CN106537677B - 制造非水二次电池的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制造非水二次电池的方法包括:构造具有正电极、负电极和非水电解液的电池组件,所述非水电解液包含不饱和碳酸酯;使所述电池组件活性化以分解所述不饱和碳酸酯的一部分,以使得相对于100质量%的所述非水电解液的总量,所述不饱和碳酸酯的百分比被调整为0.9质量%或更少;使所述电池组件自放电以测量电压降量;以及基于所述电压降量判定在所述电池组件中是否发生内部短路。
Description
技术领域
本发明涉及制造包括非水电解液的电池(非水二次电池)的方法。
背景技术
在诸如锂离子二次电池的非水二次电池的制造期间,例如,使用正电极、负电极和非水电解液构造电池组件。接下来,该电池组件经历诸如初始充电(调节(conditioning))、保持在高温范围(老化)、以及质量检查的处理。例如,公开号为2005-251538的日本专利申请(JP 2005-251538 A)公开了一种二次电池的自放电测试方法,此方法包括:将所构造的电池组件充电到预定电压;使电池组件静置持续预定时段;以及基于静置之前与之后的电压值之间的电压变化量(电压降量)判定是否发生内部短路。
然而,在非水二次电池中,非水电解液可以包含添加物以提高耐久性。例如,当在构造电池组件期间添加所谓的成膜剂(例如,不饱和碳酸酯)时,化合物典型地在初始充电期间被分解而在电极(例如,负电极)的表面上形成膜(保护膜)。该膜使电极与非水电解液之间的界面稳定,并且提高电池的耐久性(例如,循环特性或高温存储特性)。然而,根据本发明的发明人的新发现,当非水电解液包含不饱和碳酸酯时,上述自放电测试可能延迟。因此,从生产率、工作效率和成本的角度出发,即使非水电解液包含不饱和碳酸酯时,也需要在不降低测试准确度的情况下缩短自放电测试时段。
发明内容
已考虑到上述情况而做出本发明。本发明提供一种制造在电池构造期间包含不饱和碳酸酯的非水二次电池的方法。
本发明的一方面为一种制造非水二次电池的方法,所述方法包括:构造具有正电极、负电极和非水电解液的电池组件,所述非水电解液包含不饱和碳酸酯;使所述电池组件活性化(activate)以分解所述不饱和碳酸酯的一部分,以使得相对于100质量%的所述非水电解液的总量,所述不饱和碳酸酯的百分比被调整为0.9质量%或更少;使所述电池组件自放电以测量电压降量;以及基于所述电压降量判定在所述电池组件中是否发生内部短路。
通过在自放电测试之前将非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比调整为0.9质量%或更少,可以减少在自放电测试期间“无内部短路”的电池组件(在下文中,也称为“良品”)的电流消耗。由此,可以进一步降低良品的电压降量。结果,良品组与具有内部短路的电池组件(在下文中,也称为“劣品”)之间的电压降量的差增大,并且易于判定在电池中是否发生内部短路。因此,可以在维持测试准确度的同时缩短自放电测试所需要的时间。也就是,通过使用根据本发明的该方面的方法,即使非水电解液包含不饱和碳酸酯时,也可以在短时段内制造高度可靠的电池。
在本发明的该方面中,通过所述活性化,所述非水电解液中的所述不饱和碳酸酯的百分比可以被调整为0.7质量%或更多。结果,可以将活性化所需要的时间和成本(处理负荷(process load))抑制为低的。因此,从生产率、工作效率和成本的角度出发,可以提供具有良好的总平衡的方法。
此外,通过所述活性化,所述非水电解液中的所述不饱和碳酸酯的百分比可以被调整为0.8质量%或更多。
在本发明的该方面中,所述活性化可以包括:调节,其中对所述电池组件初始充电;以及老化,其中将所述电池组件保持在40℃或更高的温度环境中。所述老化可以包括通过控制将所述电池组件保持在所述温度环境中的时间而调整所述非水电解液中的所述不饱和碳酸酯的百分比。非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比通过控制老化步骤的保持时间(老化时间)而被调整。根据本发明的发明人的发现,在老化步骤(在下文中,也称为“高温老化步骤”)的保持时间与非水电解液中剩余的不饱和碳酸酯的百分比之间建立了关联。也就是,随着老化时间增加,形成膜所消耗的不饱和碳酸酯的量增加,由此,非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比降低。因此,可以通过控制老化时间而准确地调整非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比。
