化成——鋰電池生產工藝中不可忽視的一環

2023-01-30 來源：OFweek鋰電網

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

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，使鋰電池活化。同時，鋰鹽與電解液發生副反應，在鋰電池的負極側生成固態電解質界面（SEI）膜，該層膜可阻止副反應進一步的發生，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（在接下來維科網技術類文章中，會著重介紹SEI膜，歡迎持續關注）。

化成工藝的類型

根據鋰電池化成時溫度、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的研究及實現）：

圖片來源：維科網鋰電

1. 高溫化成：充放電過程中，電芯始終處于高溫環境中，高溫可提高電化學反應速率和SEI 膜成型速率。形成的SEI 膜一致性較高但疏松、不穩定。

2. 低溫化成：充放電過程中，電芯始終處于低溫環境中，低溫過程形成的 SEI膜致密穩定，但反應速率慢，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反應速率和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膜致密穩定，但反應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，電化學反應產生的氣體可以及時排除，提高了SEI膜成型的一致性。化成設備簡單成本低但靜置時間長，環境濕度條件要求高。

6. 閉口化成：充放電過程中，電芯注液口始終處于密封狀態，化成過程無環境濕度條件要求。但化成設備工藝復雜，電芯殼體存在塑性變形風險。

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

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，會導致SEI膜的結構疏松，且在負極表面附著不牢固。相反，低電流密度下，晶核形成速度慢，則SEI膜的結構更加致密。但是，結構疏松的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：聞人紅雁等人發現，隨著充電的進行，電池內部電壓升高，同時伴隨著氣體產生。一旦產氣速率高于注液孔的排氣速率，氣體就會在電池內部的隔膜間聚集，導致隔膜與負極表面接觸不均勻，從而影響鋰離子在負極表面的嵌入過程，使得電化學反應過程中鋰離子在負極表面不均勻分布，造成金屬鋰或鋰的化合物在負極表面沉積。所以，適當降低化成電壓可以提高電池的首次充放電效率，降低電池內阻，改善電池循環性能。Kim等人發現，電壓越高，電解液越不穩定，會有更多的鋰供還原反應使用，降低了鋰電池的鋰含量。在實際生產中，降低化成電壓還可以減少化成時間，節約電力成本、提高生產效率。（引自：杜強，鋰離子電池SEI膜形成機理及化成工藝影響）

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膜的部分組分會發生分解，造成SEI膜破裂，會進一步消耗鋰來生成新的SEI膜。

外加壓力：化成過程中會產生氣體，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）（小編認為，負壓化成可同樣解決該問題）

化成流程設置案例

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，其結果表明，采用工藝B化成后的電池內阻要小于工藝A，且工藝B限容化成后的電池容量分布一致性明顯優于工藝A。因此，采用限容化成可提高電池化成的一致性。