锂离子电池化成分容工艺分析及设备能力提升

摘 要：随着新能源的发展，尤其在电动汽车领域，对锂离子电池的安全，循环寿命及能量密度等要求越来越高，同时也对锂离子电池的研发提出了更高的要求。锂离子电池的化成分容是研发过程中关键的一环，对于各种研发试制的锂离子电池，化成分容工艺分析是提升电池性能的重要步骤。同时，设备能力的提升，可以满足多种锂离子电池的要求。目前市场上存在的化成分容设备控制精度低，且成本较高、设备单一，无法满足多种锂离子研发试制需求。针对以上问题，在化成分容工艺分析基础上，文章提出了兼容多种锂离子电池的设备，该设备主要由电源柜、结构柜、高温箱、通信网络、电脑上位机及软件、二维码追溯等组成。

关键词：新能源 锂离子电池 化成分容 工艺分析 设备能力

0 引言

随着汽车行业的不断发展，以及人们交通多样化的需求增高，新能源迎来阔步前行的发展时代，其中，锂离子电池在其中的应用尤为突出[1]。锂离子电池不仅具有绿色环保、额定电压高等电池传统优点，还具有环境友好、总体质量轻、寿命较长、使用中没有记忆效应和自放电率低等自身突出优点[2]。锂离子电池的应用领域不仅仅在汽车行业，其在消费电子、可穿戴设备、电站储能电源系统、军事军用设备、不间断类型电源等方面也具有很大的作用。特别在新能源汽车领域，新能源汽车车型应接不暇，相应锂电产业供不应求，从2021年海内外需求共振放量到目前锂离子电池比能量持续增加[3]，都展现了锂电行业在当下能源转型中的重大推动作用。另外，锂离子电池的制作以及使用过程没有有害物质，所以使用锂离子电池对环境无污染，可以说是当下名副其实的“绿色能源”。

化成和分容是高质量锂离子电池生产过程中不可或缺的两部分[4]，是生产的重要工序。它们在锂离子电池的生产中起着不同的作用。化成工序的作用可分为两类，其一，可以生成钝化膜，这种钝化膜是在电极表面生成的。其二，化成工序在形成钝化膜的同时，可以使锂离子转化成为正常离子，这时的离子就是具有电化学作用的离子。化成之后就是分容工序，此工序的作用是对电池进行充放电的操作，这项操作对充电和放电的电压、电流的要求是极其严格的，并且这种操作是循环测量的，测量的数据包括电池的各项具体参数，最后再根据测量数据对电池进行配组。

锂离子电池的发展不仅在工业领域蓬勃发展，在学术研究方面，国内外的专家学者也不断探索，针对锂离子电池制造工艺中的化成分容进行进一步研究，发表了各种研究成果，对锂电发展具有高度参考和指导作用。韩阳[4]基于锂离子电池化成分容提出了一种优化的额锂离子多功能系统，可对锂离子电池的生产与研究进行有效跟进，该系统使用环形三级分布式的方案，应用在化成分容工序上，有效提高了系统的效率与实施性。张贤凯等人[5]也针对锂离子电池化成分容工序提出了一种优化的系统，该系统是为了预防火灾而设计的自动灭火系统，基于N-1230气体，可以快速响应、控制火灾的火势扩大。李永富等人[6]以团队的形式针对化成成分系统开发出了一种变频技术，该技术基于双向的交流和直流电流，并在其所在的公司生产上验证了化成分容工序设备的使用效率得到提高，生产的电池可以轻松达到70%以上的电能使用效率。Abdul Majid等人[7]通过密度泛函理论计算和分子动力学模拟，探讨了B4C3单层作为阳极材料的电化学可行性。根据B4C3的结构、电子、扩散、储存行为和锂化研究，得出了其最佳阳极性质，并且对锂原子的吸附位点进行了系统的探索。

本文提出了一种设备提升方案，该方案基于化成分容工艺分析基础之上，并且使用该方案的设备可兼容多种锂离子电池设备，主要由电源柜，结构柜，高温箱，通信网络，电脑上位机及软件，二维码追溯等组成。可满足目前市场上存在的化成分容设备的兼容性，以及可以有效解决设备控制精度低，且成本较高、设备单一，无法满足多种锂离子研发试制需求的难题。

1 锂离子电池制作

锂离子电池在实际生产中是一个复杂且精细的过程[8]，涉及锂离子电池的各种组成成分、制作过程、使用设备等。其中有些步骤及其关键，影响着电池生产的质量，比如注液、化成、老化等等。

