化成（Formation） 是锂离子电池生产过程中的关键工序之一，指在电池组装完成后，首次对电池进行充放电处理的过程。通过特定的充放电制度，使电池内部发生一系列电化学反应，形成稳定的固体电解质界面膜（SEI膜），并激活电池活性材料，使电池达到最佳性能状态。

该工序涉及的知识点较多，对生产电芯的品质、效率直接相关。并且，不同体系设计的电芯化成要求均有差异，优化起来比较复杂，

目的

  • 形成稳定的SEI膜：在负极表面形成一层致密、均匀、稳定的SEI膜，防止电解液与负极材料直接接触，减少副反应，提高电池循环寿命和安全性。
  • 激活活性材料：通过首次充放电，使正负极材料充分活化，达到最佳电化学性能。
  • 排除内部气体：化成过程中产生的气体通过排气工艺排出，避免电池鼓胀，提高电池安全性。
  • 筛选不良品：通过化成过程中的数据监测，筛选出性能不良或存在安全隐患的电池，确保出厂电池质量。

化成工序的基本原理

SEI膜的形成机理

在锂离子电池首次充电过程中，电解液中的溶剂和锂盐在负极表面发生还原分解反应，形成一层固体电解质界面膜（SEI膜）。SEI膜的主要成分包括：

  • 无机成分：Li₂CO₃、LiF、Li₂O等
  • 有机成分：ROCO₂Li、ROLi等

SEI膜的形成过程涉及复杂的电化学反应，受电解液组成、温度、电流密度等因素影响。 [[SEI膜的形成机理]]

气体产生机理

化成过程中会产生一定量的气体，主要来源包括：

  • 电解液分解：电解液中的溶剂和锂盐在首次充放电过程中发生分解反应，产生CO₂、C₂H₄等气体。
  • 水分反应：电池内部残留的水分与电解液反应，产生HF等有害气体。
  • 添加剂分解：电解液中添加的成膜添加剂在反应过程中产生气体。

化成工序的工艺流程

工艺流程图

graph LR
A[装配工序完成] --> B[静置老化]
B --> C[首次充电]
C --> D[首次放电]
D --> E[排气]
E --> F[二次充电]
F --> G[性能检测]
G --> H[分级筛选]
H --> I[合格品入库]

关键工艺步骤

  1. 静置老化

    • 目的：使电解液充分浸润极片，稳定电池内部状态
    • 时间：通常12-48小时
    • 温度：常温或稍高温（40-60℃）

  2. 首次充电

    • 充电制度：小电流恒流充电（通常0.1C-0.5C）
    • 截止电压：根据电池体系确定（如LFP-Gr体系3.65V、NCM-Gr体系4.1-4.4V）
    • 温度控制：通常25±5℃

  3. 首次放电

    • 放电制度：小电流恒流放电（通常0.1C-0.5C）
    • 截止电压：根据电池体系确定（如磷酸铁锂电池2.0-2.5V）

  4. 排气

    • 目的：排出化成过程中产生的气体
    • 方法：抽真空或惰性气体置换

  5. 二次充电

    • 充电制度：根据电池类型调整，一般≥0.5C
    • 目的：进一步稳定SEI膜，激活电池性能

  6. 性能检测

    • 检测项目：容量、内阻、自放电率等
    • 筛选标准：根据产品规格书确定

化成工序的关键参数

温度控制

  • 温度范围：通常控制在25±5℃
  • 温度影响：
    • 温度过高：加速副反应，SEI膜结构疏松
    • 温度过低：反应速率慢，SEI膜形成不完全

电流密度

  • 常用范围：0.1C-0.5C
  • 电流影响：
    • 电流过大：SEI膜不均匀，易产生锂枝晶
    • 电流过小：化成时间长，生产效率低

截止电压

  • 设定原则：根据电池材料体系确定
  • 电压影响：
    • 截止电压过高：电解液过度分解，副反应增多
    • 截止电压过低：SEI膜形成不完全

时间控制

  • 化成时间：通常需要20-50小时
  • 时间影响：
    • 时间过短：SEI膜形成不完全
    • 时间过长：生产效率低，成本增加

化成工序的设备与系统

化成设备类型

  1. 通道式化成设备

    • 特点：自动化程度高，适合大批量生产
    • 应用：动力电池生产线

  2. 柜式化成设备

    • 特点：灵活性好，适合小批量多品种生产
    • 应用：研发实验室、小批量生产

  3. 高温化成设备

    • 特点：可加速SEI膜形成，缩短化成时间
    • 应用：对生产效率要求高的场合

关键系统组成

  • 充放电系统：提供精确的电流电压控制
  • 温控系统：确保化成温度稳定
  • 数据采集系统：实时监测电压、电流、温度等参数
  • 安全保护系统：过压、过流、过温保护

化成工序的质量控制

关键质量指标

  1. SEI膜质量

    • 评价方法：EIS测试、SEM观察
    • 理想特征：致密、均匀、稳定

  2. 首次效率

    • 计算公式：首次放电容量/首次充电容量×100%
    • 一般要求：>85%

  3. 内阻

    • 测试方法：交流阻抗法
    • 要求：符合产品规格

  4. 满充界面

  • 要求界面无黑斑、无析锂、表面色泽均匀

常见问题及对策

问题 原因 解决措施
SEI膜不致密 化成制度不当 优化电流、电压参数
首次效率低 副反应过多 控制水分、优化电解液
内阻偏大 SEI膜过厚 调整化成温度和时间
界面黑斑 压力不足、产气过度 加压、排查水分
析锂 极片过压、倍率过大 排查极片压实、化成工步

化成工序的发展趋势

快速化成技术

  • 目标：缩短化成时间，提高生产效率
  • 方法：优化充电制度、采用脉冲化成等

高温化成技术

  • 优势：加速SEI膜形成，提高电池性能
  • 挑战：温度控制精度要求高

智能化成系统

  • 特点：基于大数据和AI的化成参数优化
  • 优势：提高化成一致性和电池性能

绿色化成工艺

  • 目标：减少能耗和环境污染
  • 措施：优化工艺参数、使用环保材料

总结

化成工序是锂离子电池生产中的关键环节，直接影响电池的性能、寿命和安全性。通过优化化成工艺参数、改进设备和控制系统，可以显著提高电池品质和一致性。未来，随着新材料和新技术的应用，化成工序将朝着更高效、更智能、更环保的方向发展。

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  • 20250709：创建该文章，待完善SEI膜形成机理、气体来源、化成工步；

标签: LIB, 工艺

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