O processo de produção de baterias de lítio é muito complexo e inclui uma variedade de processos. Formação da bateria é uma ligação que não pode ser ignorada em cadeia de fornecimento de baterias de lítio. Tem um impacto crucial no desempenho das baterias de lítio.
Definição de formação de pilhas
A formação de baterias de lítio é a primeira carregamento da bateria após a bateria de lítio estar cheia de líquido. Este processo pode ativar os materiais activos na bateria e ativar a bateria de lítio. Ao mesmo tempo, ocorre uma reação lateral entre o sal de lítio e o eletrólito, formando uma película de interface eletrólito sólido (SEI) no lado do elétrodo negativo da bateria de lítio. Esta película pode impedir outras reacções laterais, reduzindo assim a perda de lítio ativo na bateria de lítio. A qualidade da SEI tem um grande impacto no ciclo de vida, na perda de capacidade inicial, no desempenho da taxa, etc. da células de bateria de lítio.
Tipos de processos de formação de pilhas
De acordo com as diferentes condições, tais como temperatura, corrente e porta de injeção de líquido durante a formação de baterias de lítio, o processo de formação pode ser dividido nas seguintes categorias:
- Formação a alta temperatura: Durante o processo de carga e descarga, o núcleo da bateria está sempre num ambiente de alta temperatura. A alta temperatura pode aumentar a taxa de reação eletroquímica e a taxa de formação da película SEI. A película SEI formada tem elevada consistência, mas é solta e instável.
- Formação a baixa temperatura: Durante o processo de carga e descarga, o núcleo da bateria está sempre num ambiente de baixa temperatura. A película SEI formada durante o processo a baixa temperatura é densa e estável, mas a taxa de reação é lenta e o tempo de formação é longo.
- Grande formação de corrente: Durante o processo de formação, a corrente de carga e descarga está sempre numa corrente maior, como 0,5C, 1C, 2C. Uma grande corrente pode aumentar a taxa de reação eletroquímica e a taxa de formação da película SEI, mas a consistência da película SEI formada não é elevada.
- Pequena formação de corrente: Durante o processo de formação, a corrente de carga e descarga está sempre a uma corrente mais pequena, como 0,02C, 0,05C. A película SEI formada durante o processo de baixa corrente é densa e estável, mas a redução da taxa de reação prolonga o tempo de formação.
- Formação aberta: Durante o processo de carga e descarga, a porta de injeção de líquido da célula está sempre aberta à pressão normal, e o gás gerado pela reação eletroquímica pode ser eliminado a tempo, o que melhora a consistência da formação da película SEI. O equipamento de formação é simples e de baixo custo, mas requer um longo tempo de permanência e condições de elevada humidade ambiental.
- Formação de furos fechados: Durante o processo de carga e descarga, a porta de injeção de líquido da célula está sempre num estado selado, e o processo de formação não requer condições de humidade ambiental. No entanto, o processo de formação do equipamento é complexo, e o invólucro da bateria apresenta o risco de deformação plástica.
- Formação de pressão negativa: Durante o processo de carga e descarga, o núcleo da bateria é evacuado da porta de injeção de líquido para -80KPa. A formação de pressão negativa pode eliminar o gás gerado a tempo, garantindo a estabilidade e a consistência da película SEI. No entanto, o equipamento de formação é complexo e requer uma elevada estanquidade ao ar. Além disso, ocorrerá perda de eletrólito durante o processo de aspiração.
Efeitos de diferentes condições de formação da pilha no seu desempenho
As diferentes condições de formação da pilha têm efeitos diferentes sobre desempenho da bateria, que será apresentado em pormenor a seguir:
Densidade da corrente de formação: a alta densidade de corrente e a rápida formação de núcleos de cristal farão com que a estrutura da película SEI fique solta e não esteja firmemente ligada à superfície do elétrodo negativo. Pelo contrário, a baixa densidade de corrente, a velocidade de formação de núcleos de cristal é lenta e a estrutura da película SEI é mais densa. No entanto, uma película SEI com uma estrutura solta pode infiltrar mais eletrólito, de modo que a condutividade iónica da película SEI formada sob alta densidade de corrente é maior do que a da película SEI formada sob baixa densidade de corrente.
Tensão de corte de formação: À medida que o carregamento prossegue, a tensão interna da bateria aumenta, acompanhada pela produção de gás. Uma vez que a taxa de produção de gás é superior à taxa de exaustão do orifício de injeção de líquido, o gás acumula-se entre os separadores no interior da bateria, resultando num contacto desigual entre o separador e a superfície do elétrodo negativo, afectando assim o processo de incorporação de iões de lítio na superfície do elétrodo negativo. Por conseguinte, a redução adequada da tensão de formação pode melhorar a eficiência da primeira carga e descarga da bateria, reduzir a resistência interna da bateria e melhorar o desempenho do ciclo da bateria.
Temperatura de formação: Por um lado, a temperatura afecta a taxa de formação e a composição da película SEI; por outro lado, alguns componentes da película SEI decompõem-se a altas temperaturas, causando a rutura da película SEI, que consumirá ainda mais lítio para formar uma nova película SEI.
Pressão externa: O gás será gerado durante o processo de formação. Se o gás não for eliminado a tempo, a distância de transmissão do ião de lítio será aumentada, a impedância aumentará e a capacidade de carga da bateria diminuirá. Se for adicionada uma pressão de rolamento adequada durante o carregamento, esta pode ajudar a eliminar o gás, o que não só aumentará a capacidade de formação da bateria, como também melhorará significativamente a taxa e o desempenho do ciclo da bateria.
Processo de teste de formação da bateria
- O primeiro passo é a hibernação da bateria.
- O segundo passo é o carregamento com corrente constante.
Carregar a uma corrente constante de 0,02C durante 270 minutos. O objetivo do carregamento a baixa corrente é melhorar a qualidade e a interface da película SEI. No entanto, a película SEI formada é instável e reage facilmente com os produtos de decomposição anteriores. É necessário um carregamento adicional para estabilizar a película SEI. - O terceiro passo é a hibernação da bateria.
O objetivo é fazer com que as duas cargas tenham um processo de conversão e obter o efeito de eliminação da polarização; - Passo 4: Carregamento de corrente constante
Carregar a 3,95V a 0,1C. Depois de a película SEI estar basicamente formada, carregar com uma corrente ligeiramente superior. Isto não só poupa mais tempo, como também forma uma película SEI densa com melhor estabilidade térmica. Neste momento, a película SEI combina o eletrólito e a grafite. Completamente separados, apenas os iões podem passar para a camada de grafite. No entanto, a tensão não pode ser carregada demasiado alto neste momento, o que pode causar a precipitação do lítio.
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