在本发明的该方面中,被用在所述构造中的所述非水电解液可以包含1质量%或更多的所述不饱和碳酸酯。通过使非水电解液包含相对于其总量的1质量%或更多的不饱和碳酸酯,可以在负电极的表面上适当地形成包括源自不饱和碳酸酯的成分的固体电解质界面膜(SEI膜)。因此,可以制造具有优异的耐久性的非水电池。
在本发明的该方面中,所述不饱和碳酸酯可以至少包括碳酸亚乙烯酯化合物(具体地,例如,碳酸亚乙烯酯)。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点、以及技术和工业意义,在附图中,相同的参考标号表示相同的部件,其中:
图1是示出根据本发明的实施例的制造非水二次电池的方法的流程图;
图2A是示出判定产品是良品还是劣品的一般方法的图;
图2B是示出根据本发明的实施例的判定产品是良品还是劣品的方法的图;
图3是示出在老化期间的电压与在自放电测试期间的良品的电压降量ΔV之间的关系的图表;
图4是示出老化时间与非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比之间的关系的图表;
图5是示意性地示出根据本发明的实施例的非水二次电池的配置的截面图;以及
图6是示出非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比与处理负荷和电压降量ΔV之间的关系的图表。
具体实施方式
首先,将描述基于电压降量的结果判定是否发生内部短路的方法的实例以及如何完成本发明的细节。为了基于电压降量的结果判定是否发生内部电路(判定产品是良品还是劣品),需要设定用于质量判定的基准值。计算基准值与每个电池组件的电压降量之差。当该差为预定阈值或更低时,该电池组件被判定为“无内部短路”(即,良品)。当该差超过预定阈值时,该电池组件被判定为“已发生内部短路”(即,劣品)。例如,图2A示出判定产品是良品还是劣品的一般方法。在图2A中,采用多个电池的电压降量ΔV的中值作为用于质量判定的基准值,并且将良品组的阈值设定为3σ(σ是指标准偏差,在下文中,也是同样)。为了在短时段内准确地判定产品是良品还是劣品,良品组的电压降量ΔV(这里,为良品组的中值+下限3σ)需要为小的,并且劣品的电压降量需要为足够大。在图2A中,将劣品的电压降量ΔV充分大于良品组的电压降量ΔV时(当电压降量为VA时)的日子设定为测试日。
根据本发明的发明人的发现,在自放电期间的电压降量ΔV根据“电池电压处的电阻值”和“电流消耗值”而确定。在自放电测试中,良品和劣品的电池电压相同,其电阻值也相同。因此,在产品是良品还是劣品的判定期间,进一步降低良品组的电流消耗或者进一步增加劣品的电流消耗是重要的。认为劣品的电流消耗对应于“由电极(例如,负电极)表面上的膜形成反应所消耗的电流”与“在内部短路位置处所消耗的电流”的和;而良品的电流消耗仅对应于前一电流值。因此,本发明的发明人认为,通过抑制在自放电测试时段期间的膜的形成,良品的电压降量ΔV被减小,从而良品组的电压降量ΔV的3σ被减小(偏差(variation)被减小)。作为深入研究的结果,完成了本发明。
在下文中,将参考附图适当地描述本发明的优选实施例。对于本领域的普通技术人员,可以将除了本说明中具体提及的事项之外的实现二次电池所需的事项理解为基于相关领域中的相关技术的设计事项。本发明的实施例可以基于本说明书中公开的内容以及本领域中的技术常识而被实施。
<制造非水二次电池的方法>
根据该实施例的制造非水二次电池的方法包括:电池组件构造S10;活性化S20;自放电测试S30;以及质量判定S40。图1是示出根据本发明的实施例的方法的流程图。在下文中,将参考图1按顺序描述各个步骤。在本说明书中,“常温范围”是指20℃±10℃(典型地,15℃到30℃,例如,20℃到25℃)。
在电池组件构造S10中,典型地在常温范围内,使用正电极、负电极和包含不饱和碳酸酯的非水电解液而构造电池组件。在图1示出的方面中,此步骤包括以下三个步骤:电极体制备S12;非水电解液制备S14;和电池组件装配S16。
在电极体制备S12中,制备包括正电极和负电极的电极体。例如可以通过层叠正电极和负电极以使两者彼此相对且中间夹着隔板(separator)而制备电极体。
典型地,包含正电极活性材料的正电极活性材料层被固定到正电极集电体上。作为正电极集电体,可以优选地使用由高导电金属(例如,铝或镍)形成的导电部件。作为正电极活性材料,可以使用能够被用作非水二次电池的正电极活性材料的各种已知的材料中的一种或两种或更多种。正电极活性材料的优选例子包括层状的或尖晶石型锂复合金属氧化物(例如,LiNiO2、LiCoO2、LiFeO2、LiMn2O4、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、LiNi0.5Mn1.5O4和LiFePO4)。在这些材料当中,从热稳定性和能量密度的角度来看,可以优选地使用包含Li、Ni、Co和Mn作为构成元素的具有层状结构(典型地,层状岩盐型结构)的锂镍钴锰复合金属氧化物。
