一种锂离子二次电池动态化成方法与流程

本发明涉及一种锂离子化成工艺，尤其是一种锂离子二次电池动态化成方法。

背景技术：

在锂离子电池生产过程中，化成工序直接影响电池的性能。传统的化成工艺一般采用分段恒流充电，首先小电流充电一定时间后，再用较大的电流继续充电一定时间。化成过程中的充电电流至关重要，厂家需要在大电流(节约生产时间)和小电流(稳定的电池性能)之间选择最佳组合。

例如，公开号为cn101315994a的中国专利申请提到一种锂离子二次电池的化成方法，该方法包括向锂离子二次电池内注入电解液并陈化，然后对锂离子二次电池进行充电，所述充电方法包括第一次充电过程和第二次充电过程，在第一次充电过程之后再次向锂离子二次电池内注入电解液，所述在第一次充电过程之前注入的电解液和在第一次充电过程之后再次向锂离子二次电池内注入的电解液分别独立的为含有电解质锂盐和链状酸酯的混合溶液，其中，在第一次充电过程之前向锂离子二次电池内注入的电解液中还含有成膜添加剂；在第一次充电过程之后再次向锂离子二次电池内注入的电解液中还含有过充添加剂。

公开号为cn103151565a的中国专利申请提到一种锂离子二次电池的首次充电化成方法，包括以下步骤：将已注有电解液的锂离子二次电池进行陈化处理，然后在负压状态下逐步增加充电电流对电池进行分段充电化成，当电压到达3.6v时，对电池进行封口；对电池进行老化处理，然后先以0.5c～1c的倍率恒流充电至3.8～4.0v，再以0.2c～0.5c的倍率恒流充电至4.2v，最后在4.2v下恒压充电。相对于现有技术，本发明采用分段充电化成的方法先将电池充电至3.6v，可以将在形成sei膜的过程中产生的有害气体及时排出，更好的保证li+的迁移，使形成的sei膜更加均一、稳定和致密，从而提高其循环性能和大倍率放电性能，但是充电电流对电池进行分段充电化成过程中，3.6v，3.8～4.0v，4.2v的各个充电分段极点的具体数字得来依据并没有具体公开，如果锂离子二次电池的规格发生变化，各个充电分段极点的具体数字也会发生变化，在化成的具体过程中，“预化成区”，“化成区”以及“后化成区”的充电电压无法确定。

以上专利动态化成过程中的“首次充电电流(fcc)”和“二次充电电流(scc)”并没有确定，厂家需要在大电流(节约生产时间)和小电流(稳定的电池性能)之间选择最佳组合。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术所存在的缺陷，提供一种锂离子二次电池动态化成方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种锂离子二次电池动态化成方法，包括如下步骤：

确定“sei膜成膜结束电压(sfev)”；

确定动态化成过程中的“首次充电电流(fcc)”和“二次充电电流(scc)”；至少在动态化成的首次循环中应用“首次充电电流(fcc)”和“二次充电电流(scc)”。

上述的一种锂离子二次电池动态化成方法，确定“sei膜成膜结束电压(sfev)”的具体方法：sfev是通过测量电池在一个或多个化成过程中的热量曲线而获得的，具体内容为：用恒定电流将测试电池充电至目标电压，测量化成过程中产生的热量，得到热量曲线。

用不同的充电电流重复上述步骤至少一次，得到一系列的热量曲线并制成曲线表，通过一系列曲线的重叠情况，确定“预化成区”，“化成区”以及“后化成区”。

上述的一种锂离子二次电池动态化成方法，化成过程中sei膜完全形成时的电压被称为“sei膜成膜结束电压(sfev)”。

上述的一种锂离子二次电池动态化成方法，从化成过程的首次循环开始至电压达到sfev，充电电流为“首次充电电流(fcc)”，化成过程中，sfev直至达到目标电压，充电电流为“二次充电电流(scc)”。

上述的一种锂离子二次电池动态化成方法，所述sfev为3.7v,目标电压为4.2v。

上述的一种锂离子二次电池动态化成方法，锂离子的正极材料为镍钴锰(ncm)三元材料，负极材料为石墨基材料。

上述的一种锂离子二次电池动态化成方法，化成过程中的温度控制在25℃至55℃。

上述的一种锂离子二次电池动态化成方法，记录并确定sei膜成膜窗口期，该过程中的温度应与前一个sei膜成膜窗口期过程中的的温度相同。

本发明的有益效果为：该方法基于锂电池在化成过程中热量变化可以被测量，而且能够被用来确定最佳的化成流程的背景知识。化成工序的目的是使锂电池形成良好稳定的sei膜，sei膜的形成过程可以通过测量化成时的吸热或放热量来实时监控，通过对比确定“sei膜成膜结束电压(sfev)”；确定动态化成过程中的“首次充电电流(fcc)”和“二次充电电流(scc)”，在大电流(节约生产时间)和小电流(稳定的电池性能)之间选择最佳组合，保证锂离子的加工效率以及最佳性能。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为为锂电池在静态化成过程中热量随电压变化的曲线，充电电流0.1c。

