化成工艺对高功率型锂离子电池性能的影响

锂电联盟会长 2023-01-29 08:06

点击左上角“锂电联盟会长”,即可关注!

锂离子电池生产工序复杂,其中化成是锂离子电池生产的关键的工序之一,它对锂离子电池性能的影响至关重要。
锂离子电池的化成是注液陈化后的电池第一次充电的过程,是电芯的活性物质激活的过程,其最实质性的内容是形成SEI膜的过程(即首次充电时,Li+第一次从正极活性材料中脱嵌,第一次到达负极石墨一侧,将在负极与电解液的相界面上形成覆盖在负极表面的钝化薄层)。SEI膜在稳定电极活性材料、防止电解液持续不断的与活性物质发生不可逆化学反应方面起着至关重要的作用;稳定的SEI膜可保证锂离子电池能够多次充放电工作并保持良好的电化学性能。
但是SEI膜的形成过程非常复杂,影响因素较多,其中,化成工艺直接影响SEI膜的成膜质量,决定了电芯的电性能。通常认为化成时小电流有助于SEI的形成,但小电流化成用时较长,会降低企业的生产效率,增加生产成本,因此,为提高企业的生产效率,提升产品品质,需探究一种高效的化成工艺。本文通过调控充电电流和电压,研究不同化成工艺对电芯循
环和倍率性能的影响。
1实验
1.118650电池制作
本实验采用倍率型三元材料作为正极主要材料,与粘结剂、导电剂、溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)按照一定的比例进行混合制浆;负极活性材料采用石墨,与导电剂、SBR、粘结剂CMC、调节水溶剂按照一定的比例进行混合制浆;然后经过涂布、辊压、分切、烘烤、卷绕、组装、注液、封口、化成、分容等工序制造出标称容量为2000mAh的高功率型圆柱锂离子单体电池。
电池化成前,将注液封口后的单体电池进行高温陈化,加速电解液扩散,使正负极活性材料和电解液充分浸润。本文设计了3种化成方式,验证了不同化成工艺对电芯性能的影响,具体工艺参数如表1所示。

1.2电性能测试设备及测试方法
采用LIP-5V256BK-6A圆柱形锂电池充放电设备对高温陈化后的单体电池进行化成;采用Arbin15759A型充放电仪对电池进行循环性能测试采用Land30A5V型充放电仪对电池进行倍率性能测试;采用DGBELLBE-TH高低温交变试验箱对电池进行高低温性能测试;采用Solartor1255B频谱分析仪、SolartorSI1287电化学界面测试系统、Ziew2.1a交流阻抗分析软件对电池进行交流阻抗测试。
1.2.1直流内阻测试
第1步:25±2℃下,第i颗以4A恒流恒压充电至4.2V,截止电流0.1A,静置1h,10A放电至2.5V,获得电芯的容量初始容量CAPi第2步:电池室温下以4A恒流恒压充电至4.2V,截止电流0.1A,静置1h,静置时最后1s电压值记为Ui1;第3步:10A放电1s,放电最后0.1s电压记为Ui2,静置5min,测试得到100%SOC的直流内阻;第4步:10A放出10%CAPi的容量静置1h再10A放电1s静置5min测试得到90%SOC的直流内阻;重复第4步直至测试得到10%SOC的放电直流内阻。直流内阻计算公式:
1.2.2电化学阻抗EIS测试
通过交流阻抗仪测量电池在25±2℃下的阻抗
1.2.3倍率放电性能测试
25±2℃下,以4A恒流恒压充电至4.2V,截止电流0.1A,静置10min;分别以10A、20A、30A放电至2.5V,以10A放电容量为基准值20A或30A放电容量/基准值的比值乘以100%为电池在该倍率下的倍率性能。
1.2.4高低温放电性能测试
25±2℃下存放3h,以4A恒流恒压充电至4.2V,截止电流0.1A,分别于25±2℃、60±2℃、0±2℃和-20±2℃下存放3h后,在该温度下以10A放电至2.5V;以25±2℃放电容量为基准值,60±2℃、0±2℃、和-20±2℃放电容量/基准值的比值乘以100%为电池在该温度下的放电性能。
1.2.5高温存储性能测试
25±2℃下,以4A恒流恒压充电至4.2V,截止电流0.1A,静置10min,以10A放电至2.5V获得初始容量;4A恒流恒压充电至4.2V,截止电流0.1A,60±2℃存储30天,10A放电至2.5V获得剩余容量,4A恒流恒压充电至4.2V,截止电流0.1A,静置10min,10A放电至2.5V获得恢复容量。
1.2.6常温循环性能测试
室温下以4A恒流恒压充电至4.2V,截止电流0.1A,静置
10min,以20A放电至2.5V或75℃停止,静置30min进行下一个循环。
