鉅大LARGE | 點擊量：1429次 | 2020年08月07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的鋰枝晶問題，又能減少化成時間，降低成本;
傳統(tǒng)的長時間緩慢化成會導致阻抗上升更大和容量保持率更低。
到目前為止，大多數(shù)鋰離子電池仍依賴于插層型石墨材料作為負極，電池在第一次充電期間，石墨負極上會發(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層可以充當保護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層會使石墨暴露在電解質(zhì)中，最終導致石墨結構被破壞。因此，電池化成關于出現(xiàn)穩(wěn)定的SEI層和延長電池使用壽命及良好的容量保持率是必須的。
然而，SEI層的形成過程通常要幾天甚至更長時間，這會降低電池的生產(chǎn)效率，提高時間成本，同時還要長時間占用大量的充放電機，再次提高了成本，綜合起來化成成本約占據(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，化成的好壞對電池性能的影響巨大，因此如何達到成本與性能的平衡是一個很值得探討的問題。
從理論上來說化成所需的時間越長，所需成本就越高，因此如何縮短化成時間是一個關鍵點，目前文獻中化成期間的循環(huán)倍率在C/10-C/20之間，在生產(chǎn)中這個時間可以縮短，但仍然制約著生產(chǎn)速度。高能電池的典型特點是電極高面積載荷(>2mAh/cm^2)，雖然厚電極對降低整體電池成本很重要，但它們對縮短電池化成時間提出了新的挑戰(zhàn)。近日，美國橡樹嶺國家實驗室的DavidL.WoodIII和RoseE.Ruther教授以LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)/石墨電池體系為例，評估了五種軟包電池的不同化成方法，方法中化成時間在10到86小時之間變化。結果表明，長時間化成并不一定能改善電池的長期循環(huán)性能。相反，最佳形成循環(huán)方法的時間處于中間值，此時阻抗上升最小，容量保持率可提高并且鋰枝晶問題也得以防止。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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(A)86h，(B)30h，(C)26h，(D)10h和(E)10h@40(F)不同方法電池的庫侖效率。
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。
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。
俗話說心急吃不了熱豆腐，最短的化成方法(10小時)會導致嚴重的鋰枝晶問題，阻抗急劇新增，其結果是循環(huán)壽命最短和容量保持率最低。時長中等(26-30小時)的化成方法出現(xiàn)最佳的循環(huán)性能，阻抗上升最小，首次庫倫效率最高，SEI膜形成的最薄。令人驚訝的是，進一步新增化成方法的時間并未對電池性能有任何改善。相反，傳統(tǒng)的慢速化成會導致電池阻抗上升更大，容量保持率更低。
根據(jù)以上結果，作者認為快速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的鋰枝晶問題，還可以縮短化成所用時間，這也許是魚與熊掌兼得的一種辦法。
疑問
比較F_30和F_10，F(xiàn)_30相當于以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XPS元素分析的手段，作者測量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?
我們在文中并未找到直接的解釋。作者在文中講到較大電流化成時，會發(fā)生鋰沉積過程，但是此時這些鋰仍是具有活性的，因此在接下來的小電流循環(huán)過程中仍會參與到電化學反應中。那么，我們的猜測是：關于F_30電池第二次以C/2電流密度循環(huán)過程中，第一次的沉積鋰重新參與反應，使得SEI膜變薄。如有不同意見的朋友，歡迎留言討論!
