鋰離子電池化成分容工藝分析及設備能力提升

摘 要：隨著新能源的發展，尤其在電動汽車領域，對鋰離子電池的安全，循環壽命及能量密度等要求越來越高，同時也對鋰離子電池的研發提出了更高的要求。鋰離子電池的化成分容是研發過程中關鍵的一環，對于各種研發試制的鋰離子電池，化成分容工藝分析是提升電池性能的重要步驟。同時，設備能力的提升，可以滿足多種鋰離子電池的要求。目前市場上存在的化成分容設備控制精度低，且成本較高、設備單一，無法滿足多種鋰離子研發試制需求。針對以上問題，在化成分容工藝分析基礎上，文章提出了兼容多種鋰離子電池的設備，該設備主要由電源柜、結構柜、高溫箱、通信網絡、電腦上位機及軟件、二維碼追溯等組成。

關鍵詞：新能源 鋰離子電池 化成分容 工藝分析 設備能力

0 引言

隨著汽車行業的不斷發展，以及人們交通多樣化的需求增高，新能源迎來闊步前行的發展時代，其中，鋰離子電池在其中的應用尤為突出[1]。鋰離子電池不僅具有綠色環保、額定電壓高等電池傳統優點，還具有環境友好、總體質量輕、壽命較長、使用中沒有記憶效應和自放電率低等自身突出優點[2]。鋰離子電池的應用領域不僅僅在汽車行業，其在消費電子、可穿戴設備、電站儲能電源系統、軍事軍用設備、不間斷類型電源等方面也具有很大的作用。特別在新能源汽車領域，新能源汽車車型應接不暇，相應鋰電產業供不應求，從2021年海內外需求共振放量到目前鋰離子電池比能量持續增加[3]，都展現了鋰電行業在當下能源轉型中的重大推動作用。另外，鋰離子電池的制作以及使用過程沒有有害物質，所以使用鋰離子電池對環境無污染，可以說是當下名副其實的“綠色能源”。

化成和分容是高質量鋰離子電池生產過程中不可或缺的兩部分[4]，是生產的重要工序。它們在鋰離子電池的生產中起著不同的作用。化成工序的作用可分為兩類，其一，可以生成鈍化膜，這種鈍化膜是在電極表面生成的。其二，化成工序在形成鈍化膜的同時，可以使鋰離子轉化成為正常離子，這時的離子就是具有電化學作用的離子。化成之后就是分容工序，此工序的作用是對電池進行充放電的操作，這項操作對充電和放電的電壓、電流的要求是極其嚴格的，并且這種操作是循環測量的，測量的數據包括電池的各項具體參數，最后再根據測量數據對電池進行配組。

鋰離子電池的發展不僅在工業領域蓬勃發展，在學術研究方面，國內外的專家學者也不斷探索，針對鋰離子電池制造工藝中的化成分容進行進一步研究，發表了各種研究成果，對鋰電發展具有高度參考和指導作用。韓陽[4]基于鋰離子電池化成分容提出了一種優化的額鋰離子多功能系統，可對鋰離子電池的生產與研究進行有效跟進，該系統使用環形三級分布式的方案，應用在化成分容工序上，有效提高了系統的效率與實施性。張賢凱等人[5]也針對鋰離子電池化成分容工序提出了一種優化的系統，該系統是為了預防火災而設計的自動滅火系統，基于N-1230氣體，可以快速響應、控制火災的火勢擴大。李永富等人[6]以團隊的形式針對化成成分系統開發出了一種變頻技術，該技術基于雙向的交流和直流電流，并在其所在的公司生產上驗證了化成分容工序設備的使用效率得到提高，生產的電池可以輕松達到70%以上的電能使用效率。Abdul Majid等人[7]通過密度泛函理論計算和分子動力學模擬，探討了B4C3單層作為陽極材料的電化學可行性。根據B4C3的結構、電子、擴散、儲存行為和鋰化研究，得出了其最佳陽極性質，并且對鋰原子的吸附位點進行了系統的探索。

本文提出了一種設備提升方案，該方案基于化成分容工藝分析基礎之上，并且使用該方案的設備可兼容多種鋰離子電池設備，主要由電源柜，結構柜，高溫箱，通信網絡，電腦上位機及軟件，二維碼追溯等組成。可滿足目前市場上存在的化成分容設備的兼容性，以及可以有效解決設備控制精度低，且成本較高、設備單一，無法滿足多種鋰離子研發試制需求的難題。

1 鋰離子電池制作

鋰離子電池在實際生產中是一個復雜且精細的過程[8]，涉及鋰離子電池的各種組成成分、制作過程、使用設備等。其中有些步驟及其關鍵，影響著電池生產的質量，比如注液、化成、老化等等。

