一种石墨基负极的锂离子电池的化成方法

摘要

本发明提供了一种石墨基负极的锂离子电池的化成方法，所述石墨基负极包括以石墨为主的活性材料层，以及位于活性材料层表面纳米碳硅复合材料层，所述化成方法包括将所述负极置于第一电解液中，使用锂片作为对电极，进行预化成；然后将预化成后的负极取出，组装成电池，注入第二电解液，进行化成。经过本发明的方法得到的电池，性能稳定，循环性能好。

权利要求

1.一种石墨基负极的锂离子电池的化成方法，所述石墨基负极包括石墨活性材料的活性材料层，以及位于活性材料层表面纳米碳硅复合材料层，所述石墨活性材料的粒径D50为

3.4-3.6微米，D10为2.2微米以上，所述纳米碳硅复合材料为碳包覆硅纳米颗粒，粒径D50为

200-400nm，所述化成方法包括：

1)将所述石墨基负极置于第一电解液中，使用锂片作为对电极，所述第一电解液中的溶剂为碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯，电解质锂盐中锂离子的浓度为0.4-0.8mol/L，添加剂为VC，浓度为10体积％以上；

2)以0.02-0.05C的电流充放电循环若干次；

3)取出所述石墨基负极，与正极，隔膜组装成电芯装入电池壳体中；

4)注入第二电解液，所述第二电解液中的溶剂为碳酸乙烯酯，碳酸二甲酯和碳酸丙烯酯，电解质锂盐中锂离子的浓度为1mol/L以上，添加剂为环己基苯和1,4-丁内酯；

5)以0.02-0.05C的电流恒流充电至第一预定电压，所述第一预定电压为3.6V以下；

6)然后在第一预定电压和第二预定电压之间，采用0.02-0.05C的电流恒流充放电循环若干次，所述第二预定电压低于第一预定电压；

7)以0.05-0.1C充电至充电截止电压，在该电压下恒压充电，直至充电电流低于截止电流；

8)在充电截止电压和放电截止电压之间恒流充放电循环若干次得到所述电池。

2.如上述权利要求1所述的化成方法，所述活性材料层和所述纳米碳硅复合材料层的厚度比为75:25-95:5。

3.如上述权利要求1所述的化成方法，其中所述第一电解液中的溶剂为体积比1:1碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯。

4.如上述权利要求1所述的化成方法，所述第二电解液中的溶剂为体积比1:2:1碳酸乙烯酯，碳酸二甲酯和碳酸丙烯酯。

5.如上述权利要求1所述的化成方法，所述第一电解液中VC浓度为10体积％以上且15体积％以下。

6.如上述权利要求1所述的化成方法，所述第二电解液中环己基苯的含量为2.2-2.5体积％；1,4-丁内酯的含量为0.5-1体积％。

7.如上述权利要求1所述的化成方法，所述正极材料为磷酸铁锂，所述第一预定电压为

3.5V，第二预定电压为3.45V。

8.一种锂离子电池，所述电池由权利要求1-7任一项所述的方法制备得到。

说明书

一种石墨基负极的锂离子电池的化成方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种石墨基负极的锂离子电池的化成方法。

背景技术

[0002] 锂离子电池由于具有较高的能量密度而被广泛用于便携式电子器件中,将来则要面向混合动力汽车和无间歇能量供应等领域。其中负极材料对电池的能量密度和循环及安
全性能具有重要影响。锂离子电池的负极材料包括碳材料、过渡金属氧化物,锡基和硅基材
料等，虽然经过多年研发，过渡金属氧化物,锡基和硅基材料等展现出超出碳材料的良好性
能，但是从原料的来源和成本上来看，碳材料依然是最主流的材料，而碳材料中，石墨基材
料作为来源最广泛，成本最低廉的材料，作为研究的重点。