研究制造、提高锂离子电池的生产，首先要分析锂离子电池的主要组成成分以及这些成分的作用。锂离子电池的组成结构通常可以总结为四大类，分别是正极、负极、电解质和隔膜。第一，正极材料通常采用混合物，使用锂盐、导电剂和相应添加剂混合而成。负极材料一般会选择碳基材料。锂离子电池的正极和负极是锂离子电池至关重要的两个组成部分，它们扮演着不同的角色，负责各自的任务，正极主要起着储存作用以及可以释放能量，所以，通常也将锂离子电池的正极称为电池的储能部分。负极则主要起着电池的输出作用，故而也将负极称为锂离子电池的输出部分。第二，锂离子电池的电解质目前通常使用高氯酸锂、六氟磷酸锂等。其在锂离子电池中负责离子之间的传输。第三，锂离子电池的隔膜材料主要有聚烯烃类隔膜、聚酯类隔膜、无纺布隔膜和陶瓷隔膜等。隔膜用于隔离正极和负极，隔离的目的是防止正负极的短路，同时还允许锂离子在正极和负极间自由穿梭移动，进而保证了电池的正常充电和放电。

锂离子电池的制作过程可分为两大阶段[9]，首先是试制阶段，需要经过注液、化成和老化三个工序，这三个工序后可试制出初步电池成品。然后，再经过密封、分容和检测工序，检测又包括了检测OCV值、K值和厚度等等。最后，进行分选分档，才能进行包装出货。主要步骤如下图1所示。

2 化成分容工艺分析

化成和分容的工序是整个锂离子电池制作过程中的两个重要步骤，其对锂离子电池成品的质量也起着非常重要的作用[10]。所以，分析化成分容工艺，提高响相应的设备性能，可以更好地提升锂离子电池的制造质量，满足各行业的生产兼容需求。

化成工序是在注液工序之后，可分为两个阶段，分别是预化成和化成。其中，预化成主要是对注液后的电池的充电，这个充电过程里的电流是小电流，并且会伴随着气体产生。预化成步骤后，就是化成步骤，相对于预化成的小电流的充电，这个过程所使用的电流则是大电流的充电，但产生的气体会很少。预化成和化成步骤结束，也就代表着化成工序的结束，随之继续的就是老化工序、密封工序等等一系列后续工序。

在实际的生产研究中，可知锂离子电池负极材料（石墨）首次的充电和放电过程都会得到相应的充放电曲线，并且这两条曲线是不完全重合的。这里，就产生了可逆容量和不可逆容量，其中，放电过程的放电容量就是可逆容量，并且这个放电容量往往会小于充电过程的充电容量。显然，充电容量和放电容量就会产生一个差值容量，那么，这个差值就成为不可逆容量，此不可逆容量与SEI膜反应以及其他副反应的形成息息相关，比如，在充电曲线中0.8V左右的不可逆平台就是与SEI膜形成对应。SEI膜是一种固体电解质膜，它对离子和电子的导电性能不一样，对离子可导，然而对电子不可导，锂离子电池的制作，需要使锂离子负极表面形成一个完整的SEI膜，这样电池才会具有一个相对稳定的循环能力，而化成工序就是能使锂离子负极表面形成这样的SEI膜，达到预期目的。

分容是对电池的一个分类过程，分类的标准是容量，需要对密封后的电池进行检测，该检测主要就是对电池的充电和放电的检测，然后进行后工序分档。后工序分档的检测则是针对电池的各种性能以及产品的不同指标进行的，比如容量、内阻、厚度、电压、K值、外观等等，以此可以将电池以不同的等级标准分类。一般可概括为容量分选、性能筛选和质量评估三步。

第一，容量分选是通过分析电池的容量大小、内阻等数据来区分电池的质量等级。电池的容量大小、内阻等数据是在锂离子电池分容的过程中产生，并且由计算机以及相应设备获取的各个测试点的准确数据。容量分选的过程不仅可以将电池按照容量标准进行分类，还可以按此对电池进行排序。第二，性能筛选是对生产出的电池容量在必要条件下进行计算，从而判别电池是否合格的过程。生产出来的电池虽然经过的步骤一样，外表也相同，但每个电池的实际容量可能不一样，不是所有电池的容量都能达到标准，这时，就需要利用相应设备根据规定的测试条件对生产出的电池的容量进行检测，先对电池进行充电，再按照要求的电流进行放电，然后将放电的电流乘以放电所使用的时间，得到的结果就是该电池的容量，只有测试容量大于等于设计容量时，才判定该电池为合格产品，否则归入不合格产品，不能进行下一步的检测。第三，质量评估，这也是评估电池质量水平的一个不可或缺的步骤。锂离子电池在完成首次分容操后，不会立马进入下一步的操作，按照要求，需要将这些电池静止不少于15天的时间，在这个静止时间里，一些电池之前不会显现的问题可能会在这期间才显现出来，进而可以对电池的质量进一步区分和判别。

