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优化电池化成工艺 降本增效

来源:【拓尔德TRD】 4001com登录入口:2023-05-17 分享 加入收藏 关注:350

快速C/2倍率充电,再以C/10倍率放电,既可以解决快速化成带来的锂枝晶问题,又能减少化成时间,降低成本;


传统的长时间缓慢化成会导致阻抗上升更大和容量保持率更低。


到目前为止,大多数锂离子电池仍依赖于插层型石墨材料作为负极,电池在第一次充电期间,石墨负极上会发生电解质分解生成固体电解质中间相(SEI)。稳定的SEI层可以充当保护层以阻止电解液的持续分解和溶剂共嵌入石墨层。而不完美的SEI层会使石墨暴露在电解质中,最终导致石墨结构被破坏。因此,电池化成关于出现稳定的SEI层和延长电池使用寿命及良好的容量保持率是必须的。


然而,SEI层的形成过程通常要几天甚至更长时间,这会降低电池的生产效率,提高时间成本,同时还要长时间占用大量的充放电机,再次提高了成本,综合起来化成成本约占据电池生产成本的6%。但化成作为电池生产中不可或缺的一步,化成的好坏对电池性能的影响巨大,因此如何达到成本和性能的平衡是一个很值得探讨的问题。


从理论上来说化成所需的时间越长,所需成本就越高,因此如何缩短化成时间是一个关键点,目前文献中化成期间的循环倍率在C/10-C/20之间,在生产中这个时间可以缩短,但仍然制约着生产速度。高能电池的典型特点是电极高面积载荷(2mAh/cm^2),虽然厚电极对降低整体电池成本很重要,但它们对缩短电池化成时间提出了新的挑战。近日,美国橡树岭国家实验室的DavidL.WoodIII和RoseE.Ruther教授以LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)/石墨电池体系为例,评估了五种软包锂电池的不同化成方法,方法中化成时间在10到86小时之间变化。结果表明,长时间化成并不一定能改善电池的长期循环性能。相反,最佳形成循环方法的时间处于中间值,此时阻抗上升最小,容量保持率可提高并且锂枝晶问题也得以防止。


俗话说心急吃不了热豆腐,最短的化成方法(10小时)会导致严重的锂枝晶问题,阻抗急剧新增,其结果是循环寿命最短和容量保持率最低。时长中等(26-30小时)的化成方法出现最佳的循环性能,阻抗上升最小,首次库伦效率最高,SEI膜形成的最薄。令人惊讶的是,进一步新增化成方法的时间并未对电池性能有任何改善。相反,传统的慢速化成会导致电池阻抗上升更大,容量保持率更低。


根据以上结果,编辑认为快速C/2倍率充电,再以C/10倍率放电,既可以解决快速充电带来的锂枝晶问题,还可以缩短化成所用时间,这也许是鱼和熊掌兼得的一种办法。


比较F_30和F_10,F_30相当于以F_10的化成方式(C/2CCCVChargeto4.2VtillCurrent<C/20,C/2Dischargeto3.0V)化成了两次,为何二者的性能差别如此之大?F_30的阻抗更小,SEI更薄(而且相差很大,通过XpS元素分析的手段,编辑测量F_30和F_10的SEI厚度大概分别为54nm和87nm)?难道较大电流多化成1次,SEI就变薄?


大家在文中并未找到直接的说明。编辑在文中讲到较大电流化成时,会发生锂沉积过程,但是此时这些锂仍是具有活性的,因此在接下来的小电流循环过程中仍会参和到电化学反应中。那么,大家的猜测是:关于F_30电池第二次以C/2电流密度循环过程中,第一次的沉积锂重新参和反应,使得SEI膜变薄。


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