发明内容

[0003] 本发明提供了一种石墨基负极的锂离子电池的化成方法，所述石墨基负极包括以石墨为主的活性材料层，以及位于活性材料层表面纳米碳硅复合材料层，所述化成方法包
括将所述负极置于第一电解液中，使用锂片作为对电极，进行预化成；然后将预化成后的负
极取出，组装成电池，注入第二电解液，进行化成。经过本发明的方法得到的电池，性能稳
定，循环性能好。

[0004] 具体的方案如下：

[0005] 一种石墨基负极的锂离子电池的化成方法，所述石墨基负极包括石墨活性材料的活性材料层，以及位于活性材料层表面纳米碳硅复合材料层，所述石墨活性材料的粒径D50
为3.4-3.6微米，D10为2.2微米以上，所述纳米碳硅复合材料为碳包覆硅纳米颗粒，粒径D50
为200-400nm，所述化成方法包括：

[0006] 1)将所述负极置于第一电解液中，使用锂片作为对电极，所述第一电解液中的溶剂为碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯，电解质锂盐中锂离子的浓度为0.4-0.8mol/L，添加剂为VC，
浓度为10体积％以上；

[0007] 2)以0.02-0.05C的电流充放电循环若干次；

[0008] 3)取出所述负极，与正极，隔膜组装成电芯装入电池壳体中；

[0009] 4)注入第二电解液，所述第二电解液中的溶剂为碳酸乙烯酯，碳酸二甲酯和碳酸丙烯酯，电解质锂盐中锂离子的浓度为1mol/L以上，添加剂为环己基苯和1,4-丁内酯；

[0010] 5)以0.02-0.05C的电流恒流充电至第一预定电压，所述第一预定电压为3.6V以下；

[0011] 6)然后在第一预定电压和第二预定电压之间，采用0.02-0.05C的电流恒流充放电循环若干次，所述第二预定电压低于第一预定电压；

[0012] 7)以0.05-0.1C充电至充电截止电压，在该电压下恒压充电，直至充电电流低于截止电流；

[0013] 8)在充电截止电压和放电截止电压之间恒流充放电循环若干次得到所述电池。

[0014] 进一步的，所述活性材料层和所述纳米碳硅复合材料层的厚度比为75:25-95:5。

[0015] 进一步的，其中所述第一电解液中的溶剂为体积比1:1碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯。

[0016] 进一步的，所述第二电解液中的溶剂为体积比1:2:1碳酸乙烯酯，碳酸二甲酯和碳酸丙烯酯。

[0017] 进一步的，所述第一电解液中VC浓度为10体积％以上且15体积％以下。

[0018] 进一步的，所述第二电解液中环己基苯的含量为2.2-2.5体积％；1,4-丁内酯的含量为0.5-1体积％。

[0019] 进一步的，所述正极材料为磷酸铁锂，所述第一预定电压为3.5V，第二预定电压为3.45V。

[0020] 进一步的，一种锂离子电池，所述电池由所述的方法制备得到。

[0021] 本发明具有如下有益效果：

[0022] 1)、石墨基材料由于具有石墨层结构，带有支链的碳酸酯类溶剂，尤其是碳酸丙烯酯容易在石墨表面嵌入插层结构，导致石墨层结构崩塌导致循环寿命较低，研发人员在石
墨负极表面涂覆碳硅复合材料，能够有效避免石墨和电解液的直接接触，并且碳硅负极材
料也可以作为活性材料，不会降低负极的能量密度，而经过无数次试验表明，当石墨材料和
碳硅负极材料的粒径在本发明的粒径范围内时，两层活性物质层的结合性能最好；

[0023] 2)、通过在第一电解液中的预化成过程，在碳负极表面形成致密SEI膜，这样在组成电池之后，就能够避免电解液在活性材料附近反应。

[0024] 3)、第一电解液中采用低浓度锂离子，小电流化成，能够提高SEI膜的致密性能；由预化成过程未在电池中进行，因此，添加剂的含量范围能够更加灵活，不需要考虑电池的能
量倍率，因此，采用大剂量的VC能够更好地成膜，并且锂片作为对电极，随时补充损失的锂
离子，第一电解液也能够循环使用。

