鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：659次 | 2023年05月16日
優(yōu)化電池化成工藝 降本增效
快速C/2倍率充電，再以C/10倍率放電，既可以解決快速化成帶來(lái)的鋰枝晶問(wèn)題，又能減少化成時(shí)間，降低成本;
傳統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間緩慢化成會(huì)導(dǎo)致阻抗上升更大和容量保持率更低。
到目前為止，大多數(shù)鋰離子電池仍依賴(lài)于插層型石墨材料作為負(fù)極，電池在第一次充電期間，石墨負(fù)極上會(huì)發(fā)生電解質(zhì)分解生成固體電解質(zhì)中間相(SEI)。穩(wěn)定的SEI層可以充當(dāng)保護(hù)層以阻止電解液的持續(xù)分解和溶劑共嵌入石墨層。而不完美的SEI層會(huì)使石墨暴露在電解質(zhì)中，最終導(dǎo)致石墨結(jié)構(gòu)被破壞。因此，電池化成關(guān)于出現(xiàn)穩(wěn)定的SEI層和延長(zhǎng)電池使用壽命及良好的容量保持率是必須的。
然而，SEI層的形成過(guò)程通常要幾天甚至更長(zhǎng)時(shí)間，這會(huì)降低電池的生產(chǎn)效率，提高時(shí)間成本，同時(shí)還要長(zhǎng)時(shí)間占用大量的充放電機(jī)，再次提高了成本，綜合起來(lái)化成成本約占據(jù)電池生產(chǎn)成本的6%。但化成作為電池生產(chǎn)中不可或缺的一步，化成的好壞對(duì)電池性能的影響巨大，因此如何達(dá)到成本和性能的平衡是一個(gè)很值得探討的問(wèn)題。
從理論上來(lái)說(shuō)化成所需的時(shí)間越長(zhǎng)，所需成本就越高，因此如何縮短化成時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，目前文獻(xiàn)中化成期間的循環(huán)倍率在C/10-C/20之間，在生產(chǎn)中這個(gè)時(shí)間可以縮短，但仍然制約著生產(chǎn)速度。高能電池的典型特點(diǎn)是電極高面積載荷(2mAh/cm^2)，雖然厚電極對(duì)降低整體電池成本很重要，但它們對(duì)縮短電池化成時(shí)間提出了新的挑戰(zhàn)。近日，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的DavidL.WoodIII和RoseE.Ruther教授以L(fǎng)iNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)/石墨電池體系為例，評(píng)估了五種軟包鋰電池的不同化成方法，方法中化成時(shí)間在10到86小時(shí)之間變化。結(jié)果表明，長(zhǎng)時(shí)間化成并不一定能改善電池的長(zhǎng)期循環(huán)性能。相反，最佳形成循環(huán)方法的時(shí)間處于中間值，此時(shí)阻抗上升最小，容量保持率可提高并且鋰枝晶問(wèn)題也得以防止。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
表1.本次試驗(yàn)中的五種化成方法
圖1.不同化成方法的NMC811/石墨電池的充放電曲線(xiàn)(A)86h，(B)30h，(C)26h，(D)10h和(E)10h@40(F)不同方法電池的庫(kù)侖效率。
圖2.化成完成后不同化成方法電池石墨電極極片情況(A)86h，(B)30h，(C)26h，(D)10h和(E)10h@40。
圖3.300次循環(huán)后不同化成方法電池石墨電極極片情況(A)86h，(B)30h，(C)26h，(D)10h和(E)10h@40。
圖4.(A)不同化成方法的NMC811/石墨電池的倍率性能。(B)不同化成方法的NMC811/石墨電池的容量保持能力。(C)不同化成方法的NMC811/石墨電池的放電容量。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
圖5.(A)化成循環(huán)后NMC811/石墨電池的奈奎斯特圖和(B)老化循環(huán)后的圖。(C)老化循環(huán)期間86h和30h電池的面積比電阻。(D)以0.1C倍率老化循環(huán)后的電池的放電容量。
圖6.老化循環(huán)后石墨極片的SEM圖像(A)新鮮石墨，(B)86h電池，(C)30h電池，(D)26h電池，(E)10h電池和(F)10h@40電池。
俗話(huà)說(shuō)心急吃不了熱豆腐，最短的化成方法(10小時(shí))會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的鋰枝晶問(wèn)題，阻抗急劇新增，其結(jié)果是循環(huán)壽命最短和容量保持率最低。時(shí)長(zhǎng)中等(26-30小時(shí))的化成方法出現(xiàn)最佳的循環(huán)性能，阻抗上升最小，首次庫(kù)倫效率最高，SEI膜形成的最薄。令人驚訝的是，進(jìn)一步新增化成方法的時(shí)間并未對(duì)電池性能有任何改善。相反，傳統(tǒng)的慢速化成會(huì)導(dǎo)致電池阻抗上升更大，容量保持率更低。
根據(jù)以上結(jié)果，作者認(rèn)為快速C/2倍率充電，再以C/10倍率放電，既可以解決快速充電帶來(lái)的鋰枝晶問(wèn)題，還可以縮短化成所用時(shí)間，這也許是魚(yú)和熊掌兼得的一種辦法。
比較F_30和F_10，F(xiàn)_30相當(dāng)于以F_10的化成方式(C/2CCCVChargeto4.2VtillCurrent<C/20，C/2Dischargeto3.0V)化成了兩次，為何二者的性能差別如此之大?F_30的阻抗更小，SEI更薄(而且相差很大，通過(guò)XpS元素分析的手段，作者測(cè)量F_30和F_10的SEI厚度大概分別為54nm和87nm)?難道較大電流多化成1次，SEI就變薄?
我們?cè)谖闹胁⑽凑业街苯拥慕忉尅Ｗ髡咴谖闹兄v到較大電流化成時(shí)，會(huì)發(fā)生鋰沉積過(guò)程，但是此時(shí)這些鋰仍是具有活性的，因此在接下來(lái)的小電流循環(huán)過(guò)程中仍會(huì)參和到電化學(xué)反應(yīng)中。那么，我們的猜測(cè)是：關(guān)于F_30電池第二次以C/2電流密度循環(huán)過(guò)程中，第一次的沉積鋰重新參和反應(yīng)，使得SEI膜變薄。
