锂离子电池化成条件对化成效果的影响

杨 娟

锂离子电池化成条件对化成效果的影响

杨 娟

（新乡电池研究院有限公司，河南 新乡 453000）

在锂离子电池制作过程中，化成是一道非常重要的工序。本文综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如内阻、容量和循环性能等的影响。

锂离子电池；SEI膜；化成电流；化成电压；化成温度；外加压力

锂离子电池是20世纪90年代出现的绿色高能环保电池，因其具有能量密度高、环境友好、无记忆效应、循环寿命长、自放电小等突出优点，在电动汽车领域应用越来越广泛。在锂离子电池制作过程中，化成是非常重要的工序。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［1-2］。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［3-4］。本文结合最近几年的研究成果，综述化成电流、化成夹具、化成时间等因素对电池化成效果的影响。

1 化成电流

S.S.Zhang等［5］研究了化成时充电电流对SEI膜性能的影响。他们发现，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。张秋萍［6］研究了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。

2 化成电压

闻人红雁［7］研究了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。她分别用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4.1%。通过SEM图发现，截止电压为4.2V的负极极片上有明显白斑，而3.5V极片上没有。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，这可能都与充电电压过高导致负极表面有过多的锂离子嵌入有关。有研究表面，“白斑”是在负极表面沉积的金属锂或锂的化合物，该化合物一旦在负极上形成，不会再回到正极，且导电性较差［8-9］，导致电池化成时首效低且极片内阻大，从而进一步影响电池循环性能。鲁桂梅［10］对比了4种不同的化成方法，发现预充电时充电至电池荷量的65%，然后放电至2.5V，再进行一次放充循环后，电池在循环测试中衰减最慢。

3 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［11］。

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。Ishiikawa［12］在优化低温处理条件时发现，在-20℃时生成的SEI膜循环性能最好，这是因为低温时形成的SEI膜致密稳定，且阻抗较低。Andersson则认为高温条件下，原来的膜进行结构重整，膜的溶解与重新沉积使新的膜具有多孔的结构，从而使电解液与负极进一步接触并继续还原。D.Aurbanch［13］等发现高温下易形成LiF在负极表面沉积。含有LiF的SEI膜会严重阻碍锂离子的迁移，富集程度越高，影响程度越大。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。S.S.Zhang［5］等研究发现，化成时形成良好的SEI膜的适宜温度是20～35℃，最好是35℃。陈丹丹［14］通过研究比较了在20、30、40℃预充电池放电容量、放电平台、内阻变化、循环性能和极片表面状态，分析得出电池最佳的预充温度是30℃。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。

4 外加压力

郭玉斌［15］研究了在化成两次充电之间加滚压压力与不加的区别，发现没有加压力的电池比施加合适压力的电池充电容量低约1Ah。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滚压压力，则可以帮助消除气体，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。

5 结语

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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Influence of Formation Conditions of Lithium Ion Battery on Formation Efficiency

Yang Juan
（Xinxiang Battery ResearchInstitute Co.,Ltd.，Xinxiang Henan 453000）

Formation is very important in the process of making lithium ion battery.In this paper We talk⁃ed about the effects of the conditions such as formation current,voltage,temperature and pressure on the battery performance such as internal resistance,capacity and circulation performance.

lithium on batter；SEImembrane；formation current；formation voltage；formation temperature；im⁃pressed pressure

TM912

A

1003-5168（2017）10-0139-02

2017-09-03

杨娟（1983-），女，硕士，助理工程师，研究方向：锂离子电池。