I tillverkningsprocessen med litiumjonbatterier är bildning ett kritiskt förfarande. Den här artikeln diskuterar effekterna av formationsförhållanden (t.ex. bildningsström, bildningsspänning, bildningstemperatur och yttre tryck) på batteriets prestanda, inklusive internt motstånd, kapacitet och cykellivslängd.Tob ny energitillhandahållerbatterimaskinav olika specifikationer för att tillgodose produktionsbehovet för batterilaboratorieforskning ochbatteriledningar.
Bildning hänvisar till den initiala laddningsprocessen efter elektrolytinjektion och vila, under vilken det fasta elektrolytinterfasskiktet (SEI) bildas. Variationer i formationsprotokoll resulterar i något olika SEI -skikt. SEI-skiktets morfologi påverkar direkt cellprestanda, såsom hastighetsförmåga, högspänningsstabilitet och särskilt cykellivslängd.
Nedan följer en detaljerad analys av hur formationsförhållandena påverkar cellprestanda:
1. Bildningsström
Studier visar att lägre strömtätheter underlättar bildandet av ett robust SEI -skikt. SEI -formationen involverar två steg: kärnbildning och tillväxt. Hög strömtäthet påskyndar kärnbildning, vilket leder till en porös SEI -struktur med dålig vidhäftning till anodytan. Omvänt, låg strömtäthet långsam kärnbildning, vilket ger ett tätare SEI -skikt. En porös SEI kan emellertid bättre infiltrera elektrolyten, vilket resulterar i högre jonkonduktivitet jämfört med SEI bildad under låg strömtäthet.
Traditionella lågström före laddningsmetoder hjälper till att bilda en stabil och tät SEI, men långvarig laddning av lågström ökar SEI-impedansen, negativt påverkande hastighetsförmåga och cykellivslängd. Dessutom förlänger lågströmbildning produktionstiden, vilket minskar tillverkningseffektiviteten. För att ta itu med detta har ett stegvis strömbildningsprotokoll under konstantströmningsfasen föreslagits. Detta tillvägagångssätt minskar polariseringen, förbättrar laddningskapaciteten, förkortar bildningstiden och förbättrar effektiviteten.
Figur 1 (a) SEI -bildning på grafitytor under bildning och (b) effekten av bildningsströmdensitet på SEI -strukturen.
2. Bildningsspänning
Olika bildningsspänningar påverkar signifikant elektrodytförhållanden, inre motstånd och cykelprestanda. Exempelvis fann en studie som jämför avgränsningsspänningar på 3,5 V och 4,2 V att en 4,2 V-avgränsning gav högre laddningskapacitet men 4,1% lägre laddningsdiskeffektivitet än 3,5 V. batterier bildade vid 4,2 V uppvisade högre elektrodmotstånd och snabbare cykelnedbrytning.
3. Tillstånd för laddning (SOC)
SOC är en kritisk parameter vid formationsoptimering. I kombination med laddnings-/urladdningsspänning inducerar olika SOC -nivåer under åldrande olika reaktivitetsgrader, förändrar SEI -egenskaper och i slutändan batteriprestanda. Experimentella resultat indikerar att 25% SOC leder till högre impedans och lägre kapacitetsbehållning före och efter åldrande. Det optimala protokollet innebär laddning till 100% SOC, som släpps till 25% SOC (dvs. upprätthållande av 75% SOC), genom att åldras vid rumstemperatur. Denna metod uppnår den högsta initiala urladdningskapaciteten och kapacitetsbehållning.
4. Bildningstemperatur
För polymer litiumjonbatterier främjar hög temperaturbildning mer fullständig SEI-bildning och förbättrar separatorens vätbarhet, vilket minskar gasproduktionen. Emellertid gynnar bildning av låg temperatur långsammare litiumsaltreduktion, vilket möjliggör ordnad och tät SEI-avsättning, som förlänger cykellivslängden. Medan SEI-skikt med hög temperatur uppvisar högre jonkonduktivitet, förvärrar deras instabilitet på grund av accelererad upplösning och lösningsmedelsko-interkalering cykelprestanda. De flesta tillverkare använder högt temperatur åldrande (30–60 grader) för att förbättra cykel- och lagringsprestanda.
5. Externt tryck
Gasproduktion under bildningen ökar avståndet mellan elektroder, förlängning av Li-ion transportvägar och höjning av impedans och därmed minskar kapaciteten. Tillämpning av måttligt tryck eliminerar gas, säkerställer tät elektrodkontakt, minimerar deformation och förbättrar bildningskapacitet, hastighetsförmåga och cykellivslängd. Analys efter mortem avslöjar att otillräckligt tryck orsakar litiumplätering på anoden, medan optimalt tryck förhindrar sådana defekter.
Sammanfattning:
Formationsprocessen spelar en avgörande roll i litiumjonbatteriets prestanda. Optimering av bildningsström, spänning, temperatur och yttre tryck är avgörande för att förbättra batteriegenskaperna. Emellertid ger enskilda parameterjusteringar begränsade förbättringar. En holistisk optimeringsstrategi är avgörande för att maximera batteriets prestanda.
