CN103594745A - 一种提高锂离子电池性能的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种锂离子提高电池性能的方法，即在所述电池极片上均匀地施加压力，本发明还提供一种在电池生产时对电池极群组进行预压力的生产制备方法，以及在使用中的一种对电池加压装置，利用对电池加压的方法能抑制电池膨胀，减小电池在化成激活阶段的电极变形，使电池厚度更一致，加压还可以提高锂离子电池在正极和负极材料中的Li+扩散过程，减小电池内部极化和电池内阻。同时，提高电池放电电压平台，电池输出功率增大；通过加压提高电池充电接受能力，提高电池可逆性，缩短充电时间，提高活性物质利用率，提高电池容量以及电池有效输出能量，并抑制由于电池充放电活性物质膨胀而导致的结构破坏，从而可以延长电池使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高锂离子电池性能的方法及其装置。
背景技术
锂离子电池在便携式电子产品的小容量电源领域已得到广泛应用，随着大容量锂离子电池在电动助力车以及电动车的应用，对电池高容量、高电压、低成本、适应冬季低温的实际环境、以及循环寿命性能要求越来越高。尖晶石LiMn2O4正极材料矛盾尤为突出，锰酸锂正极材料成本和电池电压有明显优势，但大电流放电极化以及循环寿命明显不足，这主要与材料膨胀导致结构破坏密切相关
酸锂正极材料在充放电过程变化如下：
由于Li+离子脱嵌以及Mn3+、Mn4+变化导致结构沿着八面体轴向伸缩变形，即Jahn-Teller效应；随着充放电循环，材料结构逐渐破坏，可逆性变差，电池容量也就逐渐衰退。虽然循环对其它材料，包括负极材料结构的破坏性没有锰酸锂正极材料明显。但是锂离子的脱嵌导致的正负极材料体积缩膨也明显地影响锂离子电池的循环寿命。
另外在阀控式铅酸蓄电池在充放电循环过程中，正极上由于PbO2转化为PbSO4的体积缩膨也容易导致原有结构破坏，活性物质之间接触变差，可逆性下降，导致容量衰退以及电池容量早期失效（通常称为PCL-2失效模式）。传统的铅酸蓄电池解决办法是将正极板做成管式结构，将正极活性物质填装在多孔的涤纶套管中，抑制循环过程中正极活性物质膨胀，可大大延长电池寿命，但管式结构极板工艺比较复杂。
现有的两个发明专利文件（CN 1967922A, CN 1967925A）中说明了将加压应用于锂离子电池生产过程中化成充电阶段，以有利于电池在化成中减少正、负板片在激活过程中极板膨胀导致极片变形影响电池的整体厚度，使出厂电池厚度差异可控制在0.1mm以内并可以使电池抽气更干净，以减少气泡影响，但上述方法仍无法解决在使用过程中目前方形结构锂离子电池，尤其是铝塑膜软包装结构以及采用锰酸锂正极材料，由于电池循环使用过程电极变形以及正极结构膨胀破坏，导致电池容量过早衰退，明显缩短电池使用寿命等问题。
发明内容
本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题防止锂离子电池使用过程中由于电池循环使用过程电极变形以及正极结构膨胀破坏，导致电池容量过早衰退，明显缩短电池使用寿命等问题。
本发明的具体实施方案是：一种提高锂离子电池性能的方法，其特征在于，所述电池极片表面均匀地适度施加压力，所述压力为100～300KPa。
本发明的第二发明方案为：一种提高锂离子电池性能的生产制备，其特征在于，所示电池具有方形电池外壳或卷绕式极群结构的锂离子电池，包括以下生产制备步骤：
（1） 将堆叠的极片彻底干燥，在负极与正极之间设有隔膜；
（2） 按照负极、隔膜、正极、隔膜的顺序依次交叠，叠齐后卷绕成扁平状，对电池加压使极群组固定成型，以避免极片卷绕的中间部位向外突起增加厚度；
（3） 将极群组放入刚性外壳内，第二次加压，将极群组紧紧地塞入电池壳中，使极群组内部有一定装配压力；
（4） 向步骤3的电池注入电解液、充电、封口；
（5） 随着充电过程极片的膨胀，依靠电池外壳的刚性使极群组内部具有一定压力，以达到对极群组施压的目的，降低电池极化，减缓极片上活性物质结构退化，提高电池容量，延长电池使用寿命。
