鋰電池化成過程工藝的詳細介紹

鋰離子電池化成工藝是指鋰離子電池第一次充電的過程，目的是使電池具有電化學活性?；墒窃谪摌O表面形成一層固體電解質界面膜(SEI膜)，SEI膜具有固體電解質性質，是電子絕緣體。但這種SEI膜卻是Li+的優(yōu)良導體，Li+能夠自由地通過SEI膜。SEI膜的重要成分是Li2CO3、LiF、LiOH、ROCO2Li、ROLi等物質。SEI膜的質量與化成的工藝具有很大的相關性，假如化成制度不好，就不能形成高品質的SEI膜，進而會對電池的循環(huán)壽命和電化學性能出現(xiàn)不利影響。

化成工序能夠激活鋰離子電池的正負極活性物質進行電化學反應，同時電解液成膜成分在負極表面形成固體電解質界面膜(SEI膜)，有效阻止溶劑與負極活性物質的反應，允許鋰離子通過進行脫嵌。鋰離子電池化成狀態(tài)的優(yōu)良直接影響電池的負極界面，容量發(fā)揮，自放電，循環(huán)性能，安全性能等。

鋰離子電池化成過程中SEI膜的形成過程，具體而言包括如下四個步驟：

步驟①：電子由集流體-導電劑-石墨顆粒內部傳遞到待形成SEI膜的A點;

步驟②：溶劑化的鋰離子在溶劑的包裹下，從正極擴散至正在生成的SEI膜表層的B點;

步驟③：A點的電子通過電子隧道效應擴散至B點;

步驟④：躍遷至B點的電子與鋰鹽、溶劑化鋰離子、成膜劑等反應，在原有SEI膜表層繼續(xù)生成SEI膜，從而使得石墨顆粒表層SEI膜厚度不斷新增，最終形成完整的SEI膜。

由此可見，SEI形成的整體反應過程，可具體分解為上述四個分步反應來描述，四個分步反應過程，即決定了整個SEI膜的成膜過程。

鐵鋰離子電池的化成就是對電池第一次充電，讓電池內的活性物質激活，同時在陽極表面生成一種致密的膜，借以保護整個化學界面?；捎纸谢罨瑸殡婁嚦刂圃旌?，通過一定的充放電方式將其內部正負極物質激活，改善電池綜合性能的過程?；墒且粋€非常復雜的過程，同時也是影響鋰離子電池性能很重要的一道工序。

鋰電池化成工藝的類型

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(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(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)，電化學反應產(chǎn)生的氣體可以及時排除，提高了SEI膜成型的一致性?；稍O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(chǎn)生的氣體及時排除，保證了SEI膜的穩(wěn)定性和一致性。但化成設備復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。

不同化成條件對鋰電池性能的影響

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(fā)現(xiàn)，隨著充電的進行，電池內部電壓升高，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(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，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(fā)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(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）