一种储能器件的补锂方法技术

本发明专利技术涉及一种储能器件补充锂的方法。该方法为：首先采用除放置芯包的腔室外，还具有m个其他腔室的器件壳体；并将芯包和补锂电极分别放置于芯包腔室和其他腔室中，注入电解液后使芯包和补锂电极所在腔室富含电解液；然后对芯包进行化成处理后，进行电化学嵌锂，得到A；或；以先进行电化学嵌锂；再对芯包进行化成处理，得到B；得到A、B后，对其进行n次充放电循环处理后，抽出芯包腔室所含气体和富余电解液，封闭芯包腔室和其他腔室之间的连通通道，得到C；最后对所得C经除腔处理后，得到D，加工整形D，得到储能器件成品。本发明专利技术操作简便，不对现有锂电池生产工艺产生大的改动，极易连续化生产。本发明专利技术所取得效果明显，便于大规模工业化应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于储能器件领域，具体涉及一种储能器件补充锂的方法，所述储能器件包括锂离子电池、锂硫电池、锂离子电容器、无锂源锂离子电池。
技术介绍
锂离子电池由于具有高电压、高能量密度和长循环寿命的优势，成为应用范围最广的二次电池之一。但随着便携式电子设备微型化、长待机的不断发展，以及电动自行车、电动汽车等大功率、高能量设备的启用，都对作为储能电源的锂离子电池的能量密度的提出了越来越高的要求。目前以石墨为负极的锂离子电池中，Li+均来自于正极材料，电池首次充电会在负极表面形成SEI膜消耗部分Li+，造成正极材料锂的损失，从而降低电池的容量(首次容量损失约7％～10％)。随着对电池容量的要求越来越高，硅负极材料逐渐应用于锂离子电池，但嵌入硅负极的Li+部分不能脱出，另外形成SEI膜同样需要消耗部分Li+，两者共同作用使得硅负极首次充放电效率约为60％～70％，正极材料Li+损失超过30％，极大降低电池容量。因此，通过预嵌锂补充电池首次充放电过程中损失的Li+，对高容量锂离子电池生产具有重大意义。锂硫电池由于其具有非常高的理论比容量(1675mAh/g)与能量密度(2567Wh/kg)，同时，硫资源丰富、价格低廉、对环境友好，有望成为下一代高能量密度的储能器。目前锂硫电池多采用金属锂作为负极，在充电过程中，很容易在负极表面形成锂枝晶，刺穿隔膜造成短路从而产生安全问题，这些缺点阻碍着锂硫电池走向商品化应用。针对此问题，有研究者提出以硫为正极、以石墨、硬碳或硅为负极的新型无锂源锂离子电池。此类电池正负极材料均不含锂，因此制作过程中必须进行预嵌锂。锂离子电容器是一种兼具双电层电容器高功率特性和锂离子电容器高能量特性的一种新型混合型超级电容器，该电容器是由电容性活性炭作正极、电池性炭材料(如天然石墨、中间相炭微球、软炭、硬炭等)作负极构成的混合型电容器，具有传统双电层电容器3倍以上的能量密度，因而在风力发电、微网储能以及军工航天等领域具有非常广泛的应用前景。由于锂离子电容器正负极材料均不含锂离子，因此在制作过程中必须对电极材料进行预嵌锂。综上所述，锂离子电池、锂硫电池、无锂源锂离子电池、锂离子电容器均需要进行预嵌锂，且以上几种电化学储能器件结构上较为相似，因此预嵌锂方法具有一定的相通性。目前锂离子电容器预嵌一般都采用富士重工业专利技术专利CN101138058B中的方法，即以锂金属为锂源，使用具有通孔的金属箔为集流体，将锂金属放置于负极相对的位置，通过短接锂金属与负极，利用锂金属与负极之间的电势差放电从而将锂嵌入负极中。申请号为CN200580001498.2的专利，锂源电极是将金属锂压接在不锈钢网上，插入正负电极组的一侧或两侧，将锂源的不锈钢网集流体与负极集流体焊接在一起，注入电解液后密封，由于锂源与负极是短路状态，经长时间搁置后，锂金属被插进入负极。