什么是锂电池预化成、化成和老化?
数据来源: 锂电观察
发布时间:2024-02-22

装配好的锂离子电池需要经过化成和老化才能制备出成品电池。化成是对注液后的电池进行充电的过程,包括预化成和化成两个阶段。预化成是在注液后对电池进行小电流充电的过程,通常伴有气体产生,方形电池需将气体排出。化成是在预化成后以相对较大的电流对电池充电的过程,气体生成量很少。老化是将化成后的电池在一定温度下搁置一段时间的过程。其中化成在电池后工序中占有关键地位。

一、化成反应

锂离子电池石墨负极材料的首次充电曲线和放电曲线并不完全重合,见下图。放电容量也称为可逆容量,通常小于充电容量。充电容量和放电容量的差值称为不可逆容量。不可逆容量主要与形成sei膜反应和其他副反应有关。其中sei膜形成对应充电曲线中0.8V左右的不可逆平台。sei膜是离子可导,电子不可导的固体电解质膜,化成的主要目的是使负极表面形成完整的sei膜,从而使电池具有稳定的循环能力。

sei膜具有的电子绝缘性可以阻止溶剂分子在电极表面的还原反应,防止溶剂化锂离子嵌入石墨层间,稳定石墨负极的碳层结构,从而使碳负极具有稳定循环的能力。同时sei膜具有良好的离子导电性锂离子能够自由进出sei膜。sei的结构直接影响电池的循环寿命,稳定性,自放电和安全等性能。

二、预化成工艺

预化成的主要目的是排除化成反应中产生的气体,防止电池封口后的气胀。通过预化成和化成生成均匀稳定的sei膜,使电池具有稳定的循环性能。预化成工艺对sei膜也会产生影响,电流密度大时,形核速度快,导致sei膜结构疏松与颗粒表面附着不牢,因此预化成采用小电流密度有利于形成致密稳定的sei膜。

锂离子电池预化成制度选择的主要原则如下:

(1)电流应该尽量小,利用减少气路面积,提高化成均匀性,减少电解液损失。

(2)截止电压不宜过低或过高。电压过低时气体不能充分溢出,造成电池封口后气胀。电压过高时会使预化成时间延长,电池容易吸收环境中的氧气和水分等杂质,造成电池性能下降或封口后气胀。

(3)对电芯施加一定的加紧力,可以防止气体排除时极片与隔膜被冲开而分离,减少气路形成面积,提高极片预化成的均匀性。

三、化成工艺

化成的主要目的是继续完成化成反应,形成完整的sei膜。另外对于预化成反应不足的气路或气泡区域,在随后的化成过程中,电解液继续润湿,这些极片区域继续完成化成反应,使极片不同部位的化成程度趋于均匀。

化成电流可以适当提高,这是因为化成时sei膜已基本形成,产气反应变慢,产气量大幅降低,提高电流可以缩短化成时间。提高化成设备效率。

锂离子电池的典型化成制度为:预化成电流一般为0.02c~0.05c,由注液后自然形成的电压充电到截止电压3.4V或充电到容量的20%左右;化成电流一般为0.1c,充电截止电压为3.9V以上。具体的化成电流和截止电压与离子电池的型号和原材料等涉及因素有关。

四、老化工艺

老化通常是指将化成后的电池在一定程度下搁置一段时间,使电池性能稳定的过程,也称为陈化。在老化过程中,自放电电池的电压比正常电池下降快,因此通过老化还可以筛选出不合格的自放电电池。老化主要有持续完成化成反应,促进气体吸收和化成程度均匀化等作用。

按照老化温度通常将老化分为室温老化和高温老化。室温老化是电池在环境温度下进行的老化过程,不用控制温度,工艺简单。但是由于室温波动不能保证不同批次电流的一致性。

高温老化是电池在温度通常高于室温的最高温度下进行的老化过程。优点是高于环境温度,能够控制老化温度的一致性,从而有助于保证不同批次电池的一致性。同时高温还可以加速老化反应速度,使潜在的不良电池较快的暴露出来。但是高温过程可能会造成电池性能下降,因此高温老化所需要的温度和时间需要具体的实验来确定。锂离子电池厂家通常采用高温老化温度在45~50度之间,搁置1~3天,某些厂家还会在常温下搁置3~4天。

在老化过程中,随着时间的延长,电池的电压逐渐降低并趋于稳定。并且老化温度越高,电池电压降低越快,趋于平稳的时间越短。而自放电电池的电压下降速度比正常电池快。老化时间越长,自放电电池与正常电池的电压差越显著。因此老化时间的延长有助于鉴别自放电电池。

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