[0025] 4)、第二电解液中加入环己基苯，1,4-丁内酯能够有效提高循环性能，并且针对第二电解液的成分，选择在工作电压平台以下的电压区间进行充放电循环，能够缩短循环时
间，提高成膜效率，而预定电压跟正极活性物质有关，当采用磷酸铁锂时，研究人员发现在
3.45-3.5V附近的窄距电压区间循环能够有效提高电池的寿命。

具体实施方式

[0026] 本发明下面将通过具体的实施例进行更详细的描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。

[0027] 正极材料为磷酸铁锂，负极包括石墨活性材料的活性材料层，以及位于活性材料层表面纳米碳硅复合材料层，所述石墨活性材料的粒径D50为3.4-3.6微米，D10为2.2微米
以上，所述纳米碳硅复合材料为碳包覆硅纳米颗粒，粒径D50为200-400nm。

[0028] 表1

[0029]

[0030] 实施例1

[0031] 1)将所述负极置于第一电解液中，使用锂片作为对电极，所述第一电解液中的溶剂为体积比1:1碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯，六氟磷酸锂的浓度为0.4mol/L，添加剂为VC，浓
度为10体积％；

[0032] 2)以0.02C的电流在0.1V至0.8V的电压范围充放电循环3次；

[0033] 3)取出所述负极，与磷酸铁锂正极，隔膜组装成电芯装入电池壳体中；

[0034] 4)注入第二电解液，所述第二电解液中的溶剂为体积比1:2:1碳酸乙烯酯，碳酸二甲酯和碳酸丙烯酯，六氟磷酸锂的的浓度为1mol/L，添加剂为环己基苯和1,4-丁内酯，其中
环己基苯的含量为2.2体积％；1,4-丁内酯的含量为0.5体积％；

[0035] 5)以0.02C的电流恒流充电至3.5V；

[0036] 6)然后在3.5V和3.45V之间，采用0.02C的电流恒流充放电循环5次；

[0037] 7)以0.05C充电至4.2V，在该电压下恒压充电，直至充电电流低于0.01C；

[0038] 8)在4.2V和2.7V之间以0.1C恒流充放电循环3次得到所述电池。

[0039] 实施例2

[0040] 1)将所述负极置于第一电解液中，使用锂片作为对电极，所述第一电解液中的溶剂为体积比1:1碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯，六氟磷酸锂的浓度为0.8mol/L，添加剂为VC，浓
度为15体积％；

[0041] 2)以0.05C的电流在0.1V至0.8V的电压范围充放电循环3次；

[0042] 3)取出所述负极，与磷酸铁锂正极，隔膜组装成电芯装入电池壳体中；

[0043] 4)注入第二电解液，所述第二电解液中的溶剂为体积比1:2:1碳酸乙烯酯，碳酸二甲酯和碳酸丙烯酯，六氟磷酸锂的的浓度为1mol/L，添加剂为环己基苯和1,4-丁内酯，其中
环己基苯的含量为2.5体积％；1,4-丁内酯的含量为1体积％；

[0044] 5)以0.05C的电流恒流充电至3.5V；

[0045] 6)然后在3.5V和3.45V之间，采用0.05C的电流恒流充放电循环5次；

[0046] 7)以0.1C充电至4.2V，在该电压下恒压充电，直至充电电流低于0.01C；

[0047] 8)在4.2V和2.7V之间以0.1C恒流充放电循环3次得到所述电池。

[0048] 实施例3

[0049] 1)将所述负极置于第一电解液中，使用锂片作为对电极，所述第一电解液中的溶剂为体积比1:1碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯，六氟磷酸锂的浓度为0.6mol/L，添加剂为VC，浓
度为13体积％；

