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化成条件对电池性能的影响

锂电联盟会长 2025-03-14 09:00
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在锂离子电池制作过程中，化成是一道非常重要的工序。本文将讲述化成条件（如化成电流、化成电压、化成温度和外加压力）对电池性能的影响。（如内阻、容量和循环性能等）。
化成是对注液搁置后的电池进行首次充电形成固体电解质膜的过程。在化成工序中，用不同的化成工艺，会形成略有不同的SEI膜。而SEI膜的形态会直接影响单体电池的性能，如倍率和高荷，特别是电池的循环性能即使用寿命。
接下来我们重点分析下化成条件对电芯的影响：
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1 .化成电流
研究发现，在低的电流密度下，更有利于形成良好的SEI膜。这是因为SEI膜的形成包括晶核形成及生长两个过程。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膜的结构会更加致密。但是，结构疏松的SEI膜能浸润更多的电解液，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。
传统的小电流预充方式有助于电池形成稳定致密的SEI膜，但长时间的小电流充电会导致形成SEI膜的阻抗增大，从而影响电池的倍率和循环等性能，且单纯的小电流化成会造成化成时间较长，影响车间生产效率。有人便提出在恒流充电阶段采用阶梯式电流化成的方法，发现在恒流充电阶段采用阶梯电流，不仅能降低电池的极化水平，提高充电容量，而且能够有效减少充电时间，提高化成效率。
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图1(a)化成阶段石墨表面SEI膜的形成和(b)化成电流密度对SEI膜的影响
2.化成电压
不同的化成电压对电池极片的表面状态、电池内阻和循环性能的影响是不一样的。看过这样一篇文献，有人分别对比了用3.5V和4.2V作为电池化成时的截止电压，发现化成电压为4.2V时电池的充电容量较高，但充放电效率比截止电压为3.5V时低4.1V。对比两种电压下的充放电效率、极片内阻和循环性能，发现截止电压为4.2V的电池极片内阻大，且循环衰减较快。
3.荷电态
电池荷电态(SOC)也经常作为重要的化成技术参数来优化。与上一部分的充放电电压紧密相关，不同荷电态在老化过程中会导致不同程度的反应，影响SEI 膜的性质，从而影响电池性能。据相应实验结果表明，25%荷电态在电池老化前后都表现出较大阻抗，且容量保持率低于另外两种荷电态。最好的性能对应的化成方式是先充电至100% SOC，后放电25% SOC，也就是电池保持75% 的荷电态，结合室温进行老化，将获得最高的首次放电容量和容量保持率。
4.化成温度
对于聚合物锂离子电池，如果在高温下化成，不仅可以使电极表面的SEI膜层反应更充分，而且能增强隔膜的吸液性，这样有利于降低电池的气胀情况。但也有人认为低温下化成是以溶剂还原为主，锂盐的还原速度变慢，SEI膜的形成速度慢，因此溶剂产物的沉积更为有序致密，更有利于延长电池的使用寿命。
一般认为，高温化成会降低SEI膜的稳定性，引起电池循环性能变差，这是因为高温会加剧SEI膜的溶解和溶剂分子的共嵌入，而低温条件下SEI 膜则趋于稳定。低温环境虽然有利于形成稳定的SEI膜，但其离子电导率不佳。高温下形成的SEI膜不致密，但离子导电率良好。目前，大多数锂离子电池厂家多选用在30～60℃高温老化，以改善电池的循环性能和贮存性能。
5.外加压力
电池在化成过程中会产生气体，如果气体没有消掉，则会增大正负极片之间的距离，从而加大锂离子传输距离，增加阻抗，最终造成电池充电容量降低。若充电中间加上合适的压力，则可以帮助消除气体，使极片直接接触更紧密，不易发生变形。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。同时，通过拆解电池发现，不加压力或者施加压力很小，电池负极片上都有明显的析锂，而加上合适的压力极片表面则无任何不良。
小结：
在锂离子电池的制备过程中，化成工序对电池的性能影响尤为关键。选择合适的化成电流、化成电压、化成温度等，对优化和提高电池性能有非常重要的作用。不过单一的条件对电池性能改善并不明显，因此优化化成条件并加以综合，才能达到提高电池性能的目的。

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