1、46 鲁桂梅：锂离子电池化成工艺研究 锂离子电池化成工艺研究 锂离子电池化成工艺研究 鲁桂梅，谢 秋，石永伉，任卫斌 （中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471003） 鲁桂梅：锂离子电池化成工艺研究 摘 要摘 要：考察了四种化成工艺对电池性能的影响，优选出了一种高效的锂离子电池化成工艺，该化成工艺是：0.1C 恒流充电至电池荷电量的 0.65，然后 0.1C 恒流放电至 2.5V，连续循环两次。该化成工艺可以提高生产效率、提高锂离子电池的放电容量、提高锂离子电池的循环性能。 关键词：关键词：化成工艺；锂离子电池；生产效率；放电容量；循环性能 锂离子电池是 20 世纪 90 年代出现的绿色高能环
2、保电池， 具有能量密度高、 环境友好、 无记忆效应、 循环寿命长、自放电少等突出的优点， 是摄像机、 移动电话、 笔记本电脑、便携式测量仪等电子装置小型轻量化的理想电源， 也是未来电动汽车、军用的理想轻型高能动力源。因此，锂离子电池成为近年来电池界广泛研究的热点1-4。 化成是锂电池生产过程中的重要工序， 化成时在负极表面形成一层钝化层，即固体电解质界面膜(SEI膜) 5-8，SEI膜的好坏自接影响到电池的循环寿命、稳定性、自放电性、安全性等电化学性能， 满足二次电池密封 “免维护” 的要求，而不同的化成工艺形成的SEI膜有所不同，对电池的性能影响也存在很大差异。传统的小电流预充方式有助于稳定
3、的SEI膜形成， 但是长时间的小电流充电会导致形成的SEI膜阻抗增大， 从而影响锂离子电池的倍率放电性能， 过程时间长影响生产效率，另外，对于磷酸铁锂体系，当充电电压大于3.7V时， 可能会使磷酸铁锂的晶格结构造成破坏， 从而影响电池的循环性能， 因此， 探索一种高效的锂电池化成工艺就很有必要。 本文考察了四种化成工艺对电池性能的影响， 优选出了一种高效的锂离子电池化成工艺， 该化成工艺可以提高生产效率、提高锂离子电池的性能。 1 试验 1 试验 1.1 主要原料和仪器设备 化成及循环试验中所用主要原料和仪器设备见表1。 表1 主要原料和仪器设备 名称 规格 产地 化成测试机 55V50A 深
4、圳 恒温箱 SE-600-5-5 美国 40Ah动力锂离SE40AHA 洛阳 1.2 电池的制备 公司锂离子电池的生产流程图1所示。 图1 锂离子电池生产流程图 化成 组装电芯 合浆 烘烤 辊压 叠片 涂布 注液 成品入库 切片 大电流测试 2011 年 第 9 期2011 年 9 月化学工程与装备 Chemical Engineering & Equipment 鲁桂梅：锂离子电池化成工艺研究 47 1.3 测试 1.3.1 化成 取同一批次注液后的 40AH 电池 12 块， 分成四组， 分别标识为 A-1,2,3，B-1,2,3，C-1,2,3，D-1,2,3，在化成测试机上，四组电池化
5、成工艺如表 2 所示。 表 2 化成工艺 电池标号 工艺内容 A-1， A-2， A-3 (1) 0.1C 恒流充电至 4.2V (2) 4.2V 恒压充电至电流为 1000mA (3) 静置 20 分钟 (4) 0.1C 恒流放电至 2.5V B-1， B-2， B-3 (1) 0.05C 恒流充电至 2.7V (2) 0.3C 恒流充电至 3.7V (3) 3.7V 恒压充电至电流为 1000mA (4) 静置 20 分钟 (5) 0.1C 恒流放电至 2.5 C-1， C-2， C-3 (1) 0.1C 恒流充电至电池荷电量的0.65，需时 6.5h (2) 静置 20 分钟 (3) 0
6、.1C 恒流放电至 2.5V (4) 静置 20 分钟 (5) 0.1C 恒流充电至 3.7V (6) 3.7V 恒压充电至电流为 1000mA (7) 静置 20 分钟 (8) 0.1C 恒流放电至 2.5V D-1， D-2， D-3 (1) 静置 20 分钟 (2) 0.1C 恒流充电至电池荷电量的0.65，需时 6.5h (3) 静置 20 分钟 (4) 0.1C 恒流放电至 2.5V (5) 循环 1 次 1.3.2 循环试验 化成后，电池静置陈化 7 天，在恒温箱内，用化成测试机对四组电池以 I3 电流对进行充放电试验，25恒温循环30 周。 2 结果与讨论 2 结果与讨论 2.1
7、 化成 电池 A-1,2,3，B-1,2,3，C-1,2,3，D-1,2,3 分别按上述化成工艺进行化成，化成试验数据见表 3。 表 3 化成时间数据 化成工艺 电池标号 化成时间/h 化成时间 平均值/h A-1 28.5 A-2 28.3 1 A-3 28.6 28.5 B-1 18.4 B-2 18.5 2 B-3 18.7 18.5 C-1 38.4 C-2 38.7 3 C-3 38.1 38.4 D-1 25.4 D-2 25.6 4 D-3 25.5 25.5 由表 3 数据可以看出， 化成工艺 2 需时最短，比化成工艺 1 约短 10 小时；化成工艺 3 需时最长，比化成工艺