这些预嵌锂方法都存在以下问题：(1)锂箔化学性质极为活泼，对生产过程环境要求极高，增加了制造工艺复杂度；(2)锂金属存在于器件中占据一定体积，降低了器件的能量密度；(3)锂金属无法完全消耗掉，残留于器件内会增加安全隐患。为了解决生产和使用过程中的安全性问题，专利CN200710098687.7提出了将非金属锂源(含锂化合物)按一定比例加入正极中，通过电容器活化使负极插入一定比例的锂离子。专利CN105489395A提出将富锂化合物粉末涂布成电极安装于锂离子电容器芯包上下两面，通过电化学方法将锂嵌入电容器电极中。此类方法以富锂化合物代替金属锂作锂源，解决了对生产环境要求高及安全性问题，但由于富锂化合物粉末或富锂化合物电极位于器件内部，仍会降低器件能量密度。针对锂离子电池预嵌锂问题，美国FMC公司在专利CN1830110A中提出采用表面包覆有钝化层的稳定金属锂粉(SLMP)混入电极材料中，注入电解液后利用锂粉与负极材料之间电位差进行预嵌锂。随后，国内外研究者将FMC公司生产的稳定锂粉用于锂离子电池预嵌锂(NanoLetters,2013,13(9):4158-4163)，取得了较好的效果。ATL公司针对金属锂粉预嵌锂(201310044379.1)以及锂粉分散(201410412801.9)、进料涂布(201210237240.4)、辊压装置(201510655858.6)等方面技术申请了一系列专利。稳定性锂粉(SLMP)预嵌锂技术优势在于锂粉表面经过钝化，可在干燥环境下直接进行涂布及辊压，相对锂金属而言生产环境要求较低，故可实现连续生产。但是，稳定性锂粉生产难度大，成本高昂且产量低，这限制了其大规模商业化应用。另外，稳定性锂粉通过形成微原电池进行补锂，补锂过程电极各部位嵌锂电流不可控且不均匀，而且补锂过程发生在电解液注入之后，先于电池化成过程，因此锂粉补锂会严重影响电池SEI膜结构，最终降低电池的稳定性及一致性。
技术实现思路
本专利技术提出一种储能器件补充锂的方法，目的在于综合解决现有补锂技术存在的问题。本专利技术一种储能器件的补锂方法；所述补锂方法包括以下步骤：步骤一采用除放置芯包的腔室外，还具有m个其他腔室的器件壳体，其所有腔室之间有相互连通通道；步骤二将芯包和补锂电极分别放置于芯包腔室和其他腔室中，注入电解液后使芯包和补锂电极所在腔室富含电解液；步骤四对芯包进行化成处理后，以补锂电极为阳极，芯包中正极和/或负极为阴极，进行电化学嵌锂，得到A；或以补锂电极为阳极，芯包中正极和/或负极为阴极，进行电化学嵌锂；然后切断外接电源，并对芯包进行化成处理，得到B步骤五对A或B进行n次充放电循环处理后，抽出芯包腔室所含气体和富余电解液，封闭芯包腔室和其他腔室之间的连通通道，，得到C；步骤六步骤五所得C经除腔处理后，得到D，加工整形D，得到储能器件成品；所述除腔处理是去除步骤五所得C中除芯包腔体之外包括补锂电极所在腔室的其他腔室。作为优选方案，本专利技术一种储能器件的补锂方法，所述m的取值为1～5中任意一个整数。作为优选方案，本专利技术一种储能器件的补锂方法，所述补锂电极为锂金属或锂合金电极、锂金属或锂合金粉末电极、含锂化合物电极中的任意一种。作为优选方案，本专利技术一种储能器件的补锂方法，所述含锂化合物电极为由LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMnO4、LiMn2O4、Li4Ti5O2、LiNi1/2Mn3/2O4、LiFePO4、LiNiMnCoO2、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、Li2FeSiO4、LiFeSO4F、LiV3O8、LiVO2、LixMPO2、LiM/PO4中的至少一种物质组成的电极；所述LixMPO2中的M选自Fe、Mn、V、Ni、Co中的至少一种；所述LiMPO4中的M选自Fe、Mn、Ni、Co中的至少一种。