来源：锂电前沿 | 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。
- 在Li⁺第一次充电时，会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，称之为固体电解质相界面或称SEI膜(SOLID ELECTROLYTE INTERFACE)。
- SEI膜的形成消耗了有限的锂离子，需要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溶剂分子等发生不可逆反应；
- 不可逆反应主要发生在首次充电过程中；
- 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100～120nm，组成主要有Li₂CO₃、LiF、Li₂O、LiOH等无机成分和ROCO₂Li、ROLi等有机成分。
- 烷基碳酸锂和Li₂CO₃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后的主要成分。
化成气体产生与电压关系
产气总量于3.0V处最大，大于3.5V后迅速减少。小于2.5V时主要为H₂和CO₂；3.0V~3.8V主要为C₂H₄；超出3.8V主要为C₂H₆和CH₄。
化成产生气体分类
化成产生气体成分比较
化成产生气体的原因及机理
电解液采用1mol/L LiPF₆-EC~DMC~EMC(体积比1：1：1)时，电压小于2.5V下主要为H₂和CO₂；2.5V时EC开始分解；3.0V~3.5V主要产生C₂H₄；大于3.0V时DMC和EMC分解产生CH₄、C₂H₆等；高于3.8V后DMC和EMC还原分解为主反应。
电解液中主要的有机溶剂结构
EC碳酸乙烯酯；PC碳酸丙烯酯；DEC二乙基碳酸酯；DMC二甲基碳酸酯；DME二甲氧基乙烷；DOL二氧戊环；MEC甲基乙基碳酸酯
化成过程中的主要化学反应
- 正极：LiCoO₂ = Li₁₋ₓCoO₂ + xLi⁺ + xe⁻
- 负极：6C + xLi⁺ + xe⁻ = LiₓC₆
- 总反应：LiCoO₂ + 6C = Li₁₋ₓCoO₂ + LiₓC₆
SEI膜形成中的主要化学现象
- 化成过程伴随电能、化学能和热能转化，产生H₂、CO、CO₂、C₂H₄、CH₄、C₂H₆等气体，电芯设气囊排出气体。
- SEI膜形成的质量、稳定性、界面优化是决定电池寿命的重要因素。
化成设备工作原理
使电池在休眠(ST)、恒流充电(CC)、恒压充电(CV)、恒流放电(DC)四种状态间切换，记录数据为电池性能分析提供依据。
化成测试流程
- 第一步休眠
- 第二步恒流充电：0.02C充电270min，小电流使SEI膜质量更好
- 第三步休眠：消除极化作用
- 第四步恒流充电：0.1C充电到3.95V，SEI膜致密热稳定性更好
化成异常处理
1、发流程无电流：检查夹子、断线、虚焊，异常电芯立即取出。
2、电压充不上：出现波动立即休眠，防止燃烧。
3、异常停电：断电保护→搜寻历史数据→检查采集。
4、过充：过充将锂离子硬塞进负极碳结构无法释放，过放导致负极碳片层塌陷，均造成永久损坏。