8、1 长约 10 小时；化成工艺 4 比化成工艺 1 约短 3 小时。通过对比以上数据，化成工艺 2 和 4 对生产效率的提高比较显著，需进一步的循环测试方可深入比较以上化成工艺对电池性能的影响情况。 2.2 循环试验 化成后，电池静置陈化 7 天，以 I3 电流对四组电池进行充放电试验，25恒温循环 30 周，四组电池的循环曲线拟合后如图 2 所示： 05101520253045.045.546.046.547.047.548.048.549.049.550.050.551.051.552.052.553.0放电容量/AH循 环 次 数 化 成 工 艺 1 化 成 工 艺 2 化 成 工 艺
9、3 化 成 工 艺 4 图 2.循环曲线图 由图 2 及实验数据可知： （1）循环 30 周，化成工艺 1、化成工艺 2、化成工艺3、化成工艺 4 化成的电池，放电容量的平均每次衰率减分别为：0.123、0.075、0.113、0.068。可见，化成工艺 4 循环性能最好。 （下转第 40 页）（下转第 40 页） 40 刘庆江：贮料罐有限元疲劳分析 中部锥体 部分 60.97 147.6 271 下锥/接管 部分 33.2 133.7 248.45 1.5 计算结果评定 （1）由 JB4732-95钢制压力容器-分析设计标准强度分析设计法： 一次局部薄膜应力：S1.5Smt； 一次加二次应力
10、强度 S3.0Smt； 1+2+34.0Smt。 满足上述 3 个条件， 该设备强度满足要求， 能够正常运行。 （2） 分析结果表明,贮料罐在设计工况下峰值应力最大值位于上封头/接管部分封头与筒体连接的过渡圆角处,根据此位置内、外压力工况下的最大峰值应力，查 JB4732-95钢制压力容器-分析设计标准在此交变应力幅值下所允许的循环次数， 都为； 再考虑累积损伤, 贮料罐承载两种应力循环,1.2 MPa0MPa，0MPa-0.032 MPa；则按照累积使用系数公式：U=（n1/N1）+（n2/N2）+,要求累计使用系数不得大于 1。本贮料罐的累积使用系数1,故该设备满足疲劳强度要求。 2 结论
11、 2 结论 （1）承受交变载荷的薄壁容器，在内、外压作用下，其最大交变应力幅值发生在封头与筒体连接的过渡圆角处，并处于内表面。 （2）峰值应力是由局部结构不连续和局部热应力引起的叠加到一次加二次应力上的应力增加量， 不会引起明显变形，其危害性仅仅是引起疲劳或脆性断裂。 （3）适当调整圆角半径尺寸，可以改善设备承受交变载荷的能力，从而避免疲劳破坏的发生。 （4）设备的疲劳设计方法已形成规范，但采用 ANSYS后处理器所得到的应力结果来确定体单元或壳单元模型疲劳寿命耗用系数，是很方便的。 （上接第 47 页）（上接第 47 页） （2）化成工艺 2 比化成工艺 1 化成时间约短 10 小时，能大大
12、提高生产效率， 并且电池容量衰减较为缓慢， 但是电池的放电容量偏低。 （3）化成工艺 3 化成的电池，容量衰减较快，并且化成时间比化成工艺 1 约长 10 小时，生产效率低。 （4）化成工艺 4 化成的三块电池放电容量较高，容量衰减缓慢， 并且化成时间比化成工艺 1 约短 3 小时， 能够提高生产效率。 3 结语 3 结语 综合比较四种化成工艺， 考察了四种化成工艺对电池性能的影响，从化成及循环数据分析可以看出：化成工艺 4较佳， 该化成工艺可以提高生产效率、 提高锂离子电池的放电容量、提高锂离子电池的循环性能。该化成工艺是：0.1C恒流充电至电池荷电量的0.65， 然后0.1C恒流放电至2.
13、5V，连续循环两次。 参考文献 参考文献 1 J.Y. Lee, R.F. Zhang, Z.L. Liu. Dispersion of Sn and SnO on carbon anodesJ. J. Power Sources, 2000, 90: 70-75. 2 郑洪河, 等. 锂离子电池电解质. 北京: 化学工业出版社, 2002. 3 吴宇平, 万春荣, 姜长印, 等. 锂离子电池. 北京: 化学工业出版社, 2002. 4 吴宇平, 戴晓兵, 马军旗, 等. 锂离子电池应用与实践. 北京: 化学工业出版社, 2000. 5 徐仲榆, 郑洪河. 电源技术. 2000, 24(3):
14、 171-177. 6 Peled E. J. Electrochem. Soc. 1979, 126(12): 2047 -2051. 7 Munichandraiah N, Scanlon L G, Marsh R A. J. Power Sources. 1998, 72: 203-210. 8 Aurbach D, Zinigrad E, Cohen Yaron, et al. Solid State Ionics. 2002, 148:405-416. word版下载：http:/-阅读此文的还阅读了：阅读此文的还阅读了：1. 锂离子电池化成检测新方法2. 一种锂离子电池化成方法3.
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