除了正电极活性材料之外,正电极活性材料层还可以可选地包含可以被用作一般的非水二次电池中的正电极活性材料层的成分的一种材料或两种或更多种材料。此材料的例子包括导电材料和粘结剂。作为导电材料,例如可以优选地使用诸如各种炭黑(例如,乙炔黑和科琴黑(Ketjen black))、活性炭、石墨和碳纤维的碳材料。此外,作为粘结剂,例如可以优选地使用聚偏氟乙烯(PVdF)或聚环氧乙烷(PEO)。此外,在不显著劣化本发明的实施例的效果的范围内,正电极活性材料层可以进一步包含各种添加剂(例如,在过充电期间产生气体的无机化合物、分散剂或增稠剂)。
典型地,包含负电极活性材料的负电极活性材料层被固定到负电极集电体上。作为负电极集电体,可以优选地使用由高导电金属(例如,铜或镍)形成的导电部件。作为负电极活性材料,可以使用能够被用作非水二次电池的负电极活性材料的各种已知的材料中的一种或两种或更多种。负电极活性材料的优选例子包括诸如石墨、不可石墨化碳(硬碳)、可石墨化碳(软碳)和碳纳米管的各种碳材料。
除了负电极活性材料之外,负电极活性材料层还可以可选地包含可以被用作一般非水二次电池中的负电极活性材料层的成分的一种材料或两种或更多种材料。此材料的例子包括粘结剂。作为粘结剂,例如可以优选地使用丁苯橡胶(SBR)、聚偏氟乙烯(PVdF)和聚四氟乙烯(PTFE)。此外,在不显著劣化本发明的实施例的效果的范围内,负电极活性材料层可以进一步包含各种添加剂(例如,增稠剂、分散剂或导电材料)。例如,作为增稠剂,可以优选地使用羧甲基纤维素(CMC)或甲基纤维素(MC)。
尽管不作特别限制,但可以在电极体的构造期间将容量比(CN/CP)调整为例如1.01至1.6,该容量比是作为正负电极的初始容量比,即,负电极的初始充电容量(CN)与正电极的初始充电容量(CP)的比,而被计算出的。在上述范围内,可以准确地防止金属在负电极上的沉淀,从而可以实现优异的耐久性。
作为隔板,可以使用与在一般非水二次电池中使用的那些种类相同的多孔片、无纺布等。隔板的优选例子包括由诸如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或聚酯的树脂形成的多孔树脂片。此外,隔板可以被配置为耐热隔板,其包括:由上述多孔片形成的树脂基底;以及在树脂基底的一个表面或两个表面(典型地,一个表面)上形成的多孔耐热层。多孔耐热层可以是包含例如无机材料(例如,诸如氧化铝颗粒的无机填料)和粘结剂的层,或者是包含绝缘树脂颗粒(例如,聚乙烯或聚丙烯的颗粒)的层。
在非水电解液制备S14中,制备包含不饱和碳酸酯的非水电解液。例如,可以通过将支持电解质(supporting electrolyte)和不饱和碳酸酯溶解或分散在非水溶剂中而制备非水电解液。
对非水溶剂不作特别限制。作为非水溶剂,可以使用能够被用于一般非水二次电池的非水溶剂中的各种有机溶剂,例如,碳酸酯类、醚类、酯类、腈类、砜类和内酯类。在这些当中,从在负电极的表面上形成高质量膜的角度来看,可以优选地使用饱和碳酸酯类(特别地,饱和环状碳酸酯类)。非水溶剂的优选例子包括碳酸亚乙酯(EC)、碳酸异丙烯酯(PC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)。对支持电解质不作特别限制,只要它包含电荷载体(例如,锂离子、钠离子、或镁离子;在锂离子二次电池中,为锂离子)并且可以适当地选自能够被用在一般非水二次电池中的支持电解质即可。例如,当使用锂离子作为电荷载体时,支持电解质的例子包括诸如LiPF6、LiBF4和LiClO4的锂盐。在这些锂盐当中,可以优选地使用LiPF6。
对不饱和碳酸酯不作特别限制,只要它是在碳-碳键(C-C)之间具有不饱和键,并且可以适当地选自能够被用作一般非水二次电池的非水电解液中的所谓成膜剂的碳酸酯类的碳酸酯即可。例如,可以使用具有碳-碳双键的碳酸酯、具有碳-碳三键的碳酸酯或者具有芳环的碳酸酯。不饱和碳酸酯的具体例子包括碳酸亚乙烯酯化合物、碳酸亚苯酯化合物和碳酸乙烯酯化合物。在这些不饱和碳酸酯当中,可以优选地使用由以下化学式(I)表示的不饱和环状碳酸酯,即,具有烯属(ethylenically)不饱和键的碳酸亚乙烯酯化合物。该化合物以相对低的电位(例如,3.8V到4V(相对于Li/Li+))在负电极上被还原。因此,可以在负电极的表面上形成低电阻稳定膜。结果,可以适当地形成具有优异的耐久性的非水二次电池。因此,可以高水平地呈现出本发明的实施例的效果。
然而,在化学式(I)中,R1和R2每一者独立地表示氢原子;或者诸如甲基、乙基、丙基或丁基的具有1到4个碳原子的烷基。
