化成——锂电池生产工艺中不可忽视的一环

2022-03-22 18:37

化成——锂电池生产工艺中不可忽视的一环

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，化成工艺可分为以下几类（引自：葛浩，锂电池自动化成技术的研究及实现）：

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0.5C、1C、2C等较大电流，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0.02C、0.05C等较小电流，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。