一种负压化成方法以及电池与流程

本发明属于储能技术领域，涉及一种化成方法以及电池，尤其涉及一种负压化成方法以及电池。

背景技术：

受益国家对新能源汽车的鼓励政策以及新能源汽车产销规模扩大，动力电池市场保持持续增长。满足新能源汽车用动力电池的高比能量、快速充电、长寿命等需求，使电动汽车达到燃油车接近的使用条件，是动力电池制造行业追求的目标。在动力电池生产制造过程中，化成无疑是关键一步。锂离子电池的化成是为了在首次充放电过程中，电极材料与电解液在固液界面上发生电化学反应，形成一层覆盖于电极材料表面的固体电解质界面膜(sei膜)。化成对锂离子电池的首效、放电容量、倍率性能、循环性能和自放电性能等有重要影响。

目前化成工艺主要有以下几种：

1、按照注液口开放还是闭合状态分为开口化成和闭口化成：

(1)开口化成：化成过程中，电芯的注液口处于常压开放状态，化成产生的气体可以直接从注液口排出，从一定方面保证了界面的一致性，设备较简单，成本较低，但是产生的气体会对车间环境产生污染，化成失液量较大，静置时间较长，对环境相对湿度要求高。

(2)闭口化成：用化成嘴堵住注液口，化成过程中电芯注液嘴处于密封状态，从化成嘴处给电芯抽一定真空值，使化成产气能够及时排出。闭口化成对环境湿度要求低，但是抽气工艺较复杂，化成过程中也会产生失液量，电芯壳体存在塑性变形风险。

2、按照化成的温度分为高温化成和低温化成：

(1)高温化成：化成过程中，电芯处于高温(大于40℃)环境中。一般地，化成温度越高电解液粘度越低、电解液电导率越高、电极材料离子扩散速度越快，因此极化越小，化成效果越好。高温化成可以加快电化学反应的速度和sei膜的生长速度，提高了sei膜的一致性。但是温度过高时，会破坏已经形成的sei膜的结构，使形成的sei膜较疏松不稳定，改变其组份；同时过高的温度会让电解液中的低沸点成份挥发速度加快，影响化成效果。

(2)低温化成：化成过程中，电芯处于常温(小于30℃)环境中。低温下化成是以溶剂还原为主，锂盐的还原速度变慢，sei膜的形成速度慢，因此溶剂产物的沉积更为有序致密，形成的sei膜较致密且稳定，但是低温化成离子电导率不好，且化成时间一般较长。

3、按照化成的电流大小分为大电流化成和小电流化成：

(1)大电流化成：用较大电流(大于0.3c)进行化成。大电流化成可以加快电化学反应的速度和sei膜的生长速度，相应更容易生成无机锂盐组份，但是形成的sei膜分子更容易杂乱堆积，结构较疏松，相应厚度更大，不可逆反应更多，形成的sei膜一致性不好且不稳定。

(2)小电流化成：用较小电流(小于0.1c)进行化成。小电流化成时，更容易生成有机锂盐组份，化成形成的sei膜较致密，不可逆反应更少，但是化成所需要的时间一般较长。

现有的工艺中，cn108172919a公开了一种三元锂离子电池化成工艺与三元锂离子电池及其制备方法。该三元锂离子电池化成工艺，在0.01～0.1c充电电流范围内，以阶梯分段充电方式对三元锂离子电池进行充电，以完成对三元锂离子电池的化成处理。

cn109950636a公开了一种高镍三元锂离子电池化成工艺。该方案依次包括如下步骤：(1)对烘烤后的电芯进行真空注液；(2)预封；(3)高温静置；(4)一次常温化成；(5)真空抽气；(6)二次常温化成；(7)高温老化；(8)冷却降温；(9)终封。

但是上述两个现有方案均有待进一步提高化成后的电池性能并减少化成时间。因此继续深入对化成工艺进行改进优化很有必要。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种负压化成方法以及电池。本发明提供的负压化成方法可以缩短化成时间，减少化成过程中的失液量，提高sei膜的一致性和稳定性，提高电池循环性能，满足新能源汽车用动力电池的高比能量、快速充电、长寿命等需求，特别适用于锂离子电池的化成。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种负压化成方法，所述方法包括以下步骤：