由化学式(I)表示的碳酸亚乙烯酯化合物的具体例子包括碳酸亚乙烯酯、碳酸甲基亚乙烯酯、碳酸乙基亚乙烯酯、碳酸二甲基亚乙烯酯、碳酸乙基甲基亚乙烯酯、碳酸二乙基亚乙烯酯、碳酸丙基亚乙烯酯、以及碳酸丁基亚乙烯酯。在优选实施例中,化学式(I)中的R1到R2的全部都表示氢原子。也就是,该碳酸亚乙烯酯化合物为碳酸亚乙烯酯。
在电池构造期间,非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比可以根据例如活性材料的种类和性质(例如,平均粒径或比表面积)以及活性材料层的孔隙率被确定而不作任何特别限制。如稍后描述的实例所示,从在负电极的表面上形成足够的膜的角度来看,相对于100质量%的非水电解液的总量,非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比为约0.8质量%或更多(优选地为1质量%或更多)。通过使负电极被足够的膜涂覆,可以有效地抑制非水电解液的还原分解,从而可以提高电池的耐久性。然而,在此公开的技术中,在将非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比调整到该预定范围之后进行自放电测试。因此,当在电池构造期间非水电解液包含过量的不饱和碳酸酯时,需要相对长的时段(例如,下面描述的高温老化步骤)以调整不饱和碳酸酯的百分比。此外,当在负电极上形成过量的膜时,该膜可以用作电池反应的阻抗成分(resistance component)。从这些角度来看,相对于100质量%的非水电解液的总量,不饱和碳酸酯的百分比的上限典型地为5质量%或更少,优选地为3质量%或更少,更优选地为2质量%或更少(例如,1.5质量%或更少)。
在不显著劣化本发明的实施例的效果的范围内,除了上述非水溶剂、支持电解质、以及不饱和碳酸酯之外,在此使用的非水电解液可以进一步包含可选成分。这些可选成分被用于一种或两种或更多种目的,这些目的包括:提高电池的耐储存性(storability);提高循环特性;提高初始充电-放电效率;提高输入和输出性能;以及增加在过充电期间产生的气体的量。可选成分的例子包括诸如双草酸硼酸锂(LiBOB)或2-丁炔-1,4-二醇二甲磺酸酯的成膜剂;以及诸如环己基苯(CHB)或联苯(BP)的气体产生剂。
在电池组件装配S16中,将如上制备的电极体和非水电解液容纳在电池壳中。电池壳优选地由例如诸如铝或钢的轻金属材料形成。在本说明书中,“电池组件”是指在活性化步骤之前使用上述电极体和非水电解液装配的组件,并且对电池的种类、配置等不作具体限制。例如,可以在密封之前或之后使用盖来封盖电池壳。
在活性化S20中,使电池组件活性化以分解非水电解液的一部分。典型地,不饱和碳酸酯的一部分在负电极上被还原和分解。结果,非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比被调整为处于预定范围内,同时在负电极的表面上形成源自非水电解液(典型地,源自不饱和碳酸酯)的膜。由于该膜,负电极与非水电解液之间的界面被稳定化,并且可以抑制下一充电和放电期间的非水电解液的分解。在图1示出的实施例中,此步骤包括以下两个步骤:调节S22和高温老化S24。
在调节S22中,典型地,在常温范围内,对如上构造的电池组件进行至少一次充电(初始充电)。结果,不饱和碳酸酯可以被分解,并且非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比可以被降低。一般而言,外部电源被连接在电池组件的正电极(正电极端子)与负电极(负电极端子)之间,并且将电池组件充电(典型地,以恒定电流充电)到预定电压。
对在调节S22期间的到达电压(典型地,最大到达电压)不作特别限制,因为它依赖于例如要使用的活性材料、非水溶剂和不饱和碳酸酯的种类。典型地,负电极的电位可以被调整为高于要使用的不饱和碳酸酯的还原分解电位。在优选实例中,负电极的电位可以被调整为处于其中电池组件的充电状态(SOC)为65%到110%(典型地,80%到110%,例如,80%到105%)的电压范围内。例如,当以4.2V对电池进行满充电时,正负电极之间的电压可以被设定为3.8V至4.3V(优选地,3.95V至4.1V)。
此外,对充电方法不作特别限制。例如,可以使用以恒定电流将电池充电到该电压的方法(CC充电),或者可以使用以恒定电流将电池充电到该电压,然后以恒定电压对电池充电的方法(CCCV充电)。对CC充电率(charging rate)不作特别限制。当CC充电率过低时,处理效率(工作效率)很可能降低。另一方面,当CC充电率过高时,电池的耐久性可能因为将形成的膜不够致密而降低。从该观点来看,充电率可以被设定为约0.1C至5C(例如,0.5C至2C)。结果,可以在短时段内在负电极的表面上形成高质量(高致密性和低电阻)的膜。例如,充电可以被执行一次,或者可以被执行两次或更多次,其间可以进行放电。此外,在不影响电池特性的范围内,可以适当地进行其它操作(例如,压力施加或超声波照射)以促进非水电解液的还原分解。