[0050] 2)以0.03C的电流在0.1V至0.8V的电压范围充放电循环3次；

[0051] 3)取出所述负极，与磷酸铁锂正极，隔膜组装成电芯装入电池壳体中；

[0052] 4)注入第二电解液，所述第二电解液中的溶剂为体积比1:2:1碳酸乙烯酯，碳酸二甲酯和碳酸丙烯酯，六氟磷酸锂的的浓度为1mol/L，添加剂为环己基苯和1,4-丁内酯，其中
环己基苯的含量为2.3体积％；1,4-丁内酯的含量为0.8体积％；

[0053] 5)以0.03C的电流恒流充电至3.5V；

[0054] 6)然后在3.5V和3.45V之间，采用0.03C的电流恒流充放电循环5次；

[0055] 7)以0.08C充电至4.2V，在该电压下恒压充电，直至充电电流低于0.01C；

[0056] 8)在4.2V和2.7V之间以0.1C恒流充放电循环3次得到所述电池。

[0057] 对比例1

[0058] 1)将所述负极，与磷酸铁锂正极，隔膜组装成电芯装入电池壳体中；

[0059] 2)注入第二电解液，所述第二电解液中的溶剂为体积比1:2:1碳酸乙烯酯，碳酸二甲酯和碳酸丙烯酯，六氟磷酸锂的的浓度为1mol/L，添加剂为环己基苯和1,4-丁内酯，其中
环己基苯的含量为2.3体积％；1,4-丁内酯的含量为0.8体积％；

[0060] 3)以0.03C的电流恒流充电至3.5V；

[0061] 4)然后在3.5V和3.45V之间，采用0.03C的电流恒流充放电循环5次；

[0062] 5)以0.08C充电至4.2V，在该电压下恒压充电，直至充电电流低于0.01C；

[0063] 6)在4.2V和2.7V之间以0.1C恒流充放电循环3次得到所述电池。

[0064] 对比例2

[0065] 1)将所述负极置于第一电解液中，使用锂片作为对电极，所述第一电解液中的溶剂为体积比1:1碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯，六氟磷酸锂的浓度为0.6mol/L，添加剂为VC，浓
度为13体积％；

[0066] 2)以0.03C的电流在0.1V至0.8V的电压范围充放电循环3次；

[0067] 3)取出所述负极，与磷酸铁锂正极，隔膜组装成电芯装入电池壳体中；

[0068] 4)注入第二电解液，所述第二电解液中的溶剂为体积比1:2:1碳酸乙烯酯，碳酸二甲酯和碳酸丙烯酯，六氟磷酸锂的的浓度为1mol/L，添加剂为环己基苯和1,4-丁内酯，其中
环己基苯的含量为2.3体积％；1,4-丁内酯的含量为0.8体积％；

[0069] 5)以0.08C充电至4.2V，在该电压下恒压充电，直至充电电流低于0.01C；

[0070] 6)在4.2V和2.7V之间以0.1C恒流充放电循环3次得到所述电池。

[0071] 对比例3

[0072] 第一电解液中不含有VC，其他工艺与实施例3相同。

[0073] 对比例4

[0074] 第二电解液中不含有环己基苯，其他工艺与实施例3相同。

[0075] 对比例5

[0076] 第二电解液中不含有1,4-丁内酯，其他工艺与实施例3相同。

[0077] 对比例6

[0078] 所述负极不含有碳硅复合纳米材料层，其他工艺与实施例3相同。

[0079] 对比例7

[0080] 其中石墨活性材料的粒径D50为3.4微米，D10为2微米，所述纳米碳硅复合材料为碳包覆硅纳米颗粒，粒径D50为300nm，其他工艺与实施例3相同。

[0081] 测试及结果

[0082] 将实施例1-3和对比例1-7的电池，以1C的倍率循环200次，记录电池的容量保持率。结果见表2，由表2可见，碳硅复合纳米材料层的设置，活性材料粒径的选择，预化成工
艺，以及特定电压范围的恒压化成，均对电池的循环性能产生极大的影响。

[0083] 表2

[0084]

[0085]

[0086] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但是应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。