鋰離子電池化成條件對化成效果的影響

楊 娟

鋰離子電池化成條件對化成效果的影響

楊 娟

（新鄉電池研究院有限公司，河南 新鄉 453000）

在鋰離子電池制作過程中，化成是一道非常重要的工序。本文綜述化成條件如化成電流、化成電壓、化成溫度和外加壓力對電池性能如內阻、容量和循環性能等的影響。

鋰離子電池；SEI膜；化成電流；化成電壓；化成溫度；外加壓力

鋰離子電池是20世紀90年代出現的綠色高能環保電池，因其具有能量密度高、環境友好、無記憶效應、循環壽命長、自放電小等突出優點，在電動汽車領域應用越來越廣泛。在鋰離子電池制作過程中，化成是非常重要的工序。化成是對注液擱置后的電池進行首次充電形成固體電解質膜的過程［1-2］。在化成工序中，用不同的化成工藝，會形成略有不同的SEI膜。而SEI膜的形態會直接影響單體電池的性能，如倍率和高荷，特別是電池的循環性能即使用壽命［3-4］。本文結合最近幾年的研究成果，綜述化成電流、化成夾具、化成時間等因素對電池化成效果的影響。

1 化成電流

S.S.Zhang等［5］研究了化成時充電電流對SEI膜性能的影響。他們發現，在低的電流密度下，更有利于形成良好的SEI膜。這是因為SEI膜的形成包括晶核形成及生長兩個過程。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膜的結構會更加致密。但是，結構疏松的SEI膜能浸潤更多的電解液，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。

傳統的小電流預充方式有助于電池形成穩定致密的SEI膜，但長時間的小電流充電會導致形成SEI膜的阻抗增大，從而影響電池的倍率和循環等性能，且單純的小電流化成會造成化成時間較長，影響車間生產效率。張秋萍［6］研究了在恒流充電階段采用階梯式電流化成的方法，發現在恒流充電階段采用階梯電流，不僅能降低電池的極化水平，提高充電容量，而且能夠有效減少充電時間，提高化成效率。

2 化成電壓

聞人紅雁［7］研究了化成電壓對電池極片的表面狀態、電池內阻和循環性能的影響。她分別用3.5V和4.2V作為電池化成時的截止電壓，發現化成電壓為4.2V時電池的充電容量較高，但充放電效率比截止電壓為3.5V時低4.1%。通過SEM圖發現，截止電壓為4.2V的負極極片上有明顯白斑，而3.5V極片上沒有。對比兩種電壓下的充放電效率、極片內阻和循環性能，發現截止電壓為4.2V的電池極片內阻大，且循環衰減較快，這可能都與充電電壓過高導致負極表面有過多的鋰離子嵌入有關。有研究表面，“白斑”是在負極表面沉積的金屬鋰或鋰的化合物，該化合物一旦在負極上形成，不會再回到正極，且導電性較差［8-9］，導致電池化成時首效低且極片內阻大，從而進一步影響電池循環性能。魯桂梅［10］對比了4種不同的化成方法，發現預充電時充電至電池荷量的65%，然后放電至2.5V，再進行一次放充循環后，電池在循環測試中衰減最慢。

3 化成溫度

對于聚合物鋰離子電池，如果在高溫下化成，不僅可以使電極表面的SEI膜層反應更充分，而且能增強隔膜的吸液性，這樣有利于降低電池的氣脹情況。但也有人認為低溫下化成是以溶劑還原為主，鋰鹽的還原速度變慢，SEI膜的形成速度慢，因此溶劑產物的沉積更為有序致密，更有利于延長電池的使用壽命［11］。

一般認為，高溫化成會降低SEI膜的穩定性，引起電池循環性能變差，這是因為高溫會加劇SEI膜的溶解和溶劑分子的共嵌入，而低溫條件下SEI膜則趨于穩定。Ishiikawa［12］在優化低溫處理條件時發現，在-20℃時生成的SEI膜循環性能最好，這是因為低溫時形成的SEI膜致密穩定，且阻抗較低。Andersson則認為高溫條件下，原來的膜進行結構重整，膜的溶解與重新沉積使新的膜具有多孔的結構，從而使電解液與負極進一步接觸并繼續還原。D.Aurbanch［13］等發現高溫下易形成LiF在負極表面沉積。含有LiF的SEI膜會嚴重阻礙鋰離子的遷移，富集程度越高，影響程度越大。低溫環境雖然有利于形成穩定的SEI膜，但其離子電導率不佳。高溫下形成的SEI膜不致密，但離子導電率良好。S.S.Zhang［5］等研究發現，化成時形成良好的SEI膜的適宜溫度是20～35℃，最好是35℃。陳丹丹［14］通過研究比較了在20、30、40℃預充電池放電容量、放電平臺、內阻變化、循環性能和極片表面狀態，分析得出電池最佳的預充溫度是30℃。目前，大多數鋰離子電池廠家多選用在30～60℃高溫老化，以改善電池的循環性能和貯存性能。

4 外加壓力

郭玉斌［15］研究了在化成兩次充電之間加滾壓壓力與不加的區別，發現沒有加壓力的電池比施加合適壓力的電池充電容量低約1Ah。電池在化成過程中會產生氣體，如果氣體沒有消掉，則會增大正負極片之間的距離，從而加大鋰離子傳輸距離，增加阻抗，最終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。同時，通過拆解電池發現，不加壓力或者施加壓力很小，電池負極片上都有明顯的析鋰，而加上合適的壓力極片表面則無任何不良。

5 結語

在鋰離子電池的制備過程中，化成工序對電池的性能影響尤為關鍵。選擇合適的化成電流、化成電壓、化成溫度等，對優化和提高電池性能有非常重要的作用。不過單一的條件對電池性能改善并不明顯，因此優化化成條件并加以綜合，才能達到提高電池性能的目的。

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Influence of Formation Conditions of Lithium Ion Battery on Formation Efficiency

Yang Juan
（Xinxiang Battery ResearchInstitute Co.,Ltd.，Xinxiang Henan 453000）

Formation is very important in the process of making lithium ion battery.In this paper We talk?ed about the effects of the conditions such as formation current,voltage,temperature and pressure on the battery performance such as internal resistance,capacity and circulation performance.

lithium on batter；SEImembrane；formation current；formation voltage；formation temperature；im?pressed pressure

TM912

A

1003-5168（2017）10-0139-02

2017-09-03

楊娟（1983-），女，碩士，助理工程師，研究方向：鋰離子電池。