进一步的，步骤（3）所述电池外壳内侧上下具有锥度，以增加可操作性。
本发明的第三发明方案为：一种可提高电池性能的装置，其特征在于，包括用于加压电池的上下夹板，所述上夹板上方设有一刚性板，刚性板与上夹板之间设有压力传感器，所述压力传感器下端作用于上夹板，所述刚性板与下夹板通过螺栓固定。
进一步的，所述上夹板与下夹板之间设有多个用于加压电池的中间夹板。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）通过加压抑制了电池膨胀，减小电池在化成激活阶段的电极变形，电池厚度更一致； （2）通过加压明显地提高了锂离子电池在正极和负极材料中的Li+扩散过程，减小电池内部极化和电池内阻，同时，提高电池放电电压平台，电池输出功率增大；通过加压提高电池充电接受能力，提高电池可逆性，缩短充电时间；（3） 通过加压提高活性物质利用率，提高电池容量以及电池有效输出能量并抑制由于电池充放电活性物质膨胀而导致的结构破坏，从而可以延长电池使用寿命；（4）本发明对于锂离子电池可能产生的气体通过加大侧面气室空间以及单向阀来缓解。
本发明采用的方法及装置十分简单，可广泛应用于卷绕极片或叠片结构的方形锂离子电池，该方法及装置不仅应用于单个锂离子电池也可以用于多个电池串并联形成的锂离子电池组。
附图说明
图1为锂离子电池在加压和没有外压下电池内部压力变化对比数据图。
图2为加压下锂离子电池充电及放电过程正、负极电势变化示意图。
图3为在不同外压下锂离子电池容量示意图。
图4为单电池加压装置图。
图5为电池组加压装置图。
图中：10-上夹板，20-下夹板，30-刚性板，40-压力传感器，50-中间夹板，100-电池。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1～2所示, 为锂离子电池加压后的相关电化学性能对照试验数据。
如图1所示，为锂离子电池在加外压下内部压力变化数据图。
当锂离子电池在放电态时极群组为收缩状态，此时体积最小。为此我们将电池完全放电（100%DOD），然后对锂离子电池加外压至300kPa，并对电池进行充电以及放电循环，锂离子电池内部压力变化如图1所示。在300 kPa外压下电池充、放电过程中压力变化大约160kPa。如果单体电池或电池模块中极群组没有受外压限制，那么在充放电过程中活性物质材料将发生明显的膨胀，从而导致活性物质材料结构破坏和电池寿命缩短。
如图2所示，为锂离子电池在加压和没有外压下电池电压变化对比数据。
电池在施加外压下放电时，锂离子电池电压平台比较高，电极极化更小；相比，在没有施加外压下，电极极化更大，电池压降更大，有效输出能量更小。在充电时，特别是在充电中后期，外加压力明显降低了电极极化，充电电压更低。因此在充电和放电过程中，加压明显提高了电池放电电压平台以及充电接受能力，因而也提高了锂离子电池容量。
下表为加压和未加压下铝塑膜锂离子电池容量、电压平台以及充电效率。
| 压力/kPa | 容量/mAh | 放电中压/V | 充电效率/% |
| 0 | 1115.7 | 3.581 | 97.5 |
| 300 | 1137.9 | 3.612 | 98.0 |
如图3所示：为不同外压下锂离子电池容量。
图3表明随着对锂离子电池外加压力增加，电池容量也增大，但超过300kPa后锂离子电池容量变化不明显。
由此，一种提高锂离子电池性能的方法，在电池极片上均匀地适度施加压力，所述压力为100 kPa～300kPa，由于锂离子电池内部极片膨胀，其最大压力小于500KPa，此压力远小于锂离子电池挤压变形测试受压的安全范围。
该方法具有以下优点：
（1）减小电池在化成激活阶段的电极变形，电池厚度更一致；（2）通过加压明显地提高了锂离子电池在正极和负极材料中的Li+扩散过程，减小电池内部极化和电池内阻，同时，提高电池放电电压平台，电池输出功率增大；通过加压提高电池充电接受能力，提高电池可逆性，缩短充电时间；（3） 通过加压提高活性物质利用率，提高电池容量以及电池有效输出能量并抑制由于电池充放电活性物质膨胀而导致的结构破坏，从而可以延长电池使用寿命；（4）本发明对于锂离子电池可能产生的气体通过加大侧面气室空间以及单向阀来缓解。
