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化成——锂电池生产工艺中不可忽视的一环-凯发k8娱乐官网入口

2023-01-30 来源:ofweek锂电网

锂电池的生产工艺是非常复杂的,包含多种工序,化成是其中不可忽视的一环,它对锂电池性能的影响至关重要。

化成定义

锂电池化成是锂电池注液后对电池的首次充电过程。

该过程可以激活电池中的活性物质,使锂电池活化。同时,锂盐与电解液发生副反应,在锂电池的负极侧生成固态电解质界面(sei)膜,该层膜可阻止副反应进一步的发生,从而减少锂电池中活性锂的损失。sei的好坏对锂电池的循环寿命、初始容量损失、倍率性能等有着很大影响(在接下来维科网技术类文章中,会着重介绍sei膜,欢迎持续关注)。

化成工艺的类型

根据锂电池化成时温度、电流、注液口等条件的不同,化成工艺可分为下几类(引自:葛浩,锂电池自动化成技术的研究及实现)

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图片来源:维科网锂电

1. 高温化成:充放电过程中,电芯始终处于高温环境中,高温可提高电化学反应速率和sei 膜成型速率形成的sei 膜一致性较高但疏松、不稳定。

2. 低温化成:充放电过程中,电芯始终处于低温环境中,低温过程形成的 sei膜致密稳定,但反应速率慢,化成时间较长

3. 大电流化成:化成过程中,充放电电流始终处于0.5c1c2c较大电流,大电流可提高电化学反应速率和sei膜成型速率,但形成的sei膜一致性不高、疏松且不稳定。

4. 小电流化成:化成过程中,充放电电流始终处于0.02c0.05c较小电流,小电流过程形成的sei膜致密稳定,但反应速率的降低会延长化成时间。

5. 开口化成:充放电过程中,电芯注液口始终处于常压开放状态,电化学反应产生的气体可以及时排除,提高了sei膜成型的一致性。化成设备简单成本低但静置时间长,环境湿度条件要求高。

6. 闭口化成:充放电过程中,电芯注液口始终处于密封状态,化成过程无环境湿度条件要求。但化成设备工艺复杂,电芯壳体存在塑性变形风险。

7. 负压化成:充放电过程中,从注液口处将电芯抽真空至-80kpa。负压化成可将产生的气体及时排除,保证了sei膜的稳定性和一致性。但化成设备复杂且对气密性要求较高,此外在抽真空过程中会产生电解液损耗。

不同化成条件对电池性能的影响

化成电流密度:电流密度大,晶核形成速度快,会导致sei膜的结构疏松,且在负极表面附着不牢固。相反,低电流密度下,晶核形成速度慢,则sei膜的结构更加致密。但是,结构疏松的sei膜可以浸润更多的电解液,从而使大电流密度下形成的sei膜的离子导电率大于在低电流密度下形成的sei膜。(引自:杨娟,锂离子电池化成条件对化成效果的影响)

化成截止电压:闻人红雁等人发现,随着充电的进行,电池内部电压升高,同时伴随着气体产生。一旦产气速率高于注液孔的排气速率,气体就会在电池内部的隔膜间聚集,导致隔膜与负极表面接触不均匀,从而影响锂离子在负极表面的嵌入过程,使得电化学反应过程中锂离子在负极表面不均匀分布,造成金属锂或锂的化合物在负极表面沉积。所以,适当降低化成电压可以提高电池的首次充放电效率,降低电池内阻,改善电池循环性能。kim等人发现,电压越高,电解液越不稳定,会有更多的锂供还原反应使用,降低了锂电池的锂含量。在实际生产中,降低化成电压还可以减少化成时间,节约电力成本、提高生产效率。(引自:杜强,锂离子电池sei膜形成机理及化成工艺影响)

化成温度:温度一方面影响生成 sei 膜生成速率及组成;另一方面,高温下sei膜的部分组分会发生分解,造成sei膜破裂,会进一步消耗锂来生成新的sei膜。

外加压力:化成过程中会产生气体,如果气体没有及时排除,则会增加锂离子传输距离,阻抗增大,造成电池充电容量降低。若充电中间加上合适的滚压压力,则可以帮助消除气体,不仅能提高电池化成容量,而且电池的倍率和循环性能也明显提高。(引自:杨娟,锂离子电池化成条件对化成效果的影响)(小编认为,负压化成可同样解决该问题)

化成流程设置案例

如下图所示,杨涛等人采用了a(限压)和b(限容)两种化成模式,其结果表明,采用工艺b化成后的电池内阻要小于工艺a,且工艺b限容化成后的电池容量分布一致性明显优于工艺a。因此,采用限容化成可提高电池化成的一致性。

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图片来源:杨涛,化成工艺对高镍三元锂离子电池的性能影响

赵彦孛采用如下流程评估了a组和b组两种化成流程的影响(化成温度是80 )。利用扫描电镜分析两组负极表面形成的sei膜,结果表明,两种化成形成的sei膜没有明显差异,都是均匀且致密的。也说明b组在大电流之前,sei膜就已完全形成,在sei膜形成后采用更大电流充电,不会对sei膜造成破坏。

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图片来源:赵彦孛,4.45 v锂离子电池化成流程优化

附:参考文献

[1] 杜强,锂离子电池sei膜形成机理及化成工艺影响

[2] 魏文飞,锂离子电池高温化成工艺研究

[3] 葛浩,锂电池自动化成技术的研究及实现

[4] 赵彦孛,4.45 v锂离子电池化成流程优化

[5] 杨娟,锂离子电池化成条件对化成效果的影响

 

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