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锂离子电池高温化成工艺研究
储能科学与技术 2019-08-16 次浏览
1、研究背景
高温高压大电流化成因其能有效的缩短化成时间，提高生产效率，而引起研究人员的广泛关注。对电池施加一定的压力，有利于缩短锂离子的扩散距离，同时能保证电池正负极界面平整、均匀接触，有利于电子的均匀分布；而在化成过程中，施加高温，可以降低电解液的黏度，加速离子的扩散，保证在大电流下，电子与离子迅速结合。然而，若电芯表面压力过小，极片接触不够均匀充分，这与传统的化成方式相同；当电芯表面压力过大时，电极表面的电解液被挤出，离子浓度降低，不利于SEI膜形成；对于化成温度，当化成温度过低时，因采用的化成电流较大，离子速度无法达到与电子匹配的速度，对SEI膜形成有影响;当化成温度过高时，对电解液和材料及后期性能均有影响。因此，探索合适的化成温度和压力显得十分必要。
2、创新点及解决问题
本文在此基础上，通过保持压力，改变化成温度，探索了化成温度对化成效果及电池性能的影响，优选出了在此压力下匹配较好的化成温度。
3、重点内容导读
通过比较不同温度下的化成工步①，可知随着温度的升高，化成所需的时间变长，在40 ℃时，电池在0.2 C条件下充电至3.7 V，仅需26.1min，而在60 ℃时，需32.4 min；对于80 ℃，在40 min的时间内，电池电压未达到3.7 V。这一现象的可能原因是温度越高，电池内部电化学反应活性越大，导致电池电解液分解较多，从正极脱离的锂离子在负极表面与电解液、电解质等反应，导致电池电压上升较慢，消耗较长的时间；而对比电压降，在40 ℃时，为79.4 mV，在80 ℃时，电压降仅为32 mV，可直接证明温度越高，电化学反应越快，到达负极的电子能较快被消耗，以致电池极化较低。
在化成工步2中，可观察到50 ℃条件下，电池充电至4.1 V所用时间为79.03 min，电压降为100.6 mV；而在60℃时，所用时间为78.4min，电压降为90.5mV，可知在较高电位下，温度升高，可加快电池主体反应（Li+CLi6C），此时未产生副反应或较少副反应，导致电池充电时间变短，同时电压降也变低。而当温度超过一定限度时，如温度达到70 ℃，80 ℃，可观察到电池在80 min内电压并未充至4.1 V，同时电压降也变低，可知电池充电至较高电位时，在过高温度下，虽能加快电池电化学反应，但同时也能导致更多的电解液发生分解，以致电池充电时间变长。
对于化成前后的内阻及厚度变化，如表3所示。从方案一、二、三的内阻及厚度变化数据可以看出随着温度的升高，化成后其内阻及厚度均呈上升趋势。这也可从侧面证实随着温度升高，电池内部化学反应较多，生成较厚的界面膜，从而导致电池内阻及厚度偏高。
3.2 循环性能
电池以0.5 C进行充放的循环性能如图1所示。从中可以观察到不同温度化成的电池前350次的循环性能相差不多，其初始容量均可达到3000 mA·h，而在400次循环后，容量保持率开始出现差别，450次循环后，方案一、二、三、四的容量保持率分别为90.57%，90.63%，93.44%，92.02%，表明80 ℃高温化成电池的循环性能更优于其余方案电池，可能是因为80 ℃化成，电池活性更大，产生的SEI膜较厚，有利于电池的循环稳定性。
图1 不同温度化成电池的循环性能
4、结 论
本文研究了高温压力化成中不同的化成温度对化成效果及电池性能的影响，主要得出了如下结论：
（1）比较四种不同化成温度的化成工步时间、电压、电压降，可以发现温度越高，电池反应活性越大，电池化成时间设定应相应延长。
（2）比较60 ℃与80 ℃化成的电化学性能，80 ℃化成的循环性能优于60 ℃。
因此，通过优化高温压力化成的温度能有效的改善化成效果。锂电工艺的不断进步和发展，定能协同光伏、电动车、户储等产业发展，共同构建一个清洁、安全、和谐、美好的世界。
5、引用本文