在高温老化S24中,在调节S22之后,将电池组件加热到40℃或更高的高温范围,并且持续预定时段将该电池组件保持(放置)在该温度环境中。作为加热和保持电池组件的手段,例如可以使用温控恒温箱或红外加热器。在高温老化S24中,可以在调节S22之后使不饱和碳酸酯进一步分解。因此,非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比可以被准确地控制在预定范围内。此外,高温老化S24还具有使要被改善的在负电极的表面上形成的膜改性的效果(即,减小电阻以及充分抑制与非水电解液的反应)。另外,由于高温老化S24,例如,即使金属异物(例如,铁粉或铜粉)从外部(典型地,制造装置的构成部件)混入时,该金属异物也可以被溶解和分散为金属离子(例如,铁离子或铜离子)。因此,可以防止在电池中发生微小内部短路。
在优选实施例中,高温老化S24中的保持温度被设定为50℃或更高(优选地,55℃或更高)。结果,不饱和碳酸酯的分解反应适当地进行。因此,可以在相对短的时段内将非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比控制在上述范围内。在高温老化S24中,电池组件被保持在高温范围中,由此,处理负荷高。因此,从生产率和工作效率的提高以及成本的角度来看,特别优选在短时段内完成高温老化S24。从防止电池劣化的角度来看,保持温度的上限可以被设定为,典型地,80℃或更低(例如,70℃或更低,优选地,65℃或更低)。
在优选的实施例中,在高温老化S24的整个时段期间,保持在调节S22中所调整的端子间电压或其等效电压(例如,大约±0.5V)。使用诸如充电-放电装置(CCCV充电)的电压保持手段来保持电压。本发明的发明人构造出具有4.2V的满充电电压的电池,并且图3示出对在高温老化S24期间的保持电压与在下面描述的自放电测试时段(10天)期间的良品的电压降量ΔV之间的关系的调研的结果。在图3中,保持温度被固定在60℃,并且保持时间被固定在17小时以验证保持电压的依赖性。根据图3,在高温老化S24的整个时段期间,非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比可以通过将正负电极之间的电压保持在3.8V至4.2V(优选地,3.95V至4.1V)而被有效地降低。
电池组件在高温范围中的保持时间(在下文中,也称为“老化时间”或“高温老化时间”)不作特别限制,因为其依赖于例如保持温度、保持电压、以及非水电解液的配置(例如,在电池构造期间的不饱和碳酸酯的含量)。例如,作为老化时间,可以将从温度升高的开始起的总时间设定为约4小时至100小时(例如,10小时至50小时)。本发明的发明人构造出具有4.2V的满充电电压的电池,并且图4示出对在高温老化S24中所需要的时间与在非水电解液中剩余的不饱和碳酸酯的百分比之间的关系的调研的结果。在图4中,保持温度被固定在60℃以验证保持电压与保持时间(高温老化时间)的依赖性。根据图4,在高温老化时间与在非水电解液中剩余的不饱和碳酸酯的百分比之间建立有负比例关系(线性关系)。随着高温老化时间增加,不饱和碳酸酯的百分比很可能降低。随着保持电压增加,高温老化时间倾向于缩短。根据上面的结果可以说,非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比可以通过使高温老化S24的保持条件(例如,保持温度、保持电压和保持时间)的平衡而被准确地控制在预定范围内。另外,可以提高生率和工作效率,从而可以降低成本。
通过上述步骤,在活性化步骤S20之后在非水电解液中剩余的不饱和碳酸酯的百分比被调整为0.9质量%或更少(例如,0.5质量%至0.9质量%,优选地,0.7质量%至0.9质量%,更优选地,0.8质量%至0.9质量%)。结果,从生产率、工作效率和成本的角度出发,可以提供具有良好的总平衡的方法。可以使用一般的气相色谱-质谱仪(GC-MS)测量出不饱和碳酸酯的百分比。具体测量条件将在稍后描述的实例中被示出。
