鉅大LARGE | 點擊量：1139次 | 2019年03月26日
化學工程與裝備鋰離子電池化成工藝研究
鋰離子電池是20世紀90年代出現(xiàn)的綠色高能環(huán)保電池，具有能量密度高、環(huán)境友好、無記憶效應、循環(huán)壽命長、自放電少等突出的優(yōu)點，是攝像機、移動電話、筆記本電腦、便攜式測量儀等電子裝置小型輕量化的理想電源，也是未來電動汽車、特種的理想輕型高能動力源。因此，鋰離子電池成為近年來電池界廣泛研究的熱點。
化成是鋰電池生產(chǎn)過程中的重要工序，化成時在負極表面形成一層鈍化層，即固體電解質(zhì)界面膜（SEI膜），SEI膜的好壞自接影響到電池的循環(huán)壽命、穩(wěn)定性、自放電性、安全性等電化學性能，滿足二次電池密封“免維護”的要求，而不同的化成工藝形成的SEI膜有所不同，對電池的性能影響也存在很大差異。傳統(tǒng)的小電流預充方式有助于穩(wěn)定的SEI膜形成，但是長時間的小電流充電會導致形成的SEI膜阻抗增大，從而影響鋰離子電池的倍率放電性能，過程時間長影響生產(chǎn)效率，另外，對于磷酸鐵鋰體系，當充電電壓大于3.7V時，可能會使磷酸鐵鋰的晶格結(jié)構造成破壞，從而影響電池的循環(huán)性能，因此，探索一種高效的鋰電池化成工藝就很有必要。本文考察了四種化成工藝對電池性能的影響，優(yōu)選出了一種高效的鋰離子電池化成工藝，該化成工藝可以提高生產(chǎn)效率、提高鋰離子電池的性能。
1試驗1.1主要原料和儀器設備化成及循環(huán)試驗中所用主要原料和儀器設備見表1.表1主要原料和儀器設備名稱規(guī)格產(chǎn)地化成測試機深圳恒溫箱美國40Ah動力鋰離洛陽1.2電池的制備公司鋰離子電池的生產(chǎn)流程所示。
鋰離子電池生產(chǎn)流程。3測試1.3.1化成取同一批次注液后的40AH電池12塊，分成四組，分別試機上，四組電池化成工藝如表2所示。
化成工藝電池標號工藝內(nèi)容0.1C恒流充電至4.2V4.2V恒壓充電至電流為1000mA靜置20分鐘0.1C恒流放電至2.5V0.05C恒流充電至2.7V0.3C恒流充電至3.7V3.7V恒壓充電至電流為1000mA靜置20分鐘0.1C恒流放電至2.50.1C恒流充電至電池荷電量的靜置20分鐘0.1C恒流放電至2.5V靜置20分鐘0.1C恒流充電至3.7V3.7V恒壓充電至電流為1000mA靜置20分鐘0.1C恒流放電至2.5V靜置20分鐘0.1C恒流充電至電池荷電量的靜置20分鐘0.1C恒流放電至2.5V循環(huán)1次1.3.2循環(huán)試驗化成后，電池靜置陳化7天，在恒溫箱內(nèi)，用化成測試機對四組電池以I3電流對進行充放電試驗，25°C恒溫循環(huán)2結(jié)果與討論2.1化成A-1，2，3，B-1，2，3，C-1，2，3，D-1，2，3分別按上述化成工藝進行化成，化成試驗數(shù)據(jù)見表3.表3化成時間數(shù)據(jù)化成工藝電池標號化成時間/h化成時間平均值/h由表3數(shù)據(jù)可以看出，化成工藝2需時最短，比化成工藝1約短10小時；化成工藝3需時最長，比化成工藝1長約10小時；化成工藝4比化成工藝1約短3小時。通過對比以上數(shù)據(jù)，化成工藝2和4對生產(chǎn)效率的提高比較顯著，需進一步的循環(huán)測試方可深入比較以上化成工藝對電池性能的影響情況。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2.2循環(huán)試驗化成后，電池靜置陳化7天，以I3電流對四組電池進行充放電試驗，25C恒溫循環(huán)30周，四組電池的循環(huán)曲線擬合后如所示：循環(huán)30周，化成工藝1、化成工藝2、化成工藝3、化成工藝4化成的電池，放電容量的平均每次衰率減分工藝4循環(huán)性能最好。（下轉(zhuǎn)第40頁）中部錐體部分下錐/接管部分1.5計算結(jié)果評定度分析設計法：一次局部薄膜應力：31.5；一次加二次應力強度S<3.0SmN滿足上述3個條件，該設備強度滿足要求，能夠正常運行。
分析結(jié)果表明，貯料罐在設計工況下峰值應力最大值位于上封頭/接管部分封頭與筒體連接的過渡圓角處，根據(jù)此位置內(nèi)、外壓力工況下的最大峰值應力，查B4732-95許的循環(huán)次數(shù)，都為；再考慮累積損傷，貯料罐承載兩種+（n2/N2）+，要求累計使用系數(shù)不得大于1.本貯料罐的累積使用系數(shù)<1，故該設備滿足疲勞強度要求。
2結(jié)論承受交變載荷的薄壁容器，在內(nèi)、外壓作用下，其最大交變應力幅值發(fā)生在封頭與筒體連接的過渡圓角處，并處于內(nèi)表面。
峰值應力是由局部結(jié)構不連續(xù)和局部熱應力引起的疊加到一次加二次應力上的應力增加量，不會引起明顯變形，其危害性僅僅是引起疲勞或脆性斷裂。
適當調(diào)整圓角半徑尺寸，可以改善設備承受交變載荷的能力，從而避免疲勞破壞的發(fā)生。
設備的疲勞設計方法已形成規(guī)范，但采用ANSYS后處理器所得到的應力結(jié)果來確定體單元或殼單元模型疲勞壽命耗用系數(shù)，是很方便的。
化成工藝2比化成工藝1化成時間約短10小時，能大大提高生產(chǎn)效率，并且電池容量衰減較為緩慢，但是電池的放電容量偏低。
化成工藝3化成的電池，容量衰減較快，并且化成時間比化成工藝1約長10小時，生產(chǎn)效率低。
化成工藝4化成的三塊電池放電容量較高，容量衰減緩慢，并且化成時間比化成工藝1約短3小時，能夠提高生產(chǎn)效率。
3結(jié)語綜合比較四種化成工藝，考察了四種化成工藝對電池性能的影響，從化成及循環(huán)數(shù)據(jù)分析可以看出：化成工藝4較佳，該化成工藝可以提高生產(chǎn)效率、提高鋰離子電池的放電容量、提高鋰離子電池的循環(huán)性能。該化成工藝是：0.1C恒流充電至電池荷電量的0.65，然后0.1C恒流放電至2.5V，連續(xù)循環(huán)兩次。
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