化成——鋰電池生產(chǎn)工藝中不可忽視的一環(huán)

化成——鋰電池生產(chǎn)工藝中不可忽視的一環(huán)

鋰電池的生產(chǎn)工藝是非常復(fù)雜的，包含多種工序，化成是其中不可忽視的一環(huán)，它對鋰電池性能的影響至關(guān)重要。

化成定義

鋰電池化成是鋰電池注液后對電池的首次充電過程。

該過程可以激活電池中的活性物質(zhì)，使鋰電池活化。同時，鋰鹽與電解液發(fā)生副反應(yīng)，在鋰電池的負(fù)極側(cè)生成固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）膜，該層膜可阻止副反應(yīng)進(jìn)一步的發(fā)生，從而減少鋰電池中活性鋰的損失。SEI的好壞對鋰電池的循環(huán)壽命、初始容量損失、倍率性能等有著很大影響（在接下來維科網(wǎng)技術(shù)類文章中，會著重介紹SEI膜，歡迎持續(xù)關(guān)注）。

化成工藝的類型

根據(jù)鋰電池化成時溫度、電流、注液口等條件的不同，化成工藝可分為以下幾類（引自葛浩，鋰電池自動化成技術(shù)的研究及實現(xiàn)）

圖片來源維科網(wǎng)鋰電

1.高溫化成充放電過程中，電芯始終處于高溫環(huán)境中，高溫可提高電化學(xué)反應(yīng)速率和SEI 膜成型速率。形成的SEI 膜一致性較高但疏松、不穩(wěn)定。

2.低溫化成充放電過程中，電芯始終處于低溫環(huán)境中，低溫過程形成的 SEI膜致密穩(wěn)定，但反應(yīng)速率慢，化成時間較長。

3.大電流化成化成過程中，充放電電流始終處于0.5C、1C、2C等較大電流，大電流可提高電化學(xué)反應(yīng)速率和SEI膜成型速率，但形成的SEI膜一致性不高、疏松且不穩(wěn)定。

4.小電流化成化成過程中，充放電電流始終處于0.02C、0.05C等較小電流，小電流過程形成的SEI膜致密穩(wěn)定，但反應(yīng)速率的降低會延長化成時間。

5.開口化成充放電過程中，電芯注液口始終處于常壓開放狀態(tài)，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體可以及時排除，提高了SEI膜成型的一致性。化成設(shè)備簡單成本低但靜置時間長，環(huán)境濕度條件要求高。

6.閉口化成充放電過程中，電芯注液口始終處于密封狀態(tài)，化成過程無環(huán)境濕度條件要求。但化成設(shè)備工藝復(fù)雜，電芯殼體存在塑性變形風(fēng)險。

7.負(fù)壓化成充放電過程中，從注液口處將電芯抽真空至-80KPa。負(fù)壓化成可將產(chǎn)生的氣體及時排除，保證了SEI膜的穩(wěn)定性和一致性。但化成設(shè)備復(fù)雜且對氣密性要求較高，此外在抽真空過程中會產(chǎn)生電解液損耗。

不同化成條件對電池性能的影響

化成電流密度電流密度大，晶核形成速度快，會導(dǎo)致SEI膜的結(jié)構(gòu)疏松，且在負(fù)極表面附著不牢固。相反，低電流密度下，晶核形成速度慢，則SEI膜的結(jié)構(gòu)更加致密。但是，結(jié)構(gòu)疏松的SEI膜可以浸潤更多的電解液，從而使大電流密度下形成的SEI膜的離子導(dǎo)電率大于在低電流密度下形成的SEI膜。（引自楊娟，鋰離子電池化成條件對化成效果的影響）

化成截止電壓聞人紅雁等人發(fā)現(xiàn)，隨著充電的進(jìn)行，電池內(nèi)部電壓升高，同時伴隨著氣體產(chǎn)生。一旦產(chǎn)氣速率高于注液孔的排氣速率，氣體就會在電池內(nèi)部的隔膜間聚集，導(dǎo)致隔膜與負(fù)極表面接觸不均勻，從而影響鋰離子在負(fù)極表面的嵌入過程，使得電化學(xué)反應(yīng)過程中鋰離子在負(fù)極表面不均勻分布，造成金屬鋰或鋰的化合物在負(fù)極表面沉積。所以，適當(dāng)降低化成電壓可以提高電池的首次充放電效率，降低電池內(nèi)阻，改善電池循環(huán)性能。Kim等人發(fā)現(xiàn)，電壓越高，電解液越不穩(wěn)定，會有更多的鋰供還原反應(yīng)使用，降低了鋰電池的鋰含量。在實際生產(chǎn)中，降低化成電壓還可以減少化成時間，節(jié)約電力成本、提高生產(chǎn)效率。（引自杜強(qiáng)，鋰離子電池SEI膜形成機(jī)理及化成工藝影響）

化成溫度溫度一方面影響生成 SEI 膜生成速率及組成；另一方面，高溫下SEI膜的部分組分會發(fā)生分解，造成SEI膜破裂，會進(jìn)一步消耗鋰來生成新的SEI膜。

外加壓力化成過程中會產(chǎn)生氣體，如果氣體沒有及時排除，則會增加鋰離子傳輸距離，阻抗增大，造成電池充電容量降低。若充電中間加上合適的滾壓壓力，則可以幫助消除氣體，不僅能提高電池化成容量，而且電池的倍率和循環(huán)性能也明顯提高。（引自楊娟，鋰離子電池化成條件對化成效果的影響）（小編認(rèn)為，負(fù)壓化成可同樣解決該問題）

化成流程設(shè)置案例

如下圖所示，楊濤等人采用了A（限壓）和B（限容）兩種化成模式，其結(jié)果表明，采用工藝B化成后的電池內(nèi)阻要小于工藝A，且工藝B限容化成后的電池容量分布一致性明顯優(yōu)于工藝A。因此，采用限容化成可提高電池化成的一致性。

圖片來源楊濤，化成工藝對高鎳三元鋰離子電池的性能影響

趙彥孛采用如下流程評估了A組和B組兩種化成流程的影響（化成溫度是80 ℃）。利用掃描電鏡分析兩組負(fù)極表面形成的SEI膜，結(jié)果表明，兩種化成形成的SEI膜沒有明顯差異，都是均勻且致密的。也說明B組在大電流之前，SEI膜就已完全形成，在SEI膜形成后采用更大電流充電，不會對SEI膜造成破壞。

圖片來源趙彥孛，4.45 V鋰離子電池化成流程優(yōu)化

附參考文獻(xiàn)

[1] 杜強(qiáng)，鋰離子電池SEI膜形成機(jī)理及化成工藝影響

[2] 魏文飛，鋰離子電池高溫化成工藝研究

[3] 葛浩，鋰電池自動化成技術(shù)的研究及實現(xiàn)

[4] 趙彥孛，4.45 V鋰離子電池化成流程優(yōu)化

[5] 楊娟，鋰離子電池化成條件對化成效果的影響