本发明还包括一种提高锂离子电池性能的方法，其特征在于，所示电池具有方形电池外壳或卷绕式极群结构的锂离子电池，包括以下生产制备方法：
（1） 将堆叠的极片彻底干燥，在负极与正极之间设有隔膜；
（2） 按照负极、隔膜、正极、隔膜的顺序依次交叠，叠齐后卷绕成扁平状，对电池加压使极群组固定成型，以避免极片卷绕的中间部位向外突起增加厚度；
（3） 将极群组放入刚性外壳内，第二次加压，将极群组紧紧地塞入电池壳中，使极群组内部有一定装配压力；
（4） 向步骤3的电池注入电解液、充电、封口；
（5） 随着充电过程极片的膨胀，依靠电池外壳的刚性使极群组内部具有一定压力，以达到对极群组施压的目的，降低电池极化，减缓极片上活性物质结构退化，提高电池容量，延长电池使用寿命。
如图4所示，本发明还包括一种可提高锂离子电池性能的装置，包括用于加压电池的上夹板10与下夹板20，所述上夹板10上方设有一刚性板30，刚性板30与上夹板10之间设有压力传感器40，所述压力传感器40下端作用于上夹板10，所述刚性板30与下夹板20通过螺栓固定。
该装置使用方法如下：
（1） 根据锂离子电池大小选用合适的刚性绝缘板；
（2） 平放软包装的锂离子电池，利用上下夹板将电池夹住，上下夹板的尺寸等于或略大于电池的长和宽，露出极耳和气囊，加压电池的夹板要求表面光滑，不会刺破电池软包装袋；
（3） 放上压力传感器40和刚性板30，然后在刚性板30四角用螺丝拧紧，当通过四角螺丝拧紧固定电池并加压时，要保证夹电池两个板面平行或四角间隙距离一样，以使电池均匀受力，并使电池受压达到规定值；压力传感器外部连接有压力数字显示表，可以直接获得对电池施加的压力。
本装置适用于单电池、电池组或电池模块，可以通过外壳将压力传递到电池极片或极群组上的任何装置和方法。
如图5所示，所述上夹板与下夹板之间设有多个用于加压电池100的中间夹板50。将每相邻两个电池按照正极对负极，负极对正极安装，以便缩短串联连接导线，电池之间放有一定硬度的绝缘中间夹板50，通过拧紧螺母使电池组达到一定的厚度尺寸，使之电池组对应受到一定压力。
电池组在该压力下工作使用。也可以将电池组在一定压力下装入具有刚性的大电池组槽中，这个电池槽不仅仅是为了放置或装电池组，更重要的是使电池组入槽后在受到可控的一定压力下进行工作，以达到和提高锂离子电池组性能及使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种提高锂离子电池性能的方法，其特征在于，在锂离子极片上均匀地施加有压力。
2.根据权利要求1所述的一种提高锂离子电池性能的方法，所述压力为100 kPa～300kPa。
3.一种提高锂离子电池性能的生产制备方法，其特征在于，所述电池为具有方形电池外壳或卷绕式极群结构的锂离子电池，包括以下生产制备步骤：
（1） 将堆叠的极片彻底干燥，在负极与正极之间设有隔膜；
（2） 按照负极、隔膜、正极、隔膜的顺序依次交叠，叠齐后卷绕成扁平状，对电池加压使极群组固定成型，以避免极片卷绕的中间部位向外突起增加厚度；
（3） 将极群组放入刚性外壳内，第二次加压，将极群组紧紧地塞入电池壳中，使极群组内部有一定装配压力；
（4） 向步骤3的电池注入电解液、充电、封口；
（5） 随着充电过程极片的膨胀，依靠电池外壳的刚性使极群组内部具有一定压力，以达到对极群组施压的目的，降低电池极化，减缓极片上活性物质结构退化，提高电池容量，延长电池使用寿命。
4.根据权利要求3所述的一种提高锂离子电池性能的生产制备方法，所述步骤（3）中电池外壳内侧上下具有锥度，以增加可操作性。
5.一种可提高锂离子电池性能的装置，其特征在于，包括用于加压电池的上下夹板，所述上夹板上方设有一刚性板，刚性板与上夹板之间设有压力传感器，所述压力传感器下端作用于上夹板，所述刚性板与下夹板通过螺栓固定。
6.根据权利要求5所述的一种可提高锂离子电池性能的装置，所述上夹板与下夹板之间设有多个用于加压电池的中间夹板。
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