作为优选方案，本专利技术一种储能器件的补锂方法，所述芯包由正极片、负极片以及位于正负极之间的隔膜通过卷绕或叠片制成。作为优选方案，本专利技术一种储能器件的补锂方法，所述正极片由集流体及涂覆于集流体上的正极材料组成；所述集流体为具有贯通孔的铝箔，所述铝箔的孔隙率为0％～30％；所述正极材料为含锂氧化物电极材料、含硫电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种储能器件的补锂方法；其特征在于所述补锂方法包括以下步骤：步骤一采用除放置芯包的腔室外，还具有m个其他腔室的器件壳体，其所有腔室之间有相互连通通道；步骤二将芯包和补锂电极分别放置于芯包腔室和其他腔室中，注入电解液后使芯包和补锂电极所在腔室富含电解液；步骤四对芯包进行化成处理后，以补锂电极为阳极，芯包中正极和/或负极为阴极，进行电化学嵌锂，得到A；或以补锂电极为阳极，芯包中正极和/或负极为阴极，进行电化学嵌锂；然后对芯包进行化成处理，得到B；步骤五对A或B进行n次充放电循环处理后，抽出芯包腔室所含气体和富余电解液，封闭芯包腔室和其他腔室之间的连通通道，得到C；步骤六步骤五所得C经除腔处理后，得到D，加工整形D，得到储能器件成品；所述除腔处理是去除步骤五所得C中除芯包腔体之外包括补锂电极所在腔室的其他腔室。

【技术特征摘要】
1.一种储能器件的补锂方法；其特征在于所述补锂方法包括以下步骤：步骤一采用除放置芯包的腔室外，还具有m个其他腔室的器件壳体，其所有腔室之间有相互连通通道；步骤二将芯包和补锂电极分别放置于芯包腔室和其他腔室中，注入电解液后使芯包和补锂电极所在腔室富含电解液；步骤四对芯包进行化成处理后，以补锂电极为阳极，芯包中正极和/或负极为阴极，进行电化学嵌锂，得到A；或以补锂电极为阳极，芯包中正极和/或负极为阴极，进行电化学嵌锂；然后对芯包进行化成处理，得到B；步骤五对A或B进行n次充放电循环处理后，抽出芯包腔室所含气体和富余电解液，封闭芯包腔室和其他腔室之间的连通通道，得到C；步骤六步骤五所得C经除腔处理后，得到D，加工整形D，得到储能器件成品；所述除腔处理是去除步骤五所得C中除芯包腔体之外包括补锂电极所在腔室的其他腔室。2.根据权利要求1所述的一种储能器件的补锂方法，其特征在于：所述m的取值为1～5中任意一个整数。3.根据权利要求1所述的一种储能器件的补锂方法，其特征在于：所述补锂电极为锂金属或锂合金电极、锂金属或锂合金粉末电极、含锂化合物电极中的任意一种。4.根据权利要求3所述的一种储能器件的补锂方法，其特征在于：所述含锂化合物电极为由LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMnO4、LiMn2O4、Li4Ti5O2、LiNi1/2Mn3/2O4、LiFePO4、LiNiMnCoO2、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、Li2FeSiO4、LiFeSO4F、LiV3O8、LiVO2、LixMPO2、LiMPO4中的至少一种物质组成的电极；所述LixMPO2中的M选自Fe、Mn、V、Ni、Co中的至少一种；所述LiMPO4中的M选自Fe、Mn、Ni、Co中的至少一种。5.根据权利要求1所述的一种储能器件的补充锂方法，其特征在于：所述芯包由正极片、负极片以及位于正负极之间的隔膜通过卷绕或叠片制成。6.根据权利要求5所述的一种储能器件的补充锂方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪波，赖延清，闫霄林，张治安，张凯，李劼，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43