[發(fā)明專利]一種鋰離子電池原位預(yù)鋰化的方法及鋰離子電池

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811566396.0
• 申請日: 2018-12-20
• 公開（公告）號: CN109671999B
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 武兆輝;邵澤超;王建濤;武佳雄;馬磊磊;李翔;龐靜;盧世剛
• 申請（專利權(quán)）人: 國聯(lián)汽車動力電池研究院有限責(zé)任公司
• 主分類號: H01M10/44
• 分類號: H01M10/44;H01M4/38;H01M10/0525
• 代理公司: 北京北新智誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11100
• 代理人: 劉秀青

本發(fā)明公開了一種鋰離子電池原位預(yù)鋰化的方法及鋰離子電池。該方法包括以下步驟：(1)將硅基負(fù)極材料與正極材料匹配，組裝成鋰離子電池，其中硅基負(fù)極材料的嵌鋰容量為N1，脫鋰容量為N2；正極材料充電容量為P1，放電容量為P2，N2/N1＞P2/P1，N1/P1＜N2/P2，N2/P2的值為1.02～1.20，N1/P1的值為0.85～1.05；(2)將鋰離子電池進(jìn)行分階段活化，第一階段：充電至容量不高于N1/P1×100％SOC₁，放電至不低于電池設(shè)計(jì)電壓范圍的下限電壓；第二階段：充電至容量不高于100％SOC₂，放電至不低于電池設(shè)計(jì)電壓范圍的下限電壓，活化3?30周。本發(fā)明未增加鋰離子電池的制作工序，操作安全方便。包含該方法原位預(yù)鋰化的硅基負(fù)極的鋰離子電池具有高能量密度、長循環(huán)等特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鋰離子電池原位預(yù)鋰化的方法及鋰離子電池，屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋰離子電池具有比能量高、循環(huán)壽命長、自放電低等優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電子產(chǎn)品中。近年來，隨著材料的進(jìn)步和生產(chǎn)技術(shù)的提高，鋰離子電池已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在純電動汽車(EV)和混合電動汽車(PHEV)領(lǐng)域。純電動汽車的續(xù)航里程與單體電池的能量密度直接相關(guān)，因此提高單體電池的能量密度，是提高純電動汽車?yán)m(xù)航里程的關(guān)鍵。

鋰離子電池主要是由正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液等組成的，其中正負(fù)極材料的選擇，是影響鋰離子電池能量密度的關(guān)鍵因素。富鋰錳基正極材料的化學(xué)式為xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂，其中M為過渡金屬。富鋰錳基正極材料的容量高達(dá)250mAh/g，材料成本低，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，富鋰錳基材料xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂在首次充電時(shí)，充電電壓高于4.5V時(shí)，Li₂MnO₃組分得到活化，鋰層和過渡金屬中的鋰一起脫出，并伴隨有O₂的釋放而形成層狀的MnO₂，充電曲線上會出現(xiàn)一個(gè)脫鋰伴隨脫氧的平臺，使得比容量高于250mAh/g，放電時(shí)，因?yàn)檠醯拿摮霎a(chǎn)生的空位被過渡金屬陽離子占據(jù)，使充電時(shí)脫出的部分鋰離子的回嵌受到阻礙，造成首次不可逆容量損失。因此富鋰錳基固溶體正極材料的首次庫倫效率通常較低。較低首次庫倫效率的正極材料在匹配首效高的負(fù)極材料時(shí)，為了確保電池在充電過程中不析鋰，需負(fù)極的放電容量大量過量，增加了負(fù)極的用量，不利于電池的比能量提升。

硅在常溫下嵌鋰可以形成Li₄Si₁₅合金，理論比容量高達(dá)3579mAh/g，約為石墨類負(fù)極的十倍。但是硅材料在嵌/脫鋰過程中體積會發(fā)生巨大的變化，在滿鋰態(tài)時(shí)的體積膨脹率高達(dá)260％。這種巨大的體積變化會造成硅表面的SEI膜不斷的破裂-生成，因此導(dǎo)致循環(huán)過程中的庫倫效率較低。將納米硅(Si)或硅氧(SiOx)與石墨類材料復(fù)合，形成的Si/C或SiOx/C復(fù)合材料可以有效緩解Si材料的體積膨脹，目前Si/C和SiOx/C材料已經(jīng)逐漸被商業(yè)化應(yīng)用。由于硅材料固有的體積變化，硅碳或硅氧碳復(fù)合材料在循環(huán)前期，SEI膜仍不穩(wěn)定。因此組成全電池時(shí)，循環(huán)庫倫效率上升較緩慢，導(dǎo)致正極Li損耗嚴(yán)重，循環(huán)前期容量衰減較快。

為了解決硅基負(fù)極在循環(huán)前期效率較低的問題，常用的方法是對硅基負(fù)極進(jìn)行預(yù)鋰化。目前常用的預(yù)鋰化方法主要是將金屬鋰粉(SLMP)輥入到負(fù)極中，或者使用電化學(xué)的方法對負(fù)極進(jìn)行預(yù)嵌鋰等。這些方法使電池的制作流程變得更加復(fù)雜，對生產(chǎn)環(huán)境的要求比較高，增大了產(chǎn)生成本，并且存在較嚴(yán)重的安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決鋰離子電池硅基負(fù)極循環(huán)前期庫倫效率低、容量衰減快的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種鋰離子電池硅基負(fù)極原位預(yù)鋰化的方法，該方法切實(shí)可行，能夠提高鋰離子電池的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：