[发明专利]一种三元体系电池电容的化成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂电池电容的化成方法，特别是一种三元体系电池电容的化成方法。

背景技术

三元体系电池电容，其正极主要活性物质为三元锂离子正极材料，三元正极材料镍钴锰酸锂(NCM)以及镍钴铝酸锂(NCA)因其本身高容量、高比能的特性已经逐渐进入锂离子电池的市场中。NCM材料中Ni的存在可以提高材料的容量，Co能够有效的稳定材料的层状结构，Mn既可以降低材料的成本，又起到作为材料制成骨架的作用，三种元素的协同作用使得NCM材料成为了取代LiCoO₂成为锂离子电池材料正极最被看好的材料。目前市场主流的三元材料主要为NCM(111型、532型、622型、811型)镍钴锰体系以及NCA镍钴铝体系，NCM具有层状结构，NCA则比较接近811型的NCM结构。

现阶段磷酸铁锂技术的单体电池比能量仅100-120Wh/kg，组合成电池包后，电池系统能量密度还不到90Wh/kg，而三元材料电池技术比能量相比磷酸铁锂要高出50％，目前普遍在150-180Wh/kg。然而比能量拥有了高的比能量，三元体系电池的寿命却只有几千次，而超级电容器的寿命可以达到百万次。锂离子电池正极材料与活性炭复合形成的电池电容体系能够结合电池和电容器两方面的优势，已经成为目前国内外研究的趋势。

三元电池电容体系相比于其他正极材料，三元材料能够提高更高的容量和能量密度，但是在产品的测试及使用中会产生胀气现象而影响到电池产品的使用寿命和使用安全性。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种三元体系电池电容的化成方法，通过小电流多步化成的方法能够使电池电容在化成阶段使副反应进行的更加完全，化成时在器件内部的产生的气体能够得以充分的排出，使电池电容的性能更加稳定充分的发挥。

本发明公开的三元体系电池电容的化成方法，化成方法为对电池电容采用恒电流多步重复充放电，恒电流多步重复充放电为：将电池电容的充放电截止电压间电压窗口(即化陈电压的上下限区间)划分为包括U₀-U₁、U₁-U₂、U₂-U₃、U₃-U₄、U₄-U₅的5个电压区间，并对应所述5个电压区间设置5个区间充放电步骤并按照电压递增的顺序实施，每一个区间充放电步骤均包括对电池电容依次进行恒流充电至该区间截止电压(最高值)、断电静置t1和恒流放电，其中每一次恒流放电时电压均降低至U₀；

同一电压区间内实施的区间充放电步骤的恒流放电与恒流充电操作之间还包括断电静置t2；

不同电压区间内实施的区间充放电步骤的恒流放电与恒流充电操作之间还包括断电静置t3；

其中t1≤t2≤t3。本方案中，通过将电压窗口划分为5个阶梯梯度,以最大限度的消除电池电容中的副反应，并使胀气在化成阶段最大限度的排出，电池电容充分静置后开始进行充电，使化陈电压的升降幅度更为平滑，从而能够在激活电池电容的同时在阳极表面稳定地形成保护膜层，同时具有良好的容量保持率，并且避免使用寿命内出现胀气而影响到正常使用。同时设定t1≤t2≤t3，可以使得不可逆反应充分进行，充分释放反应气体，电极材料结构更为稳定的同时，又可以避免过度反应而降低电极活性。

本方案中每一次区间充放电步骤中的恒流放电工序都会放电至最低截止电压，促进不可逆过程在化成阶段进行，促进SEI膜的形成，使电极材料内部结构更加稳定，进而电池电容的循环稳定性更高。

本发明公开的三元体系电池电容的化成方法的一种改进，恒电流多步重复充放电中同一区间内的区间充放电步骤至少重复2次再进行下一区间的区间充放电步骤。本方案通过在同一区间内进行多次重复区间充放电步骤，使不可逆过程在化成阶段进行完毕，促进SEI膜的形成，可以使得阳极的结构更为稳定，阳极保护层的性能更为稳定，同时锂离子在阴极的嵌合更为稳定，从而保证了电池电容的使用寿命。

本发明公开的三元体系电池电容的化成方法的一种改进，每一个区间充放电步骤中恒流放电均为放电至电压U₀。

本发明公开的三元体系电池电容的化成方法的一种改进，t1为30-60s。

本发明公开的三元体系电池电容的化成方法的一种改进，t2为60-90s。

本发明公开的三元体系电池电容的化成方法的一种改进，t3为120-240s。