对半成品电芯进行抽真空、充电和静置，得到化成后的电芯；所述抽真空和充电分多步进行，各步间真空度逐渐降低且充电电流逐渐增大。

本发明提供的负压化成方法中，先用小电流化成，逐步采用大电流阶梯式化成工艺，小电流让形成的sei膜分子致密且稳定，大电流可以加速sei膜的形成速度，减少化成时间。

本发明提供的负压化成方法中，先用高真空再用低真空，在化成开始阶段产气速度快，用高真空可以及时排出产出的气体，避免因为产气不能及时抽出导致的电池厚度超厚以及黑斑现象；在化成快结束时候采用低真空抽气，可以有效减少化成的失液量，避免电解液的浪费。

本发明提供的负压化成方法中，所述半成品电芯是指已经进行完组装和注液，但是未进行化成的电芯。

本发明中，所述抽真空和充电可以分多步梯度进行。

以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

作为本发明优选的技术方案，所述多步中，每一步均包括抽真空和充电，每个在后的一步均比在其之前的一步的真空度低且充电电流大。

这样可以保证负压大小和充电电流均呈现阶梯式的变化。采用阶梯式化成工艺的电池充放电效率提高，内阻降低，并且具有较好的循环性能。

优选地，所述多步中，在后的一步抽真空的真空度比在其之前的一步梯度下降，充电电流比在其之前的一步梯度上升。

即，在高温环境下，对半成品电芯先用小电流高真空化成，逐步采用大电流低真空化成，得到化成后的电芯，所述抽真空和充电分多步梯度进行，这是本发明中效果比较优良的方案。

作为本发明优选的技术方案，所述化成的温度在40℃以上，例如40℃、50℃、60℃、70℃、80℃或90℃等。40℃以上为高温化成，可以加快电化学反应的速度和sei膜的生长速度，减少化成所需时间。

优选地，所述化成温度为40～90℃。

优选地，所述半成品电芯包括半成品磷酸铁锂电芯、半成品镍钴锰三元电芯或半成品镍钴铝三元电芯中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述半成品电芯为方形电池电芯。

优选地，所述负压化成的方法中，抽真空的真空度为-10～-100kpa，例如-10kpa、-20kpa、-50kpa、-75kpa或-100kpa等。

优选地，所述负压化成的方法中，充电的电流为0.03～0.55c，例如0.03c、0.05c、0.08c、0.1c、0.2c、0.3c、0.4c、0.5c或0.55c等。

作为本发明优选的技术方案，所述多步为3～5步，优选为4步。分4步调真空度和充电电流的优势在于：步数太少的话，所需真空度不好调节，就有可能造成化成失液量大；步数太多的话，所需化成时间长，化成的效率就低。

优选地，所述多步中，每步均为恒真空度操作，在各步之间进行静置并调节真空度。

优选地，所述多步中，最后一步中的所述充电为恒流恒压充电，其他步中的所述充电均为恒流充电。

作为本发明优选的技术方案，所述负压化成方法包括：

(1)在40℃以上的化成温度下，对半成品电芯抽真空到第一真空度，在恒定的所述第一真空度下，用第一电流恒流充电至第一电压；

(2)静置并降低真空度至第二真空度，在恒定的所述第二真空度下，用第二电流恒流充电至第二电压；

(3)静置并降低真空度至第三真空度，在恒定的所述第三真空度下，用第三电流恒流充电至第三电压；

(4)静置并降低真空度至第四真空度，在恒定的所述第四真空度下，用第四电流恒流充电至第四电压，之后改为用所述第四电压恒压充电至电流达到截止电流，停止充电，得到化成后的电芯；

其中，所述第一电流、第二电流、第三电流和第四电流的电流大小依次增大。

上述优选的技术方案是一种阶梯式负压化成方法，在高温环境下，先用小电流高真空化成，逐步采用大电流低真空化成，化成分多步进行，可以实现缩短锂离子电池化成时间，减少化成过程中的失液量，提高sei膜的一致性和稳定性，提高电池循环性能，满足新能源汽车用动力电池的高比能量、快速充电、长寿命等需求。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述第一真空度为-80～-100kpa，例如-80kpa、-85kpa、-90kpa、-95kpa或-100kpa等。

