锂电池化成过程工艺的详细介绍

锂离子电池化成工艺是指锂离子电池第一次充电的过程，目的是使电池具有电化学活性。化成是在负极表面形成一层固体电解质界面膜(SEI膜)，SEI膜具有固体电解质性质，是电子绝缘体。但这种SEI膜却是Li+的优良导体，Li+能够自由地通过SEI膜。SEI膜的重要成分是Li2CO3、LiF、LiOH、ROCO2Li、ROLi等物质。SEI膜的质量与化成的工艺具有很大的相关性，假如化成制度不好，就不能形成高品质的SEI膜，进而会对电池的循环寿命和电化学性能出现不利影响。

化成工序能够激活锂离子电池的正负极活性物质进行电化学反应，同时电解液成膜成分在负极表面形成固体电解质界面膜(SEI膜)，有效阻止溶剂与负极活性物质的反应，允许锂离子通过进行脱嵌。锂离子电池化成状态的优良直接影响电池的负极界面，容量发挥，自放电，循环性能，安全性能等。

锂离子电池化成过程中SEI膜的形成过程，具体而言包括如下四个步骤：

步骤①：电子由集流体-导电剂-石墨颗粒内部传递到待形成SEI膜的A点;

步骤②：溶剂化的锂离子在溶剂的包裹下，从正极扩散至正在生成的SEI膜表层的B点;

步骤③：A点的电子通过电子隧道效应扩散至B点;

步骤④：跃迁至B点的电子与锂盐、溶剂化锂离子、成膜剂等反应，在原有SEI膜表层继续生成SEI膜，从而使得石墨颗粒表层SEI膜厚度不断新增，最终形成完整的SEI膜。

由此可见，SEI形成的整体反应过程，可具体分解为上述四个分步反应来描述，四个分步反应过程，即决定了整个SEI膜的成膜过程。

铁锂离子电池的化成就是对电池第一次充电，让电池内的活性物质激活，同时在阳极表面生成一种致密的膜，借以保护整个化学界面。化成又叫活化，为电锂池制造后，通过一定的充放电方式将其内部正负极物质激活，改善电池综合性能的过程。化成是一个非常复杂的过程，同时也是影响锂离子电池性能很重要的一道工序。

锂电池化成工艺的类型

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。

不同化成条件对锂电池性能的影响

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）