研究制造、提高鋰離子電池的生產，首先要分析鋰離子電池的主要組成成分以及這些成分的作用。鋰離子電池的組成結構通常可以總結為四大類，分別是正極、負極、電解質和隔膜。第一，正極材料通常采用混合物，使用鋰鹽、導電劑和相應添加劑混合而成。負極材料一般會選擇碳基材料。鋰離子電池的正極和負極是鋰離子電池至關重要的兩個組成部分，它們扮演著不同的角色，負責各自的任務，正極主要起著儲存作用以及可以釋放能量，所以，通常也將鋰離子電池的正極稱為電池的儲能部分。負極則主要起著電池的輸出作用，故而也將負極稱為鋰離子電池的輸出部分。第二，鋰離子電池的電解質目前通常使用高氯酸鋰、六氟磷酸鋰等。其在鋰離子電池中負責離子之間的傳輸。第三，鋰離子電池的隔膜材料主要有聚烯烴類隔膜、聚酯類隔膜、無紡布隔膜和陶瓷隔膜等。隔膜用于隔離正極和負極，隔離的目的是防止正負極的短路，同時還允許鋰離子在正極和負極間自由穿梭移動，進而保證了電池的正常充電和放電。

鋰離子電池的制作過程可分為兩大階段[9]，首先是試制階段，需要經過注液、化成和老化三個工序，這三個工序后可試制出初步電池成品。然后，再經過密封、分容和檢測工序，檢測又包括了檢測OCV值、K值和厚度等等。最后，進行分選分檔，才能進行包裝出貨。主要步驟如下圖1所示。

2 化成分容工藝分析

化成和分容的工序是整個鋰離子電池制作過程中的兩個重要步驟，其對鋰離子電池成品的質量也起著非常重要的作用[10]。所以，分析化成分容工藝，提高響相應的設備性能，可以更好地提升鋰離子電池的制造質量，滿足各行業的生產兼容需求。

化成工序是在注液工序之后，可分為兩個階段，分別是預化成和化成。其中，預化成主要是對注液后的電池的充電，這個充電過程里的電流是小電流，并且會伴隨著氣體產生。預化成步驟后，就是化成步驟，相對于預化成的小電流的充電，這個過程所使用的電流則是大電流的充電，但產生的氣體會很少。預化成和化成步驟結束，也就代表著化成工序的結束，隨之繼續的就是老化工序、密封工序等等一系列后續工序。

在實際的生產研究中，可知鋰離子電池負極材料（石墨）首次的充電和放電過程都會得到相應的充放電曲線，并且這兩條曲線是不完全重合的。這里，就產生了可逆容量和不可逆容量，其中，放電過程的放電容量就是可逆容量，并且這個放電容量往往會小于充電過程的充電容量。顯然，充電容量和放電容量就會產生一個差值容量，那么，這個差值就成為不可逆容量，此不可逆容量與SEI膜反應以及其他副反應的形成息息相關，比如，在充電曲線中0.8V左右的不可逆平臺就是與SEI膜形成對應。SEI膜是一種固體電解質膜，它對離子和電子的導電性能不一樣，對離子可導，然而對電子不可導，鋰離子電池的制作，需要使鋰離子負極表面形成一個完整的SEI膜，這樣電池才會具有一個相對穩定的循環能力，而化成工序就是能使鋰離子負極表面形成這樣的SEI膜，達到預期目的。

分容是對電池的一個分類過程，分類的標準是容量，需要對密封后的電池進行檢測，該檢測主要就是對電池的充電和放電的檢測，然后進行后工序分檔。后工序分檔的檢測則是針對電池的各種性能以及產品的不同指標進行的，比如容量、內阻、厚度、電壓、K值、外觀等等，以此可以將電池以不同的等級標準分類。一般可概括為容量分選、性能篩選和質量評估三步。

第一，容量分選是通過分析電池的容量大小、內阻等數據來區分電池的質量等級。電池的容量大小、內阻等數據是在鋰離子電池分容的過程中產生，并且由計算機以及相應設備獲取的各個測試點的準確數據。容量分選的過程不僅可以將電池按照容量標準進行分類，還可以按此對電池進行排序。第二，性能篩選是對生產出的電池容量在必要條件下進行計算，從而判別電池是否合格的過程。生產出來的電池雖然經過的步驟一樣，外表也相同，但每個電池的實際容量可能不一樣，不是所有電池的容量都能達到標準，這時，就需要利用相應設備根據規定的測試條件對生產出的電池的容量進行檢測，先對電池進行充電，再按照要求的電流進行放電，然后將放電的電流乘以放電所使用的時間，得到的結果就是該電池的容量，只有測試容量大于等于設計容量時，才判定該電池為合格產品，否則歸入不合格產品，不能進行下一步的檢測。第三，質量評估，這也是評估電池質量水平的一個不可或缺的步驟。鋰離子電池在完成首次分容操后，不會立馬進入下一步的操作，按照要求，需要將這些電池靜止不少于15天的時間，在這個靜止時間里，一些電池之前不會顯現的問題可能會在這期間才顯現出來，進而可以對電池的質量進一步區分和判別。

