[发明专利]一种用于高能量密度锂离子电池的化成方法

说明书

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，特别是一种用于富锂正极-碳类负极体系的高能量密度锂离子电池的化成方法。

背景技术

富锂正极材料xLi₂MnO₃　(1-x)LiMO₂是由Li₂MnO₃和LiMO₂形成的固溶体材料，其中M为Ni、Co、Mn、Ti、Cr、Al、Fe、Mg中的一种或几种，具有α-NaFeO₂层状结构，属于六方晶系，R-3m空间群，Li占据3a位，过渡金属占据3b位，Li₂MnO₃的过渡金属层是由Li、Mn原子以1:2的比例交替排列的。在充电电压不高于4.5V时，材料中只有锂层中的锂脱出，过渡金属发生氧化还原反应，Li₂MnO₃不会变化，充电电压高于4.5V时，锂层的锂及混排在过渡金属层的锂共同脱出，伴随着锂层的氧一起脱出，脱出了Li₂O。氧脱出后，产生的锂空位被过渡金属离子占据，所以在放电时，锂离子不能全部嵌回到晶格中，所以放电容量远低于充电容量，即所谓的首次不可逆容量损失。富锂正极材料可以充电至4.8V，具有大于250mAh/g的比容量，远远高于现有的商业化的正极材料，可以制作高能量密度的电池。

碳负极是目前应用最为广泛的负极材料，具有循环性能好，容量高的特点。碳类负极包括石墨、软碳、硬碳等种类，此外，硅碳复合材料既具有硅负极材料的高容量，又具有碳材料的长循环寿命，是一种新型的负极材料，比容量可以达到550mAh/g。

富锂正极材料和碳类负极匹配可以制作高能量密度的电池，能量密度可以达到240Wh/kg以上，但由于富锂材料充电电压较高、倍率性能较差的特点，目前常用的化成方法并不适用于富锂-碳类负极的高能量密度电池。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于高能量密度锂离子电池的化成方法，所述锂离子电池为富锂正极-碳类负极体系，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对电池注液，注液完成后在注液孔处加封口棉，并固定封口棉，静置16～48h；

S2：以0.01～0.02C的倍率将所述电池充电至3.7～4.0V，

S3：以0.03～0.05C的倍率将所述电池充电至4.0～4.35V；

S4：以0.1～0.2C的倍率将所述电池充电至4.35～4.5V，然后以4.35～4.5V恒压充电1～3h；

S5：将所述电池进行高温老化，老化后将电池进行排气处理，然后对电池进行称重，根据其重量变化进行二次注液以补充化成和高温老化过程中损失的电解液；

S6：电池封口。

较佳地，所述富锂正极为xLi2MnO3·(1-x)LiMO2，其中0<x<1，M为Ni、Co、Mn、Ti、Cr、Al、Fe、Mg中的一种或几种，所述碳类负极包括石墨、软碳、硬碳、硅含量小于10％的硅碳复合材料中的一种或几种。

较佳地，所述高温老化的温度为40～80℃，时间为1～5h。

较佳地，所述排气处理的步骤为：

(1)电池置于真空箱中抽真空至-0.09MPa，保持负压3min，充入干燥气体至一个大气压，保压3min；

(2)重复上述步骤一次；

(3)将电池在缓慢离心的状态下抽真空至-0.09MPa，保持负压5～10min，，离心角速度为60～80r/min；

(4)将电池在超声振荡的状态下抽真空至-0.09MPa，保持负压5～10min，，超声波频率为20～30KHz。

较佳地，所述的干燥气体为化学惰性的气体。

较佳地，所述干燥气体为氮气、氩气或氦气。

较佳地，所述的所有操作均在如下环境中进行：露点低于-44℃，气温在20～25℃之间。

本发明具有以下有益效果：

(1)不同倍率分阶段充电可以促进碳类负极表面SEI膜中不同成分的先后生长，既提高了SEI膜的离子导电性，又提高了SEI膜的稳定性。恒压充电步骤可以促进正极表面SEI膜的生成，避免高电压下电解液的分解；优良的正负极SEI膜的生成可以避免电解液和正负极的继续反应，提升电池的循环性能；优良的SEI膜的离子透过性好，可以降低电池的内阻；

(2)以较小的充电容量完成化成步骤，可以减少电池在SEI膜生成造成的首次容量损失，提升首次效率；