2结果与讨论
2.1化成时间
选取260pcs待化成电池均分为A、B、C、D组,每组65pcs,分别按设定的工艺进行化成,各方案化成总用时见表2,各方案化成用时B<A<C<D,通过数据对比,方案A、B、C方案均可缩短化成时间,提高生产效率。
2.2直流内阻测试
通过调控电池放电容量测试不同SOC态电池的直流内阻,结果如图1所示:不同化成工艺,电池直流内阻随SOC的变化趋势相同:在10%~50%SOC区间,直流内阻随着SOC的增加逐渐降低,在50%~100%SOC区间,随着SOC的增加,直流内阻趋于平稳;相同SOC态,各方案直流内阻差异不大,说明不同化成工艺对电芯直流内阻影响不大。
2.3EIS测试
在25±2℃环境下,测试电池满电状态的EIS。由图2可知,消除Rs的影响后,各方案Rct对比为:C<A<D<B,这是由于电池化成时,内部极化随着充电电流的增大而增大,不同实验方案的充电电流大小不同引起的电芯内部极化差异,从而导致各方案的电荷传递阻力不同。
2.4倍率放电性能测试
为研究不同化成工艺对锂离子电池倍率性能的影响,选取3pcs电池进行放电倍率测试,容量保持率均值结果如表3所示,20A放电容量保持率B<C<A<D,30A放电容量保持率B<D<C<A,综合比较A方案倍放性能最优。这可能是与不同化成电流导致的石墨颗粒表面形成的SEI膜的质量有关。SEI膜成膜初期,采用0.1C或者0.15C小电流化成时,易生成有机锂盐组分,可保证SEI膜的韧性,成膜后期增大充电电流至0.3C,易生成无机锂盐组分,可保证SEI膜的致密型,最终形成结构稳定的SEI膜。致密稳定的SEI膜可以保证在大倍率放电时,有效抵抗锂离子大量快速脱出时对SEI膜造成的冲击,减少副反应的发生,从而减少活性物质损失。由倍率性能数据可得出,A方案化成电流生成的SEI膜质量优于其他方案。
2.5高低温放电性能测试
为研究不同化成工艺对锂离子电池性能的影响,选取3pcs电池进行高低温放电测试,不同温度下各方案的容量保持率均值见表4。各方案电池-20℃和0℃低温放电性能差异不大,60℃高温放电性能A方案较优,C方案次之,B、D方案稍差。电池高温状态下,正负极材料表面的SEI膜会发生重组,电解液等在高温条件下发生的副反应也会加剧,从而导致活性锂量的减少。A方案稳定的SEI膜在高温下不易被破坏,可以减少电解液等副反应的发生,减少活性锂量的损失,从而表现出较好的高温放电性能。
在25±2℃环境下,测试电池满电状态的EIS。由图2可知,消除Rs的影响后,各方案Rct对比为:C<A<D<B,这是由于电池化成时,内部极化随着充电电流的增大而增大,不同实验方案的充电电流大小不同引起的电芯内部极化差异,从而导致各方案的电荷传递阻力不同。
2.6高温存储性能测试
对不同化成工艺的电池各方案选取10pcs进行60±2℃存储30天的测试,表5是各方案电池60℃存储30天后电池的压降数据和容量数据对比,此处数据为10个电芯平均值。
可以看出,在电压降方面,A、C、D方案电池经过高温存储后电压降相近,优于B方案。在容量保持和容量恢复方面:D<B<C<A。由此也可以说明A方案化成的电池SEI膜的成膜质量优于其他方案,在高温存储过程中,SEI膜重组时消耗的锂相对较少,容量损失少。
2.7常温循环性能测试
电池的循环寿命是评价电池性能好坏的重要指标,为对比不同化成工艺下电池的循环性能差异,常温(25±2℃)条件下对不同化成方案电池进行4A充电、20A放电循环测试,结果见图3。由图3可知,A方案化成的电池大倍率充放电循环600周容量保持率最好,为75.9%,其次是C方案,容量保持率为62.8%,B、D方案容量保持率最差。这可能是因为使用A方案化成的电池的SEI膜结构更稳定,电池在循环过程中,SEI膜不断破坏和重新生成过程造成的不可逆锂损失较小,从而导致容量衰减相对较小,实现较好的容量保持率。
3结论
本文研究了4种不同化成工艺对电池性能的影响,通过实验数据对比发现:
(1)两步法阶梯充电可以缩短化成时间,提高生产效率;
(2)第一步0.15C小电流+第二步0.3C大电流的化成方法,有利于负极表面形成更为结构更为致密稳定的SEI膜,从而提高电池的高温放电性能、大倍率放电性能和循环性能。在缩短化成时间的同时提高电池电性能。
锂电联盟会长向各大团队诚心约稿,课题组最新成果、方向总结、推广等皆可投稿,请联系:邮箱ibatteryalliance@163.com。

相关阅读:
锂离子电池制备材料/压力测试
锂电池自放电测量方法:静态与动态测量法!