优选地，步骤(1)所述第一电流为0.03～0.07c，例如0.03c、0.04c、0.05c、0.06c或0.07c等。

优选地，步骤(1)所述第一电压为2.8～3.2v，例如2.8v、2.9v、3.0v、3.1v或3.2v等。

优选地，步骤(1)还包括：在对所述半成品电芯抽真空之前，先静置1～30min，例如1min、5min、10min、15min、20min、25min或30min等。

作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述第二真空度为-60～-80kpa，例如-60kpa、-65kpa、-70kpa、-75kpa或-80kpa等。

优选地，步骤(2)所述第二电流为0.05～0.3c，例如0.05c、0.08c、0.1c、0.15c、0.2c、0.25c或0.3c等。

优选地，步骤(2)所述第二电压为3.0～3.7v，例如3.0v、3.1v、3.2v、3.3v、3.4v、3.5v、3.6v或3.7v等。

优选地，步骤(2)所述静置的时间为1～30min，例如1min、5min、10min、15min、20min、25min或30min等。

作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述第三真空度为-40～-60kpa，例如-40kpa、-45kpa、-50kpa、-55kpa或-60kpa等。

优选地，步骤(3)所述第三电流为0.2～0.5c，例如0.25c、0.30c、0.35c、0.40c或0.50c等。

优选地，步骤(3)所述第三电压为3.5～4.0v，例如3.5v、3.6v、3.7v、3.8v、3.9v或4.0v等。

优选地，步骤(3)所述静置的时间为1～30min，例如1min、5min、10min、15min、20min、25min或30min等。

作为本发明优选的技术方案，步骤(4)所述第四真空度为-10～-40kpa，例如-10kpa、-20kpa、-30kpa或-40kpa等。

优选地，步骤(4)所述第四电流为0.3～1.0c，例如0.35c、0.45c、0.50c、0.6c、0.7c、0.8c或1.0c等。

优选地，步骤(4)所述第四电压为3.7～4.3v，例如3.7v、3.9v、4.0v、4.2v或4.3v等。

优选地，步骤(4)所述截止电流为0.04～0.06c，例如0.04c、0.045c、0.05c、0.055c或0.06c等。

优选地，步骤(4)所述静置的时间为1～30min，例如1min、5min、10min、15min、20min、25min或30min等。

优选地，步骤(4)还包括：停止充电后静置1～30min，例如1min、5min、10min、15min、20min、25min或30min等。

作为本发明所述负压化成方法的进一步优选技术方案，所述方法包括以下步骤：

(1)在40～90℃的化成温度下，将半成品电芯静置1～30min，对所述半成品电芯抽真空至真空度为-80～-100kpa，保持该真空度恒定，用0.03～0.07c的电流恒流充电至2.8～3.2v；

(2)静置1～30min并降低真空度至真空度为-60～-80kpa，保持该真空度恒定，用0.05～0.3c的电流恒流充电至3.0～3.7v；

(3)静置1～30min并降低真空度至真空度为-40～-60kpa，保持该真空度恒定，用的0.20～0.50c电流恒流充电至3.5～4.0v；

(4)静置1～30min并降低真空度至真空度为-10～-40kpa，保持该真空度恒定，用0.30～1.0c的电流恒流充电至3.7～4.3v，之后改为用该电压恒压充电至电流达到截止电流0.04～0.06c，停止充电，静置1～30min，得到化成后的电芯。

第二方面，本发明提供一种电池，所述电池使用如第一方面所述的方法进行负压化成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的负压化成方法采用高温化成，可以加快电化学反应的速度和sei膜的生长速度，减少化成所需时间。先用小电流化成，逐步采用大电流阶梯式化成工艺，小电流让形成的sei膜分子致密且稳定，大电流可以加速sei膜的形成速度，减少化成时间，采用阶梯式化成工艺的电池充放电效率提高，内阻降低，并且具有较好的循环性能。先用高真空再用低真空分段抽气方式，在化成开始阶段产气速度快，用高真空可以及时排出产出的气体，避免因为产气不能及时抽出导致的电池厚度超厚以及黑斑现象；在化成快结束时候采用低真空抽气，可以有效减少化成的失液量，避免电解液的浪费。本发明提供的负压化成方法可以为梯度负压化成。本发明提供的负压化成方法的失液率可以低至0.11％，200次循环的容量保持率可以达到98.89％。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的负压化成方法的流程示意图。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。

