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从专利看CATL/国轩/万向一二三电池化成技术

作者:中国储能网新闻中心 来源:高工锂电网 发布时间:2019-12-13 浏览:
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动力电池最后一道制造工序是化成,其效果决定质量成败。好比修建一座大坝,化成不好,相当于大坝增添许多窟窿,失去拦截水库的作用。

再直白一点,就是电池所有性能都差,属于不合格品。

化成作用是 “激活”电芯,让电池表面形成稳定SEI膜。SEI膜一方面影响电池的循环寿命,稳定性以及自放电性等性能。

另一方面易受残存气体影响,其致密性受到破坏,锂离子被消耗,出现胀气。化成的难点主要是电池化成工艺的设计、充电时电流和电压的精度、环境温度和压力一致性。

硬壳和软包电池的化成工艺差异不大,从本质上看,主要是三段式充电化成(先恒小电流预充,再恒大电流充,后恒压降电流充至结束)、热密封排气化成、高温高压化成。

其中化成工艺可兼容三段式充电、热密封排气和高温高压,并不互斥。

另外从化成温度来看,可分常温和高温夹具化成。

常温化成:常温下先预化成,如图1所示软包电池胀气。然后再进行抽气和预封,排除预化成过程产生的气体,避免气体停留在正负极片表面,导致极片与隔膜接触电阻升高。最后进行主化成和封装,对SEI膜进一步整形与完善。

常温化成优点在于电流相对较小,SEI成膜致密,电性能优良,缺点是化成周期长,通常要20个小时及以上,化成效率低。

高温夹具化成:将电池置于高温夹具柜板上,对电芯进行加热,同时对柜板施加一定压力,通常在1MPa/pcs左右。

加热加压作用是提高化成反应速率,降低极化电阻。高温夹具化成优点在于化成效率高,缺点是成膜致密性差,电性能差。

图1 软包电池胀气

值得一提的是,从专利角度看,常温化成的代表是宁德时代(CATL)和合肥国轩,高温夹具化成是万向一二三。

01 宁德时代:热封密封排气化成

软包电池在化成过程中,电解液发生化学反应并产生大量气体。这些气体压力会压迫软包电池的封印边,降低软包电池的安全性。

宁德时代发明装置专利,包括抽气部和与抽气部相连通的负压源。在化成过程中,抽气部与袋型电池内部连通,连接有气囊。

随后开启负压气源,抽气部从预留气囊内抽取化成时产生的气体,从而减少气体向热封电池边施加的压力,提高软包电池的安全性。

宁德时代这项发明专利,如图2软包抽气机构,最大好处是效率高,产能高。其中切口机构中有热感温探头和高性能材质,能防止化成时电池过热,造成封装缺陷,同时软包电池密封性好。

图2 软包电池抽气机构

图3 化成切口机构

02 合肥国轩:三段式充电化成

合肥国轩针对软包电池化成,发明专利是辊压除气,恒流充电化成,具体步骤分四步,效果如图4所示。

1、第一次化成。先以0.01-0.03C的电流对电池进行恒流充电,搁置1-2min,再以0.05C-0.1C的电流进行恒流充电,搁置1-2min,对电池进行冷压塑形。

2、辊压封口。将冷压塑形后的电池置于辊压机内进行辊压,再置于真空环境中,再除气和封口。

3、二次化成。以0.1-0.2C的电流对电池进行恒流充电,搁置后进行冷压塑形。

4、高温下静置18-24h,对电池进行本体辊压和排气封口,最终完成软包电池的化成。

本发明分两步化成,在规定的压力、温度下进行小电流充电。其中化成,分两次充电,并结合辊压步骤,能有效及时排出化成过程中产生的气体和水气,利于负极片表面形成致密性好的SEI膜,提高SEI膜的质量。

一方面提高电池化成效果,化成工序简单,易实现,另一方面又能改善外观质量。

图4 化成案例

03 万向一二三:高温高压化成

万向一二三针对镍钴锰酸锂电池的化成专利,可以使SEI膜更加致密稳定并具有多孔性,能够改善锂离子电池循环性能,减少电池中活性锂消耗,促进电池容量发挥的镍钴锰酸锂材料正极软包锂离子电池的化成方法。

大致实施如下,先在低温环境下以0.1-0.2C的充电倍率充电至3.6-3.7V,静置后,再以0.2-0.3C的放电倍率放电至2.5V-2.7V。

随后在电池表面加压,同时高温抽气处理。将经抽气处理后的软包电池静置,再以0.2-0.3C的充电倍率充电至3.6-3.7V,接着0.4-0.6C的充电倍率充电至4.1-4.3V。

开始小倍率和低温条件下,首次充放电的SEI膜更致密,同时能减少对电池不利影响。最后高温高压静置,低电压可以使SEI膜进行结构重组,减少活性锂消耗,促进电池容量发挥,使SEI膜更加稳定并具备多孔性,可减少副反应发生。

该项专利具有以下优势:SEI膜结构更加稳定致密,减少锂离子的消耗,改善镍钴锰酸锂材料正极锂离子电池的循环性能,电池的容量得到更好发挥,电池的自放电现象减弱。

参考文献:

[1]合肥国轩高科动力 一种软包锂离子电池的化成方法 [P]:中国 CN109638370A  2019-4-16

[2]宁德时代新能源科技股份有限公司 袋型电池化成装置 [P]:中国 CN208489326U  2019-02-12

[3]万向一二三股份 镍钴锰酸锂材料正极的软包锂离子电池的化成方法 [P]:中国CN107785612A 2018-3-9

关键字:动力电池

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