软包电池关键工艺问题!
一文搞懂锂离子电池K值!
工艺,研发,机理和专利!软包电池方向重磅汇总资料分享!
揭秘宁德时代CATL超级工厂!
搞懂锂电池阻抗谱(EIS)不容易,这篇综述值得一看!
锂离子电池生产中各种问题汇编
锂电池循环寿命研究汇总(附60份精品资料免费下载)

锂电联盟会长 研发材料,应用科技
评论
  • 飞凌嵌入式基于瑞芯微RK3562系列处理器打造的FET3562J-C全国产核心板,是一款专为工业自动化及消费类电子设备设计的产品,凭借其强大的功能和灵活性,自上市以来得到了各行业客户的广泛关注。本文将详细介绍如何启动并测试RK3562J处理器的MCU,通过实际操作步骤,帮助各位工程师朋友更好地了解这款芯片。1、RK3562J处理器概述RK3562J处理器采用了4*Cortex-A53@1.8GHz+Cortex-M0@200MHz架构。其中,4个Cortex-A53核心作为主要核心,负责处理复杂
    飞凌嵌入式 2025-01-24 11:21 158浏览
  • 临近春节,各方社交及应酬也变得多起来了,甚至一月份就排满了各式约见。有的是关系好的专业朋友的周末“恳谈会”,基本是关于2025年经济预判的话题,以及如何稳定工作等话题;但更多的预约是来自几个客户老板及副总裁们的见面,他们为今年的经济预判与企业发展焦虑而来。在聊天过程中,我发现今年的聊天有个很有意思的“点”,挺多人尤其关心我到底是怎么成长成现在的多领域风格的,还能掌握一些经济趋势的分析能力,到底学过哪些专业、在企业管过哪些具体事情?单单就这个一个月内,我就重复了数次“为什么”,再辅以我上次写的:《
    牛言喵语 2025-01-22 17:10 273浏览
  • 高速先生成员--黄刚这不马上就要过年了嘛,高速先生就不打算给大家上难度了,整一篇简单但很实用的文章给大伙瞧瞧好了。相信这个标题一出来,尤其对于PCB设计工程师来说,心就立马凉了半截。他们辛辛苦苦进行PCB的过孔设计,高速先生居然说设计多大的过孔他们不关心!另外估计这时候就跳出很多“挑刺”的粉丝了哈,因为翻看很多以往的文章,高速先生都表达了过孔孔径对高速性能的影响是很大的哦!咋滴,今天居然说孔径不关心了?别,别急哈,听高速先生在这篇文章中娓娓道来。首先还是要对各位设计工程师的设计表示肯定,毕竟像我
    一博科技 2025-01-21 16:17 195浏览
  • 前篇文章中『服务器散热效能不佳有解吗?』提到气冷式的服务器其散热效能对于系统稳定度是非常重要的关键因素,同时也说明了百佳泰对于散热效能能提供的协助与服务。本篇将为您延伸说明我们如何进行评估,同时也会举例在测试过程中发现的问题及改善后的数据。AI服务器的散热架构三大重点:GPU导风罩:尝试不同的GPU导风罩架构,用以集中服务器进风量,加强对GPU的降温效果。GPU托盘:改动GPU托盘架构,验证出风面积大小对GPU散热的影想程度。CPU导风罩:尝试封闭CPU导风罩间隙,集中风流,验证CPU降温效果。
    百佳泰测试实验室 2025-01-24 16:58 57浏览
  • 随着AI大模型训练和推理对计算能力的需求呈指数级增长,AI数据中心的网络带宽需求大幅提升,推动了高速光模块的发展。光模块作为数据中心和高性能计算系统中的关键器件,主要用于提供高速和大容量的数据传输服务。 光模块提升带宽的方法有两种:1)提高每个通道的比特速率,如直接提升波特率,或者保持波特率不变,使用复杂的调制解调方式(如PAM4);2)增加通道数,如提升并行光纤数量,或采用波分复用(CWDM、LWDM)。按照传输模式,光模块可分为并行和波分两种类型,其中并行方案主要应用在中短距传输场景中成本
    hycsystembella 2025-01-25 17:24 70浏览