在自放电测试S30中,典型地在常温范围内,通过静置而使其中不饱和碳酸酯的百分比被调整的电池组件自放电,并且测量静置之前与之后的电压值之间的电压降量ΔV。结果,可以准确地评价和判定是否因为源自制造条件等的一些因素而发生内部短路。也就是,当在一定时段期间将其中发生内部短路的电池静置时,电流消耗由于自放电而增加,从而电压降量增加。因此,可以基于电压降量而判定在电池中是否发生内部短路。图2B是示出根据本发明的实施例的判定产品是良品还是劣品的方法的图。也就是,根据在该实施例中公开的技术,可以使良品的电压降量ΔV的绝对值减小,并且可以使图2B所示的指示良品组的中值的线的斜率变缓。由此,可以将从良品组的中值得到的3σ(偏差)抑制为小的。结果,良品组与劣品之间的电压降量的差进一步增大,从而易于判定在电池中是否发生内部短路。换言之,可以在早期阶段在电压降量上反映出良品组与劣品之间的差别,从而与相关技术相比,可以缩短自放电测试所需要的时间。也就是,可以在维持测试准确度的同时显著提升生产率和工作效率。例如,在相关技术中,对于大容量电池,自放电测试需要大约10天;而根据在该实施例中公开的技术,需要大约5天,所需要的时间可以基本上被减半。或者,当自放电测试的时间与相关技术中的时间相同时,可以通过使电压降量增加至大于图2B中的VA(将为VB)而以更高的准确度进行质量判定。
在质量判定S40中,基于在自放电测试S30中获得的结果判定电池组件是否“已发生内部短路”或“无内部短路”。具体地,首先,基于电压降量的测量结果设定用于质量判定的基准值。对设定基准值的方法不作特别限制。例如,可以采用多个电池组件的电压降量的算术平均值或中值作为基准值。接下来,计算基准值与每个电池组件的电压降量之间的差。当该差为预定阈值或更低时,该电池组件被判定为“无内部短路”。当该差超过预定阈值时,该电池组件被判定为“已发生内部短路”。对阈值不作特别限制,因为其依赖于目标电池的规格等。例如,阈值可以被设定为与大约2σ至4σ对应的值。移除基于上面的判定结果被判定为“已发生内部短路”的电池组件。结果,防止劣品继续到下一步骤,从而可以提供高度可靠的电池。
如上所述,根据在该实施例中公开的技术,可以在较短时段内制造高度可靠的电池。特别地,大容量非水二次电池具有自放电测试时段增加的问题。也就是,与小容量电池相比,在大容量电池中,更难判定源自内部短路的电压降。因此,难以在短时段内判定产品是良品还是劣品。结果,为了准确地进行判定,存在自放电测试时段增加的问题。因此,本发明的实施例特别有益于制造大容量非水二次电池,特别是理论容量为10Ah或更高(特别地,20Ah或更高)的非水二次电池。例如,此类大容量非水二次电池具有100Ah或更低的容量。
在质量判定S40中被判定为“无内部短路(良品)”的电池组件典型地在被调整SOC之后出货。换言之,在自放电测试S30之后的步骤中,不饱和碳酸酯的百分比基本恒定,直至实际使用开始。因此,例如,通过在出货之后立即收集电池并且测量非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比,可以近似地确定在自放电测试期间的不饱和碳酸酯的含量比。作为具体的步骤,首先,在惰性气氛中,在电池壳的顶表面上形成孔,然后通过该孔收集非水电解液。使用诸如气相色谱-质谱仪(GC-MS)、液相色谱-质谱仪(LC-MS)或离子色谱仪(IC)的装置分析该电解液,以定性和定量地分析不饱和碳酸酯以及源自不饱和碳酸酯的分解产物的化学物质。结果,可以推定在自放电测试S30期间的不饱和碳酸酯的百分比。
尽管并非旨在限制本发明,将描述根据本发明的实施例的非水二次电池作为例子,在该二次电池中,扁平卷绕电极体和非水电解液被容纳在扁平长方体电池壳中。在下面的附图中,具有相同功能的部件或部分由相同的参考标号表示,并且将不再作出重复的描述或将简化重复的描述。在每个图中,尺寸关系(例如,长度、宽度或厚度)不一定反映实际的尺寸关系。
图5是示意性地示出非水二次电池100的截面结构的纵截面图。在该非水二次电池100中,电极体(卷绕电极体)80和非水电解液60被容纳在扁平箱型电池壳50中,电极体80具有这样的配置:其中,狭长(elongated)正电极片10和狭长负电极片20之间夹着狭长隔板40而被卷绕成扁平状。
电池壳50包括:具有开放的上端的扁平长方体(箱形)电池壳体52;以及封盖该开口的盖54。在电池壳50的顶表面(即,盖54)中设置外部连接用正电极端子70和负电极端子72,正电极端子70被电连接到卷绕电极体80的正电极,负电极端子72被电连接到卷绕电极体80的负电极。与在相关技术中的非水二次电池的电池壳的情况同样地,盖54进一步包括安全阀55,该安全阀用于使从电池壳50的内部产生的气体释放到电池壳50的外部。另外,在电池壳50中,在被固定到盖54的正电极端子70与卷绕电极体80之间设置电流中断(interrupt)装置30,该电流中断装置由于电池壳的内部压力的增大而工作。当电池壳50的内部压力增大时,电流中断装置30通过断开从电极端子中的至少一者(这里,为正电极端子70)到卷绕电极体80的导电路径而中断充电电流。
