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缩短锂离子电池化成时间的方法

在锂离子电池生产制造过程中,电池的化成工序是电池制造的重要环节,通常我们需要3-7天完成锂离子电池的浸润和化成,同时为了剔除漏电流过大的锂离子电池,在完成化成后还需要进行2周左右的老化,这一过程占成本很高一部分,同时要占据约28%的生产场地。因此缩短锂离子电池化成时间将是节约电池制造成本的一个有效办法,那么具体怎么办呢?

锂离子电池

缩短锂离子电池化成时间是在不影响电池原有性能的前提下,尽可能提升锂离子电池的循环性能进行的。通常需要从两个方面进行着手:

 1、电解液的浸润

电解液与活性物质充分接触是锂离子电池电极表面形成均匀、致密的SEI膜的基本要求。温度对化学物质的活性有一定的积极影响,因此温度提高到40-60℃可以有效降低电解液与活性物质的接触角,促进电解液进入到电极的内部的微孔之中,提升电解液的浸润效果。为了保证锂离子电池的浸润效果和减少浸润过程中的铜箔腐蚀现象,除了设计多步的浸润工艺外,还会在注液后对电池进行预充电,以降低负极的电势,减少负极铜箔溶解的风险。

2、锂离子电池的化成

电池化成的过程实际上是对锂离子电池首次充电的过程,为了保证在负极表面形成均匀、致密的SEI膜,通常化成过程会采用非常小的电流对电池进行充电,以降低界面膜的成膜速度,从而使得形成的界面膜更加致密。

在完成了浸润和化成后,为了将漏电电流较大的电池剔除,通常还需要对电池进行1-2周的老化筛选。在电池刚刚化成结束时锂离子电池内部的漏电电流通常在20-50uA/cm2,在经过几个小时的稳定后漏电流会下降到2-5uA/cm2,在经过数周后电池内部的漏电流会下降到1uA/cm2以下。但是部分锂离子电池因为制造缺陷和电解液杂质等因素导致漏电流会持续较高,一旦进入组合之中会造成单体电池之间的电压偏差过大,影响电池组的性能,为了保证组电池的一致性,需要通过筛选将这部分电池进行剔除。

为了压缩化成时间,在首先以较大的电流(1C)将锂离子电池充电到3.9V,然后以C/5倍率在3.9-4.2V的范围内对锂离子电池进行充放电循环,最后将电池放电到3.0V,相比于以0.05C倍率进行3次循环,该制度下电池的化成时间仅需要14h,化成速度提高8.5倍。这样虽然大幅压缩了化成时间,但是却导致电池的容量发挥有所降低,快速化度使得电池的容量降低了13%,而如果我们将低电压范围内快速充电的电流降低到0.2C或0.33C,则电池正极的比容量会比0.05C化成下降12mAh/g(7%)。

一些先进的电池技术,例如原子层沉积技术(ALD),使得进一步的压缩浸润和化成时间成为可能,研究表明通过在正负极材料表面增加原子层沉积层能够将化成时间进一步压缩到10h以内,甚至可以直接采用原子层沉积技术直接在正负极表明生成SEI膜,取代传统意义上的SEI膜,从而进一步减少化成所需要的时间。

研究表明通过负极高电势阶段采用较大电流,在较低电势下采用较小电流进行化成,可以有效的压缩化成时间,该方法在化成阶段能够部分的形成SEI膜,在锂离子电池使用过程中最终完成SEI膜的构建,对最终锂离子电池的循环性能没有显著的影响。

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