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23年專(zhuān)注鋰電池定制

優(yōu)化電池化成工藝 降本增效

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:659次  |  2023年05月16日  

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。

過(guò)針刺 低溫防爆18650 2200mah
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。

無(wú)人船智能鋰電池
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。


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