以下为本发明典型但非限制性实施例：

实施例1

本实施例按照如下方法进行负压化成：

(1)在45℃的化成温度下，将半成品电芯静置15min，对所述半成品电芯抽真空至真空度为-90kpa，保持该真空度恒定，用0.05c的电流恒流充电至3v；

(2)静置15min并降低真空度至真空度为-70kpa，保持该真空度恒定，用0.1c的电流恒流充电至3.4v；

(3)静置15min并降低真空度至真空度为-50kpa，保持该真空度恒定，用的0.3c电流恒流充电至3.8v；

(4)静置15min并降低真空度至真空度为-25kpa，保持该真空度恒定，用0.5c的电流恒流充电至4v，之后改为用4v恒压充电至电流达到截止电流0.05c，停止充电，静置15min，得到化成后的电芯。

所述半成品电芯为方形三元镍钴锰酸锂622半成品电芯，其正极涂层由质量比wt％/wt％＝98:1:1的镍钴锰酸锂、导电剂cnt和粘结剂pvdf组成，负极涂层由质量比wt％/wt％＝96:1.5:1.0:1.5的石墨、导电剂cnt、胶液和粘结剂sbr组成，隔膜为celgard2400隔膜，电解液为1mol/l的lipf6/ec+dmc+emc(v/v＝1:1:1)电解液。

本实施例提供的负压化成方法的流程示意图如图1所示。

本实施例的测试结果见表1。

实施例2

本实施例按照如下方法进行负压化成：

(1)在90℃的化成温度下，将半成品电芯静置1min，对所述半成品电芯抽真空至真空度为-80kpa，保持该真空度恒定，用0.03c的电流恒流充电至2.8v；

(2)静置1min并降低真空度至真空度为-60kpa，保持该真空度恒定，用0.1c的电流恒流充电至3.0v；

(3)静置1min并降低真空度至真空度为-40kpa，保持该真空度恒定，用的0.2c电流恒流充电至3.5v；

(4)静置1min并降低真空度至真空度为-10kpa，保持该真空度恒定，用0.3c的电流恒流充电至3.7v，之后改为用该电压恒压充电至电流达到截止电流0.04c，停止充电，静置1min，得到化成后的电芯。

本实施例步骤(1)所述半成品电芯与实施例1的半成品电芯完全相同。

本实施例的测试结果见表1。

实施例3

本实施例按照如下方法进行负压化成：

(1)在40℃的化成温度下，将半成品电芯静置30min，对所述半成品电芯抽真空至真空度为-100kpa，保持该真空度恒定，用0.07c的电流恒流充电至3.2v；

(2)静置30min并降低真空度至真空度为-80kpa，保持该真空度恒定，用0.3c的电流恒流充电至3.7v；

(3)静置30min并降低真空度至真空度为-60kpa，保持该真空度恒定，用的0.5c电流恒流充电至4.0v；

(4)静置30min并降低真空度至真空度为-40kpa，保持该真空度恒定，用1.0c的电流恒流充电至4.3v，之后改为用该电压恒压充电至电流达到截止电流0.06c，停止充电，静置30min，得到化成后的电芯。

本实施例步骤(1)所述半成品电芯与实施例1的半成品电芯完全相同。

本实施例的测试结果见表1。

实施例4

本实施例按照如下方法进行负压化成：

(1)在45℃的化成温度下，将半成品电芯静置15min，对所述半成品电芯抽真空至真空度为-90kpa，保持该真空度恒定，用0.05c的电流恒流充电至3.2v；

(2)静置15min并降低真空度至真空度为-60kpa，保持该真空度恒定，用的0.3c电流恒流充电至3.8v；

(3)静置15min并降低真空度至真空度为-25kpa，保持该真空度恒定，用0.5c的电流恒流充电至4v，之后改为用4v恒压充电至电流达到截止电流0.05c，停止充电，静置15min，得到化成后的电芯。

