来源：锂电前沿 | 发布时间：2020-05-14
为什么要化成？
电池制造后，通过一定的充放电方式将其内部正负极物质激活，改善电池的充放电性能及自放电、储存等综合性能的过程称为化成。
什么是化成？
- 锂电芯的化成是电池的初使化，使电芯的活性物质激活，即是一个能量转换的过程。
- 锂电芯的化成是一个非常复杂的过程，同时也是影响电池性能很重要的一道工序。在Li⁺第一次充电时，Li⁺第一次插入到石墨中，会在电池内发生电化学反应，在电池首次充电过程中不可避免地要在碳负极与电解液的相界面上形成覆盖在碳电极表面的钝化薄层，人们称之为固体电解质相界面或称SEI膜(SOLID ELECTROLYTE INTERFACE)。
- SEI膜的形成一方面消耗了电池中有限的锂离子，需要使用更多的含锂正极极料来补偿；另一方面也增加了电极/电解液界面的电阻造成一定的电压滞后。
化成原理
SEI膜形成机制
- 在一定的负极电位下，电极/电解液相界面的锂离子与电解液中的溶剂分子等发生不可逆反应；
- 不可逆反应主要发生在电池首次充电过程中；
- 电极表面完全被SEI膜覆盖后，不可逆反应即停止；
- 一旦形成稳定的SEI膜，充放电过程可多次循环进行
SEI膜组成成分
- 负极材料石墨与电解液界面上通过界面反应能生成SEI膜，厚度约为100～120nm，组成主要有各种无机成分如Li₂CO₃、LiF、Li₂O、LiOH等和各种有机成分如ROCO₂Li、ROLi、(ROCO₂Li)₂等。
- 烷基碳酸锂和Li₂CO₃均为3.5V前形成SEI膜的主要成分，烷基碳酸锂和烷氧基锂为3.5V后形成SEI膜的主要成分。
化成气体产生与电压关系
化成过程中产气总量于电压3.0V处最大，当化成电压大于3.5V后气体迅速减少。小于2.5V时主要为H₂和CO₂；3.0V~3.8V范围内主要为C₂H₄；超出3.8V后主要为C₂H₆和CH₄。3.0V~3.5V为SEI层的主要形成电压区间。
化成产生气体分类
化成产生气体成分比较
电解液中主要的有机溶剂结构
EC为碳酸乙烯酯；PC为碳酸丙烯酯；DEC为二乙基碳酸酯；DMC为二甲基碳酸酯；DME为二甲氧基乙烷；DOL为二氧戊环；MEC为甲基乙基碳酸酯
化成过程中的主要化学反应
- 正极反应：LiCoO₂ = Li₁₋ₓCoO₂ + xLi⁺ + xe⁻
- 负极反应：6C + xLi⁺ + xe⁻ = LiₓC₆
- 电池总反应：LiCoO₂ + 6C = Li₁₋ₓCoO₂ + LiₓC₆
SEI膜形成中的主要化学现象
- 化成过程中伴随着电能、化学能和热能的转化；产生的气体包括H₂、CO、CO₂、C₂H₄、CH₄、C₂H₆等，所以电芯都有一个气囊排出化成中产生的气体。
- SEI膜形成的质量、稳定性、界面的优化是决定电池寿命不可忽视的重要因素。
化成设备的工作原理
化成测试流程
- 第一步休眠
- 第二步恒流充电：以0.02C恒流充电270min，小电流充电使SEI膜质量更好。
- 第三步休眠：消除极化作用。
- 第四步恒流充电：以0.1C充电到3.95V，SEI膜致密，热稳定性更好。
化成过程中的异常现象处理
1、发流程时无电流：检查是否没夹好、夹子断线、虚焊，异常电芯应立即休眠取出。
2、电压充不上：出现电压电流异常波动应立即休眠，以免引起燃烧。
3、异常停电处理：打开化成名→断电保护→自动搜寻历史数据。
4、过充：过度充放电将对正负极造成永久损坏。过度放电导致负极碳片层结构塌陷，过度充电导致锂离子硬塞进负极无法释放。