  • 嘿,咱来聊聊RISC-V MCU技术哈。 这RISC-V MCU技术呢,简单来说就是基于一个叫RISC-V的指令集架构做出的微控制器技术。RISC-V这个啊,2010年的时候,是加州大学伯克利分校的研究团队弄出来的,目的就是想搞个新的、开放的指令集架构,能跟上现代计算的需要。到了2015年,专门成立了个RISC-V基金会,让这个架构更标准,也更好地推广开了。这几年啊,这个RISC-V的生态系统发展得可快了,好多公司和机构都加入了RISC-V International,还推出了不少RISC-V
    丙丁先生 2025-01-21 12:10 1017浏览
  • 故障现象 一辆2007款日产天籁车,搭载VQ23发动机(气缸编号如图1所示,点火顺序为1-2-3-4-5-6),累计行驶里程约为21万km。车主反映,该车起步加速时偶尔抖动,且行驶中加速无力。 图1 VQ23发动机的气缸编号 故障诊断接车后试车,发动机怠速运转平稳,但只要换挡起步,稍微踩下一点加速踏板,就能感觉到车身明显抖动。用故障检测仪检测,发动机控制模块(ECM)无故障代码存储,且无失火数据流。用虹科Pico汽车示波器测量气缸1点火信号(COP点火信号)和曲轴位置传感器信
    虹科Pico汽车示波器 2025-01-23 10:46 140浏览
  •     IPC-2581是基于ODB++标准、结合PCB行业特点而指定的PCB加工文件规范。    IPC-2581旨在替代CAM350格式,成为PCB加工行业的新的工业规范。    有一些免费软件,可以查看(不可修改)IPC-2581数据文件。这些软件典型用途是工艺校核。    1. Vu2581        出品:Downstream     
    电子知识打边炉 2025-01-22 11:12 207浏览
  • 项目展示①正面、反面②左侧、右侧项目源码:https://mbb.eet-china.com/download/316656.html前言为什么想到要做这个小玩意呢,作为一个死宅,懒得看手机,但又想要抬头就能看见时间和天气信息,于是就做个这么个小东西,放在示波器上面正好(示波器外壳有个小槽,刚好可以卡住)功能主要有,获取国家气象局的天气信息,还有实时的温湿度,主控采用ESP32,所以后续还可以开放更多奇奇怪怪的功能,比如油价信息、股票信息之类的,反正能联网可操作性就大多了原理图、PCB、面板设计
    小恶魔owo 2025-01-25 22:09 135浏览
  • 不让汽车专美于前,近年来哈雷(Harley-Davidson)和本田(Honda)等大型重型机车大厂的旗下车款皆已陆续配备车载娱乐系统与语音助理,在路上也有越来越多的普通机车车主开始使用安全帽麦克风,在骑车时透过蓝牙连线执行语音搜寻地点导航、音乐播放控制或免持拨打接听电话等各种「机车语音助理」功能。客户背景与面临的挑战以本次分享的客户个案为例,该客户是一个跨国车用语音软件供货商,过往是与车厂合作开发前装车机为主,且有着多年的「汽车语音助理」产品经验。由于客户这次是首度跨足「机车语音助理」产品,因
    百佳泰测试实验室 2025-01-24 17:00 59浏览
  • 书接上回:【2022年终总结】阳光总在风雨后,启航2023-面包板社区  https://mbb.eet-china.com/blog/468701-438244.html 总结2019,松山湖有个欧洲小镇-面包板社区  https://mbb.eet-china.com/blog/468701-413397.html        2025年该是总结下2024年的喜怒哀乐,有个好的开始,才能更好的面对2025年即将
    liweicheng 2025-01-24 23:18 107浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