在电池壳50中,容纳扁平卷绕电极体80和非水电解液60。该卷绕电极体80在组装之前的步骤中具有狭长片状结构(片状电极体)。正电极片10包括长的正电极集电体;以及在至少一个表面上(典型地,在两个表面上)沿纵向形成的正电极活性材料层14。负电极片20包括长的负电极集电体;以及在至少一个表面上(典型地,在两个表面上)沿纵向形成的负电极活性材料层24。此外,两个具有狭长片形状的隔板(隔板片)40被设置在正电极活性材料层14与负电极活性材料层24之间作为用于防止这两者直接接触的绝缘层。
在卷绕电极体80的宽度方向上的中心形成卷绕芯部,该宽度方向被定义为从卷绕轴向上的一个端部朝着另一端部的方向。卷绕芯部具有这样的配置:其中,正电极活性材料层14与负电极活性材料层24彼此重叠而被紧密地层叠。正电极活性材料层14在正电极集电体的表面上形成,负电极活性材料层24在负电极集电体的表面上形成。此外,正电极片10具有位于卷绕电极体80的在卷绕轴向上的一个端部处的正电极活性材料层非形成部。另一方面,负电极片20具有位于卷绕电极体80的在卷绕轴向上的另一端部处的负电极活性材料层非形成部。正电极活性材料层非形成部为未形成正电极活性材料层的部分。负电极活性材料层非形成部为未形成负电极活性材料层的部分。正电极活性材料层非形成部和负电极活性材料层非形成部分别从卷绕芯部向外突出。正电极集电板74被附到正电极侧的突出部(即,正电极活性材料层非形成部),并且被电连接到正电极端子70。负电极集电板76被附到负电极侧的突出部(即,负电极活性材料层非形成部),并且被电连接到负电极端子72。
使用在此公开的方法制造的非水二次电池(典型地,锂离子二次电池)可以被用于各种应用,并且可以具有高电池性能(例如,能量密度和耐久性)和高可靠性。因此,由于优异的特性,该非水二次电池可以适当地被用作例如车载电动机用动力源(驱动电源)。对车辆的类型不作特别限制,但是其典型的例子包括诸如插电式混合动力车辆(PHV)、混合动力车辆(HV)和电动车辆(EV)的车辆。由此,作为本发明的另一实施例,可以提供一种包括在此公开的非水二次电池(可以为电池组形式)中的任一种的车辆。
在下文中,将描述与本发明有关的几个实例,但是具体的实例并非旨在限制本发明。在这些实例中,在4小时到100小时的范围内改变活性化步骤的高温老化时间(老化的起点被设定为0小时)的同时,调研不饱和碳酸酯的百分比、电压降量ΔV和处理负荷。
下面描述根据本发明的实例的电池组件的构造。在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中将作为正电极活性材料粉末的Li1.00Ni0.38Co0.32Mn0.30O2粉末、作为导电材料的乙炔黑(AB)和作为粘结剂的聚偏氟乙烯(PVdF)相互混合以制备浆状组合物。使用该组合物涂覆狭长铝箔(正电极集电体)以在该铝箔上形成正电极活性材料层。对所获得的正电极进行干燥和施压,从而制备出片状正电极(正电极片)。接下来,在离子交换水中将作为负电极活性材料的炭黑粉末、丁苯橡胶(SBR)和羧甲基纤维素(CMC)相互混合以制备浆状组合物。使用该组合物涂覆狭长铜箔(负电极集电体)以在该铜箔上形成负电极活性材料层。对所获得的负电极进行干燥和施压,从而制备出片状负电极(负电极片)。
接下来,制备包括树脂基底和多孔耐热层的片作为隔板片。树脂基底具有其中在聚乙烯(PE)层的两个表面上都层叠有聚丙烯(PP)层的三层结构。多孔耐热层包含作为无机材料的氧化铝(Al2O3)和作为粘结剂的丙烯酸树脂,并且被形成在树脂基底的一个表面上。如上制备的正电极片和负电极片夹着隔板片而被层叠和卷绕。所获得的卷绕电极体被从其侧面挤压并形成为扁平状。在卷绕电极体中,正电极端子被接合到正电极集电体的端部,负电极端子被接合到负电极集电体的端部。
该电极体被容纳在方形电池壳中,然后将非水电解液注入电池壳内。作为非水电解液,使用利用使用下面的步骤而制备的溶液。将作为电解质的LiPF6以约1mol/L的浓度溶解在混合溶剂中,该混合溶剂包含体积比(EC:DMC:EMC)为30:40:30的碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)。另外,将1质量%(相对于非水电解液的总量)的碳酸亚乙烯酯(VC)、0.3质量%(相对于非水电解液的总量)的碳酸亚乙烯酯(VC)的2-丁炔-1,4-二醇二甲磺酸酯、以及作为气体产生剂的环己基苯(CHB)和联苯(BP)添加到所获得的溶液中。以此方式,构造电池组件(容量比(负电极的初始容量/正电极的初始容量):1.36,额定容量:25Ah)。
接下来,以20A的恒定电流对所构造的电池组件充电,直至正负电极端子之间的电压达到3.95V。进一步地,以3.95V的恒定电压对电池组件充电,直至电流达到0.2A(调节)。接下来,在调节之后,将电池组件置于温控恒温箱内以被加热到60℃,然后保持在60℃温度环境中,同时将电压保持在3.95V,直至从温度升高开始所经过的时间为4小时到100小时(高温老化)。调节和高温老化可以被视为活性化。