所述半成品电芯为方形磷酸铁锂半成品电芯，其正极涂层由质量比wt％/wt％＝97.5:1.5:1的磷酸铁锂、导电剂cnt和粘结剂pvdf组成，负极涂层由质量比wt％/wt％＝96:2.0:1.0:1.0的石墨、导电剂cnt、胶液和粘结剂sbr组成，隔膜为celgard2400隔膜，电解液为1mol/l的lipf6/ec+dmc+emc(v/v＝1:1:1)电解液。

本实施例的测试结果见表1。

实施例5

本实施例按照如下方法进行负压化成：

(1)在45℃的化成温度下，将半成品电芯静置15min，对所述半成品电芯抽真空至真空度为-90kpa，保持该真空度恒定，用0.05c的电流恒流充电至3v；

(2)静置15min并降低真空度至真空度为-75kpa，保持该真空度恒定，用0.1c的电流恒流充电至3.2v；

(3)静置15min并降低真空度至真空度为-65kpa，保持该真空度恒定，用0.2c的电流恒流充电至3.5v；

(4)静置15min并降低真空度至真空度为-50kpa，保持该真空度恒定，用的0.3c电流恒流充电至3.8v；

(5)静置15min并降低真空度至真空度为-25kpa，保持该真空度恒定，用0.5c的电流恒流充电至4v，之后改为用4v恒压充电至电流达到截止电流0.05c，停止充电，静置15min，得到化成后的电芯。

所述半成品电芯为方形三元镍钴铝酸锂111半成品电芯，其正极涂层由质量比wt％/wt％＝97:1.5:1.5的镍钴铝酸锂、导电剂cnt和粘结剂pvdf组成，负极涂层由质量比wt％/wt％＝96:1.0:1.5:1.5的石墨、导电剂cnt、胶液和粘结剂sbr组成，隔膜为celgard2400隔膜，电解液为1mol/l的lipf6/ec+dmc+emc(v/v＝1:1:1)电解液。

本实施例的测试结果见表1。

对比例1

本对比例除了各步骤均用-80kpa这一恒定真空度，而不采用阶梯式降低真空度的方式之外，其他操作以及处理的半成品电芯种类均与实施例1相同。

本对比例的测试结果见表1。

对比例2

本对比例除了各步骤的恒流充电操作均用0.3c这一恒定充电电流，而不采用阶梯式升高恒流充电电流的方式之外，其他操作以及处理的半成品电芯种类均与实施例1相同。

本对比例的测试结果见表1。

测试方法

采用计时器测定化成时间。

采用电子称称重方法，通过测量化成开始前电芯重量和化成结束后电芯重量的差值，测试电解液的失液率(即损失的电解液占注入电解液质量的百分数)。

通过拆解化成后的电芯，对化成后极片状态进行确认，判定极片正常的标准为：极片表面没有明显黑斑，化成界面颜色均匀。

用充放电设备，在25℃±2℃下以1c电流恒流充电，至电池电压达到4.2v后转换为恒流充电，至电流降至0.05c电流后停止充电，充电后静置1h。在25℃±2℃下以1c电流放电，直至电池电压达到2.8v时停止放电，测试电池循环200次后的电化学性能。

测试结果见下表：

表1

综合上述实施例和对比例可知，实施例提供的负压化成方法采用高温化成，先用小电流化成，逐步采用大电流阶梯式化成工艺以及先用高真空再用低真空分段抽气方式，可以缩短化成时间，减少化成过程中的失液量，提高sei膜的一致性和稳定性，提高电池循环性能，满足新能源汽车用动力电池的高比能量、快速充电、长寿命等需求。

对比例1没有采用先用高真空再用低真空的分段抽气方式，直接用恒定真空-80kpa进行化成，导致化后失液率偏大。

对比例2没有采用先用小电流化成再逐步采用大电流阶梯式化成工艺，直接以0.3c恒定电流化成，所需化成时间短，但化成形成的sei膜不稳定，导致循环性能差。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。