從上面的分析可以看出，鋰離子電池化成是一個對鋰離子充放電的過程，分容則可以看成是一個對生產出的電池的一個評估是否合格，以及對電池進行等級分類的過程。

3 設備能力提升過程

從化成分容工藝分析可以看出，在整個化成分容工序中，會涉及各種相應的機器設備，化成分容工序對鋰離子電池的生產至關重要，那么所使用的設備亦是如此，對生產以及產品的檢測也不容忽視。本研究在化成分容工藝分析的基礎上，通過針對第一代高溫負壓化成設備的不足提升至第二代高溫負壓化成設備，進而提高鋰離子電池生產質量，以及兼容多種鋰離子電池生產需求。

第一代高溫負壓化成設備主要由電源柜、結構柜、上位機及軟件、通信網絡、校準工裝、外部環境控制系統（溫度，濕度）等組成。其工作原理如下圖2所示。

相關電池工藝單由多部門會簽后，發至現場生產人員，然后將電池放入結構柜內，進行正負極極柱及點位確認，進而建立工步并確認下發工步。電源柜內部驅動箱接收指令，對電池進行充電。在整個過程中，通過相關計算機軟件可實時看到電池數據動態曲線。

第一代化成設備結構柜由上下兩個腔構成，每個腔體有32個點位，通過腔體氣缸壓合，使電池與電壓、電流及溫度采集充分接觸。第一代化成設備如下圖3所示，結構柜如下圖4所示。

然而，在鋰離子電池生產過程中，發現這種設備只針對于一種尺寸的電池適用，無法兼容其他尺寸的電池，且在設備維護方面，由于設備結構及空間受限，探針組件損壞不容易更換，損壞的點位需將整個腔體內部點位全部拆卸，再進行對損壞點位更換，耗時耗力，影響生產效率，增加設備維護時常。腔體點位探針與電池接觸效果無法保證，容易在化成過程中出現數據曲線異常、電池發燙、設備故障報警等問題。從而導致電池化成數據曲線異常，甚至存在失效，嚴重的情況下會存在著火爆炸的風險，所以，為了保證鋰離子電池產品質量和生產效率，以及生產安全，提高第一代化成設備結構柜具有重大意義。

4 提升結果

針對第一代高溫負壓化成設備在生產使用中存在的不足，在鋰離子電池化成分容工藝分析的基礎上，以及結合實際生產的需求，對其進行優化升級，提升至第二代高溫負壓化成設備。

第二代高溫負壓化成設備由電源柜、結構柜、上位機及軟件、通信網絡、校準工裝、外部環境控制系統（溫度，濕度）等組成。圖5展示了第二代高溫負壓化成設備整體結構，圖6展示了電源柜及結構柜，圖7展示了探針組件的細節。

第二代化成設備相比于第一代化成設備，不僅具有第一代設備所擁有的性能功效，還具有許多第一代設備沒有的優點。首先，第二代化成設備在使用方面更加便捷，單庫位有32個點位，雙庫位共計64個點位，與第一代化成設備相比，點位數一致。以方殼電池為例，可通過調整探針組件，來達到整條正負極探針位置和氣缸高度，實際操作為左右調節正負極探針位置，上下調整氣缸高度。這種操作靈活方便，達到了提高設備能力的目的。其次，第二代化成設備在電池兼容性方面有較大提升，可兼容數十款不同尺寸電池，設備能力提升主要目的是兼容多種不同尺寸電池尺寸，這就滿足了相關研發需求。這種結構兼容不同尺寸同側極耳結構電池，也兼容異不同尺寸異側極耳結構電池。如：28148115，53148115，32256106等電池。再次，在設備維護方面，探針組件方便更換，正負極探針結構不再受空間結構限制，實現單點位更換，提高了生產效率并減少設備維護時常。最后，在安全方面，由于整體設備空間結構的改變，遇到緊急問題可以快捷處理。

鋰離子電池的高質量生產跟設備參數息息相關，經過不斷地研究與測試，總結出第二代化成設備的相關最優參數值，具體使用參數如下表1所示。

5 結論

通過對鋰離子電池制造過程的研究，在化成分容工藝分析的基礎之上，針對目前市場上的化成分容設備存在的不足，比如控制精度低，且成本較高、設備單一，無法滿足多種鋰離子研發試制需求，以及第一代化成設備維護困難、安全度不高等短板，提出了第二代化成設備優化方案，解決了以上鋰離子電池生產難題。并且，經過研究與測試，對電源規格、化成環境溫度、電流控制精度等參數，總結出了最優使用參數值，并投入使用，證明了該優化方案的有效性。

但此優化方案也存在不足。首先，目前第二代化成設備使用的柜子規格為5V200A，雖然可以實現中小容量電芯的各種充電需求，但不滿足大容量電芯的快充要求。其次，經過實際生產使用的情況來看，電壓電流采集線以及溫感探頭的損壞率較高，這使得設備零件的使用成本有所增加。在后續的研究中，將針對以上不足繼續優化第二代化成設備，形成一個更優良的生產設備環境。

基金項目：安徽省高校優秀科研創新團隊（2023AH010064）。

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