从上面的分析可以看出，锂离子电池化成是一个对锂离子充放电的过程，分容则可以看成是一个对生产出的电池的一个评估是否合格，以及对电池进行等级分类的过程。

3 设备能力提升过程

从化成分容工艺分析可以看出，在整个化成分容工序中，会涉及各种相应的机器设备，化成分容工序对锂离子电池的生产至关重要，那么所使用的设备亦是如此，对生产以及产品的检测也不容忽视。本研究在化成分容工艺分析的基础上，通过针对第一代高温负压化成设备的不足提升至第二代高温负压化成设备，进而提高锂离子电池生产质量，以及兼容多种锂离子电池生产需求。

第一代高温负压化成设备主要由电源柜、结构柜、上位机及软件、通信网络、校准工装、外部环境控制系统（温度，湿度）等组成。其工作原理如下图2所示。

相关电池工艺单由多部门会签后，发至现场生产人员，然后将电池放入结构柜内，进行正负极极柱及点位确认，进而建立工步并确认下发工步。电源柜内部驱动箱接收指令，对电池进行充电。在整个过程中，通过相关计算机软件可实时看到电池数据动态曲线。

第一代化成设备结构柜由上下两个腔构成，每个腔体有32个点位，通过腔体气缸压合，使电池与电压、电流及温度采集充分接触。第一代化成设备如下图3所示，结构柜如下图4所示。

然而，在锂离子电池生产过程中，发现这种设备只针对于一种尺寸的电池适用，无法兼容其他尺寸的电池，且在设备维护方面，由于设备结构及空间受限，探针组件损坏不容易更换，损坏的点位需将整个腔体内部点位全部拆卸，再进行对损坏点位更换，耗时耗力，影响生产效率，增加设备维护时常。腔体点位探针与电池接触效果无法保证，容易在化成过程中出现数据曲线异常、电池发烫、设备故障报警等问题。从而导致电池化成数据曲线异常，甚至存在失效，严重的情况下会存在着火爆炸的风险，所以，为了保证锂离子电池产品质量和生产效率，以及生产安全，提高第一代化成设备结构柜具有重大意义。

4 提升结果

针对第一代高温负压化成设备在生产使用中存在的不足，在锂离子电池化成分容工艺分析的基础上，以及结合实际生产的需求，对其进行优化升级，提升至第二代高温负压化成设备。

第二代高温负压化成设备由电源柜、结构柜、上位机及软件、通信网络、校准工装、外部环境控制系统（温度，湿度）等组成。图5展示了第二代高温负压化成设备整体结构，图6展示了电源柜及结构柜，图7展示了探针组件的细节。

第二代化成设备相比于第一代化成设备，不仅具有第一代设备所拥有的性能功效，还具有许多第一代设备没有的优点。首先，第二代化成设备在使用方面更加便捷，单库位有32个点位，双库位共计64个点位，与第一代化成设备相比，点位数一致。以方壳电池为例，可通过调整探针组件，来达到整条正负极探针位置和气缸高度，实际操作为左右调节正负极探针位置，上下调整气缸高度。这种操作灵活方便，达到了提高设备能力的目的。其次，第二代化成设备在电池兼容性方面有较大提升，可兼容数十款不同尺寸电池，设备能力提升主要目的是兼容多种不同尺寸电池尺寸，这就满足了相关研发需求。这种结构兼容不同尺寸同侧极耳结构电池，也兼容异不同尺寸异侧极耳结构电池。如：28148115，53148115，32256106等电池。再次，在设备维护方面，探针组件方便更换，正负极探针结构不再受空间结构限制，实现单点位更换，提高了生产效率并减少设备维护时常。最后，在安全方面，由于整体设备空间结构的改变，遇到紧急问题可以快捷处理。

锂离子电池的高质量生产跟设备参数息息相关，经过不断地研究与测试，总结出第二代化成设备的相关最优参数值，具体使用参数如下表1所示。

5 结论

通过对锂离子电池制造过程的研究，在化成分容工艺分析的基础之上，针对目前市场上的化成分容设备存在的不足，比如控制精度低，且成本较高、设备单一，无法满足多种锂离子研发试制需求，以及第一代化成设备维护困难、安全度不高等短板，提出了第二代化成设备优化方案，解决了以上锂离子电池生产难题。并且，经过研究与测试，对电源规格、化成环境温度、电流控制精度等参数，总结出了最优使用参数值，并投入使用，证明了该优化方案的有效性。

但此优化方案也存在不足。首先，目前第二代化成设备使用的柜子规格为5V200A，虽然可以实现中小容量电芯的各种充电需求，但不满足大容量电芯的快充要求。其次，经过实际生产使用的情况来看，电压电流采集线以及温感探头的损坏率较高，这使得设备零件的使用成本有所增加。在后续的研究中，将针对以上不足继续优化第二代化成设备，形成一个更优良的生产设备环境。

基金项目：安徽省高校优秀科研创新团队（2023AH010064）。

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