板，加热压板一侧设置有导向块，导向板顶端贯穿导向块并与导向块滑动配合。

在本发明的一较佳实施例中，转动件包括转动电机，工作台上转动安装有竖直布置的转轴且转轴与转动电机的输出端传动连接，加热固定板与转轴固定连接。

在本发明的一较佳实施例中，振动件采用振动电机，振动电机安装在工作台上。

本发明提出的一种用于动态负极电化学预锂化方法，大大简化预锂化电芯的制作工艺，整个流程安全、环保，预锂化成本低，可操作性强，降低生产成本，有效的提高电池的能量密度以及首次充放电效率，解决了当前电化学预锂过程中预锂速率慢，且预锂后极片上离子分布不均匀问题；

本发明提出的一种用于动态负极电化学预锂化装置，转动件和振动件实现加速锂离子在扩散过程需要的动力学能量，加压加热件实现加速锂离子扩散过程所需热力学能量，从而提高锂离子电池预锂化效果；另外，本发明预锂化装置可兼容现有产线工艺，大大降低了设备的开发成本。

附图说明

图1为本发明提出的一种用于动态负极电化学预锂化装置结构图；

图2为实施例1、实施例2、实施例3以及对比例预锂过程中的电压随时间变化图；

图3为实施例1、实施例2、实施例3以及对比例预锂后电池的循环性能图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

参照图1，本发明提出一种用于动态负极电化学预锂化装置，包括：

工作台1；

加压加热件，包括加热压板2、加热固定板3，加热压板2、加热固定板3上下平行布置，加热压板2与加热固定板3之间形成用于放置电芯的加压加热区域且加热压板2、加热固定板3内均设置有可对电芯进行加热的加热元件，加热元件为现有技术，可为加热管等，加热压板2和/或加热固定板3靠近电芯一侧设置有压力传感器、温度传感器，加热压板2、加热固定板3之间的距离可调节；

转动件，用于带动加压加热区域内的电芯转动；转动件包括转动电机，工作台1上转动安装有竖直布置的转轴且转轴与转动电机的输出端传动连接，加热固定板3与转轴固定连接；

振动件，用于带动加压加热区域内的电芯振动；振动件采用振动电机7，振动电机7安装在工作台1上。

具体地，加热压板2、加热固定板3之间设置有多个弹簧4，弹簧4上下两端分别与加热压板2、加热固定板3连接，加热压板2上螺纹连接有多个调节螺栓且多个调节螺栓均与加热固定板3螺纹连接，加热固定板3一侧设置有竖直布置的导向板5，加热压板2一侧设置有导向块6，导向板5顶端贯穿导向块6并与导向块6滑动配合。

本发明还提出一种用于动态负极电化学预锂化方法，首先将组装好的待预锂的电芯a放置在加热压板2、加热固定板3之间的加压加热区域，调节加热压板2与加热固定板3之间距离并通过调节螺栓将加热压板2位置固定住，以将电芯a受到的压力调节至预定压力P；

通过控制加热元件将电芯a加热至预定温度T；启动转动电机，再驱动电芯a转动并将电芯转速调节至H，待转速稳定后，启动振动电机7带动工作台振动，从而带动电芯a振动，振动频率调节至h；

待整个设备参数达到相应要求时，然后通过鳄鱼夹将电芯a正负极连接到电压监测设备，监测电芯a电压变化，待电芯a电压达到预定值时，关闭加热元件、转动电机、振动电机7，转动调节螺栓取走加热压板2，从而取出电芯a。

实施例1

一种用于动态负极电化学预锂化方法，包括以下步骤：

首先将组装好的待预锂的电芯a放置在加热压板2、加热固定板3之间的加压加热区域，调节加热压板2与加热固定板3之间距离并通过调节螺栓将加热压板2位置固定住，以将电芯a受到的压力调节至预定压力100N；

通过控制加热元件将电芯a加热至预定温度40℃；待温度达到40℃时，启动转动电机，再驱动电芯a转动并将电芯转速调节至100rad/min，待转速稳定后，启动振动电机7带动工作台振动，从而带动电芯a振动，振动频率控制在0.05He；

待整个设备参数达到相应要求时，然后通过鳄鱼夹将电芯a正负极连接到电压监测设备，监测电芯a电压变化，待电芯a电压达到3.0V时，关闭加热元件、转动电机、振动电机7，转动调节螺栓取走加热压板2，从而取出电芯a,进行化成、分容工序。

实施例2

一种用于动态负极电化学预锂化方法及装置，包括以下步骤：

首先将组装好的待预锂的电芯a放置在加热压板2、加热固定板3之间的加压加热区域，调节加热压板2与加热固定板3之间距离并通过调节螺栓将加热压板2位置固定住，以将电芯a受到的压力调节至预定压力500N；

通过控制加热元件将电芯a加热至预定温度30℃；待温度达到30℃时，启动转动电机，再驱动电芯a转动并将电芯转速调节至50rad/min，待转速稳定后，启动振动电机7带动工作台振动，从而带动电芯a振动，振动频率控制在0.1He；

待整个设备参数达到相应要求时，然后通过鳄鱼夹将电芯a正负极连接到电压监测设备，监测电芯a电压变化，待电芯a电压达到3.0V时，关闭加热元件、转动电机、振动电机7，转动调节螺栓取走加热压板2，从而取出电芯a,进行化成、分容工序。

实施例3

一种用于动态负极电化学预锂化方法及装置，包括以下步骤：

首先将组装好的待预锂的电芯a放置在加热压板2、加热固定板3之间的加压加热区域，调节加热压板2与加热固定板3之间距离并通过调节螺栓将加热压板2位置固定住，以将电芯a受到的压力调节至预定压力1000N；

通过控制加热元件将电芯a加热至预定温度55℃；待温度达到55℃时，启动转动电机，再驱动电芯a转动并将电芯转速调节至10rad/min，待转速稳定后，启动振动电机7带动工作台振动，从而带动电芯a振动，振动频率控制在0.01He；

待整个设备参数达到相应要求时，然后通过鳄鱼夹将电芯a正负极连接到电压监测设备，监测电芯a电压变化，待电芯a电压达到3.0V时，关闭加热元件、转动电机、振动电机7，转动调节螺栓取走加热压板2，从而取出电芯a,进行化成、分容工序。

对比例

首先将组装好的待预锂的电芯a放置在加热压板2、加热固定板3之间的加压加热区域，调节加热压板2与加热固定板3之间距离并通过调节螺栓将加热压板2位置固定住，以将电芯a受到的压力调节至预定压力0；

在室温下，通过鳄鱼夹将电芯a正负极连接到电压监测设备，监测电芯a电压变化，待电芯a电压达到3.0V时，转动调节螺栓取走加热压板2，从而取出电芯a,进行化成、分容工序。

分别对实施例1-3和对比例预锂后的电芯进行压电采集统计(时间和电压)，并对其电芯进行电性能测试，结果如图2、图3所示。

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。