鋰電池的生產(chǎn)工藝可以分為前道極片制造、中道電芯封裝、后道電池活化三個階段,電池活化階段的目的是讓電池中的活物質(zhì)和電解液經(jīng)過充分活化以達(dá)到電化學(xué)性能穩(wěn)定?;罨A段包括預(yù)充電、化成、老化、定容等階段。預(yù)充電和化成的目的是為了讓正負(fù)極材料進(jìn)行最初幾次的充放電來激活材料,使材料處于最佳的使用狀態(tài)。
老化的目的主要有幾個:一是讓電解液的浸潤更加良好,有利于電池性能的穩(wěn)定;二是正負(fù)極材料中的活性物質(zhì)經(jīng)過老化后,可以促使一些副作用的加快進(jìn)行,例如產(chǎn)氣、電解液分解等,讓鋰電池的電化學(xué)性能快速達(dá)到穩(wěn)定;三是通過老化一段時間后進(jìn)行鋰電池一致性篩選。化成之后電芯的電壓不穩(wěn)定,其測量值會偏離實(shí)際值,老化后的電芯電壓、內(nèi)阻更為穩(wěn)定,便于篩選一致性高的電池。
老化制度對鋰電池性能的影響因素主要有兩個,即老化溫度和老化時間。除此之外,還有老化時電池處于封口還是開口的狀態(tài)也比較重要。
對于開口化成來說,如果廠房可以控制好濕度可以老化后再封口。如果采用高溫老化,封口后老化比較好。對于不同的電池體系,三元正極/石墨負(fù)極鋰電池、磷酸鐵鋰正極/石墨負(fù)極鋰電池抑或是鈦酸鋰負(fù)極電池,需要根據(jù)材料特性及鋰電池特性進(jìn)行針對性試驗(yàn)。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中,可以通過鋰電池的容量差別、內(nèi)阻差別、壓降特點(diǎn)來確定最佳的老化制度。
一、三元或磷酸鐵鋰正極/石墨負(fù)極鋰電池
對于三元作為正極材料,石墨作為負(fù)極材料的鋰電池來說,鋰離子電池的預(yù)充化成階段會在石墨負(fù)極的表面形成一層固態(tài)電解質(zhì)膜(SEI),此種膜的形成電位約在0.8V左右,SEI允許離子穿透而不允許電子通過,由此在形成一定厚度后會抑制電解液的進(jìn)一步分解,可以起到防止電解液分解引起的電池性能下降。但是化成后形成的SEI膜結(jié)構(gòu)緊密且孔隙小,將電池再進(jìn)行老化,將有助于SEI結(jié)構(gòu)重組,形成寬松多孔的膜,以此提高鋰電池的性能。
三元/石墨鋰電池的老化一般選擇常溫老化7天-28天時間,但是也有的廠采用高溫老化制度,老化時間為1-3天,所謂的高溫一般是38℃-50℃之間。高溫老化只是為了縮短整個生產(chǎn)周期,其目的和常溫老化一樣,都是讓正負(fù)極、隔膜、電解液等充分進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡,讓鋰電池達(dá)到更穩(wěn)定的狀態(tài)。
二、鈦酸鋰負(fù)極鋰電池
俗稱的鈦酸鋰電池是負(fù)極采用了鈦酸鋰的電池,正極材料主要還是三元、鈷酸鋰等材料。鈦酸鋰電池與石墨負(fù)極電池的不同之處是鈦酸鋰的嵌鋰電位是1.55V(相對于鋰金屬),高于SEI形成的0.8V,所以充放電過程中不會形成固態(tài)電解質(zhì)膜(SEI)也不會形成枝晶鋰,從而具有更高的安全性。
這就意味著鈦酸鋰充電過程中,不斷的有電子與電解液發(fā)生反應(yīng),生成副產(chǎn)物及產(chǎn)生氫氣、CO、CH4、C2H4等氣體,會導(dǎo)致電池的鼓包。鈦酸鋰的鼓包問題主要得依靠材料性質(zhì)的改變來緩解,例如材料表面包覆、改變粒徑分布,找到合適的電解液等。
此外,通過優(yōu)化預(yù)充、化成、老化的制度也可以適當(dāng)減輕鈦酸鋰鼓包現(xiàn)象。鈦酸鋰電池的老化制度一般首選高溫老化制度,老化溫度采用40℃-55℃,老化時間一般是1-3天,老化之后需要進(jìn)行負(fù)壓排氣。進(jìn)行多次高溫老化,使電池內(nèi)部水分充分反應(yīng),將氣體排出后可以有效抑制鈦酸鋰電池的脹氣問題,提高其循環(huán)壽命。
無論對于哪種體系的電池,老化是必不可少的一道工序。鋰電池的老化雖然理解起來是對鋰電池的損耗和破壞,但是事實(shí)上卻是篩選一致性高的電池,剔除不良品的有效途徑。只有通過老化的方式,才能選出適宜進(jìn)行組包的鋰電池,提高電動工具的使用壽命。