下面描述具有三键的磺酸化合物的百分比的测量。在高温老化之后从电池组件收集少量非水电解液,接着使用包含1:1质量比的水和乙腈的混合溶液对测量对象成分(碳酸亚乙烯酯)进行液-液萃取。在被丙酮稀释之后,在表1所示的条件下使用GC-MS分析测量对象成分,并且使用MS光谱基于保持时间(列中的保持时间)而识别出测量对象成分。尽管未示出其细节,但碳酸亚乙烯酯的保持时间为7.29分钟。结果被示出在表2中。
表1:GC-MS的测量条件
下面描述关于每个实例的质量检查。接下来,以60A的恒定电流对电池组件进行放电,直至正负电极端子之间的电压达到2.0V,并且测量其区间容量和IV电阻。接着,在被调整到3.3V(SOC为3%)之后,电池组件通过被静置10天而被自放电。通过从自放电之前的电压值减去自放电之后的电压值而计算电压降量ΔV。结果在表2中示出。此外,图6示出不饱和碳酸酯的百分比与电压降量ΔV之间的关系。此外,通过将高温老化步骤和自放电测试步骤所需要的时间乘以每个步骤中的每单位时间的成本而获得的乘积而计算出处理负荷。结果在表2中示出。另外,图6示出处理负荷与电压降量ΔV之间的关系。
表2
如表2所示,可以通过调整高温老化时间而准确地控制在非水电解液中剩余的不饱和碳酸酯的百分比。在此示出的实例中,通过在60℃的温度和3.95V的电压的环境下进行17小时或更长(例如,17小时至100小时)的高温老化,可以将非水电解液中的VC的百分比调整为0.9质量%或更少(例如,0.5质量%至0.9质量%)。此外,如表2和图6所示,通过在非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比被调整为0.9质量%或更少的状态下进行自放电测试,可以使良品的电压降量ΔV(绝对值)降到10mV或更低(优选地为6.55mV或更低)。结果,易于判定产品是良品还是劣品,并且与相关技术相比,可以在更短的时段内稳定地制造出高度可靠的电池。
在活性化中,在相同温度条件和电压条件下,随着非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比降低,活性化所需要的时间倾向于增加。特别地,在高温老化步骤中,电池组件被保持在高温范围中,由此,每单位时间的成本为高的。从该观点来看,优选地在短时段内完成高温老化。因此,如表2和图6所示,考虑到高温老化步骤和自放电测试步骤的处理负荷(所需要的时间×每单位时间成本),例如,在上述实例中,将高温老化时间设定为60小时或更短(特别地,34小时或更短)。结果,非水电解液中的不饱和碳酸酯的百分比被调整为0.7质量%或更多(0.8质量%或更多)。优选地在上面的状态下进行自放电测试。
在上文中,已详细地描述了本发明的具体实例。然而,这些实例仅仅为示例性的,而并非限制本发明。本发明包括上述具体实例的各种变型和变更。
Claims (6)
1.一种制造非水二次电池的方法,所述方法的特征在于包括:
构造具有正电极、负电极和非水电解液的电池组件,所述非水电解液包含不饱和碳酸酯;
使所述电池组件活性化以分解所述不饱和碳酸酯的一部分,以使得相对于100质量%的所述非水电解液的总量,所述不饱和碳酸酯的百分比被调整为0.5质量%或更多且0.9质量%或更少;
使所述电池组件自放电以测量电压降量;以及
基于所述电压降量判定在所述电池组件中是否发生内部短路。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于
通过所述活性化,所述非水电解液中的所述不饱和碳酸酯的百分比被调整为0.7质量%或更多。
3.根据权利要求1所述的方法,其中
通过所述活性化,所述非水电解液中的所述不饱和碳酸酯的百分比被调整为0.8质量%或更多。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于
所述活性化包括
调节,其中对所述电池组件初始充电,以及
老化,其中将所述电池组件保持在40℃或更高的温度环境中,并且
所述老化包括通过控制将所述电池组件保持在所述温度环境中的时间而调整所述非水电解液中的所述不饱和碳酸酯的百分比。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于
被用在所述构造中的所述非水电解液包含1质量%或更多的所述不饱和碳酸酯。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其特征在于
所述不饱和碳酸酯至少包括碳酸亚乙烯酯化合物。
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