鋰電池的生產工藝可以分為前道極片製造, 中道電芯封裝, 後道電池活化三個階段, 電池活化階段的目的是讓電池中的活物質和電解液經過充分活化以達到電化學性能穩定. 活化階段包括預充電, 化成, 老化, 定容等階段. 預充電和化成的目的是為了讓正負極材料進行最初幾次的充放電來激活材料, 使材料處於最佳的使用狀態.
老化的目的主要有幾個: 一是讓電解液的浸潤更加良好, 有利於電池性能的穩定; 二是正負極材料中的活性物質經過老化後, 可以促使一些副作用的加快進行, 例如產氣, 電解液分解等, 讓鋰電池的電化學性能快速達到穩定; 三是通過老化一段時間後進行鋰電池一致性篩選. 化成之後電芯的電壓不穩定, 其測量值會偏離實際值, 老化後的電芯電壓, 內阻更為穩定, 便於篩選一致性高的電池.
老化制度對鋰電池性能的影響因素主要有兩個, 即老化溫度和老化時間. 除此之外, 還有老化時電池處於封口還是開口的狀態也比較重要.
對於開口化成來說, 如果廠房可以控制好濕度可以老化後再封口. 如果採用高溫老化, 封口後老化比較好. 對於不同的電池體系, 三元正極/石墨負極鋰電池, 磷酸鐵鋰正極/石墨負極鋰電池抑或是鈦酸鋰負極電池, 需要根據材料特性及鋰電池特性進行針對性試驗. 在試驗設計中, 可以通過鋰電池的容量差別, 內阻差別, 壓降特點來確定最佳的老化制度.
一, 三元或磷酸鐵鋰正極/石墨負極鋰電池
對於三元作為正極材料, 石墨作為負極材料的鋰電池來說, 鋰離子電池的預充化成階段會在石墨負極的表面形成一層固態電解質膜(SEI), 此種膜的形成電位約在0.8V左右, SEI允許離子穿透而不允許電子通過, 由此在形成一定厚度後會抑制電解液的進一步分解, 可以起到防止電解液分解引起的電池性能下降. 但是化成後形成的SEI膜結構緊密且孔隙小, 將電池再進行老化, 將有助於SEI結構重組, 形成寬鬆多孔的膜, 以此提高鋰電池的性能.
三元/石墨鋰電池的老化一般選擇常溫老化7天-28天時間, 但是也有的廠採用高溫老化制度, 老化時間為1-3天, 所謂的高溫一般是38℃-50℃之間. 高溫老化只是為了縮短整個生產周期, 其目的和常溫老化一樣, 都是讓正負極, 隔膜, 電解液等充分進行化學反應達到平衡, 讓鋰電池達到更穩定的狀態.
二, 鈦酸鋰負極鋰電池
俗稱的鈦酸鋰電池是負極採用了鈦酸鋰的電池, 正極材料主要還是三元, 鈷酸鋰等材料. 鈦酸鋰電池與石墨負極電池的不同之處是鈦酸鋰的嵌鋰電位是1.55V(相對於鋰金屬), 高於SEI形成的0.8V, 所以充放電過程中不會形成固態電解質膜(SEI)也不會形成枝晶鋰, 從而具有更高的安全性.
這就意味著鈦酸鋰充電過程中, 不斷的有電子與電解液發生反應, 生成副產物及產生氫氣, CO, CH4, C2H4等氣體, 會導致電池的鼓包. 鈦酸鋰的鼓包問題主要得依靠材料性質的改變來緩解, 例如材料表麵包覆, 改變粒徑分布, 找到合適的電解液等.
此外, 通過優化預充, 化成, 老化的制度也可以適當減輕鈦酸鋰鼓包現象. 鈦酸鋰電池的老化制度一般首選高溫老化制度, 老化溫度採用40℃-55℃, 老化時間一般是1-3天, 老化之後需要進行負壓排氣. 進行多次高溫老化, 使電池內部水分充分反應, 將氣體排出後可以有效抑制鈦酸鋰電池的脹氣問題, 提高其迴圈壽命.
無論對於哪種體系的電池, 老化是必不可少的一道工序. 鋰電池的老化雖然理解起來是對鋰電池的損耗和破壞, 但是事實上卻是篩選一致性高的電池, 剔除不良品的有效途徑. 只有通過老化的方式, 才能選出適宜進行組包的鋰電池, 提高電動工具的使用壽命.