图3为锂电池在静态化成过程中热量随电压变化的曲线，充电电流0.2c。

图4为锂电池在静态化成过程中热量随电压变化的曲线，充电电流0.5c。

图5为锂电池在静态化成过程中热量随电压变化的曲线，充电电流1.0c。

图6为锂电池在静态化成过程中热量随电压变化的四条曲线叠加，充电电流分别是0.1c、0.2c、0.5c、1.0c。

图7为不同倍率下电池的首效。

图8为不同倍率下电池的容量。

图9为不同倍率下电池的循环性能。

图10为一个动态化成工艺。

具体实施方式

一种锂离子二次电池动态化成方法，包括如下步骤：

确定“sei膜成膜结束电压(sfev)”；

确定动态化成过程中的“首次充电电流(fcc)”和“二次充电电流(scc)”；至少在动态化成的首次循环中应用“首次充电电流(fcc)”和“二次充电电流(scc)”。

上述的一种锂离子二次电池动态化成方法，确定“sei膜成膜结束电压(sfev)”的具体方法：sfev是通过测量电池在一个或多个化成过程中的热量曲线而获得的，具体内容为：用恒定电流将测试电池充电至目标电压，测量化成过程中产生的热量，得到热量曲线；

用不同的充电电流重复上述步骤至少一次，得到一系列的热量曲线并制成曲线表，通过一系列曲线的重叠情况，确定“预化成区”，“化成区”以及“后化成区”。

化成过程中sei膜完全形成时的电压被称为“sei膜成膜结束电压(sfev)”，从化成过程的首次循环开始至电压达到sfev，充电电流为“首次充电电流(fcc)”，化成过程中，sfev直至达到目标电压，充电电流为“二次充电电流(scc)”。

在本发明中，sfev为3.7v,目标电压为4.2v，锂离子的正极材料为镍钴锰(ncm)三元材料，负极材料为石墨基材料，化成过程中的温度控制在25℃至55℃。

下面结合具体的附图分析如下：

图2至图5表明化成的首次循环中产生了一定数量的不可逆热量，主要来自电池负极材料与电解液反应所产生的热量。图6中四条曲线的重叠情况表明，0-2.0v可看作“预化成区”，2.0v-3.7v为“化成区”，3.7v-4.2v为“后化成区”；在化成区内，小电流有利于稳定的sei膜形成；而在后化成区，大电流是可以接受的。

表1为在2.0-3.7v的电压窗口内，不同化成充电电流下电池的功率和能量；

表1

表1的结果显示：0.1c的化成速率下，电池的能量最高。

一旦确定了化成中的“慢充区”和“快充区”，下一步就是确定各个步骤的具体参数。图7至图9分别显示的是不同倍率下电池的首效、容量和循环性能。在确定“化成区”的充电电流和最佳化成温度(一般在25-55℃)时，以上的测试都可以用来衡量电池的性能。

图10展示的是一个动态化成工艺的具体实例：在首个循环中，在电压达到3.7v前0.2c充电，3.7v至4.2v区间内0.5c充电，静置两小时，0.2c放电至3.0v，静置两小时，0.2c充至4.2v，静置两小时，0.2c放电至3.0v。

下面结合附图1对本发明作进一步的说明：

步骤11-14包括运用热量测量仪器来获取锂电池的热量变化曲线。

步骤15包括确定sei膜成膜窗口期，sei膜完全形成时的电压被称为“sei膜成膜结束电压(sfev)”。

步骤16和17包括确定动态化成过程中的充电电流。如上述实例中，用小电流，如0.2c，充电至sei膜完全形成；随后用大电流，如0.5c，充电至目标电压；特定情况下，在电压达到2.0v之前也可用大电流进行充电。

步骤18是将上述步骤中所确定的所有参数应用到实际的化成工序中。值得注意的是，对于不同正负极材料体系、不同结构类型的电池而言，各个参数不尽相同，需要实际测量确定。

该方法基于锂电池在化成过程中热量变化可以被测量，而且能够被用来确定最佳的化成流程的背景知识。化成工序的目的是使锂电池形成良好稳定的sei膜，sei膜的形成过程可以通过测量化成时的吸热或放热量来实时监控，通过对比确定“sei膜成膜结束电压(sfev)”；确定动态化成过程中的“首次充电电流(fcc)”和“二次充电电流(scc)”，在大电流(节约生产时间)和小电流(稳定的电池性能)之间选择最佳组合，保证锂离子的加工效率以及最佳性能。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。