摘 要：隨著新能源的發(fā)展，尤其在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，對(duì)鋰離子電池的安全，循環(huán)壽命及能量密度等要求越來(lái)越高，同時(shí)也對(duì)鋰離子電池的研發(fā)提出了更高的要求。鋰離子電池的化成分容是研發(fā)過(guò)程中關(guān)鍵的一環(huán)，對(duì)于各種研發(fā)試制的鋰離子電池，化成分容工藝分析是提升電池性能的重要步驟。同時(shí)，設(shè)備能力的提升，可以滿足多種鋰離子電池的要求。目前市場(chǎng)上存在的化成分容設(shè)備控制精度低，且成本較高、設(shè)備單一，無(wú)法滿足多種鋰離子研發(fā)試制需求。針對(duì)以上問(wèn)題，在化成分容工藝分析基礎(chǔ)上，文章提出了兼容多種鋰離子電池的設(shè)備，該設(shè)備主要由電源柜、結(jié)構(gòu)柜、高溫箱、通信網(wǎng)絡(luò)、電腦上位機(jī)及軟件、二維碼追溯等組成。

關(guān)鍵詞：新能源 鋰離子電池 化成分容 工藝分析 設(shè)備能力

0 引言

隨著汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展，以及人們交通多樣化的需求增高，新能源迎來(lái)闊步前行的發(fā)展時(shí)代，其中，鋰離子電池在其中的應(yīng)用尤為突出[1]。鋰離子電池不僅具有綠色環(huán)保、額定電壓高等電池傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，還具有環(huán)境友好、總體質(zhì)量輕、壽命較長(zhǎng)、使用中沒(méi)有記憶效應(yīng)和自放電率低等自身突出優(yōu)點(diǎn)[2]。鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域不僅僅在汽車(chē)行業(yè)，其在消費(fèi)電子、可穿戴設(shè)備、電站儲(chǔ)能電源系統(tǒng)、軍事軍用設(shè)備、不間斷類(lèi)型電源等方面也具有很大的作用。特別在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，新能源汽車(chē)車(chē)型應(yīng)接不暇，相應(yīng)鋰電產(chǎn)業(yè)供不應(yīng)求，從2021年海內(nèi)外需求共振放量到目前鋰離子電池比能量持續(xù)增加[3]，都展現(xiàn)了鋰電行業(yè)在當(dāng)下能源轉(zhuǎn)型中的重大推動(dòng)作用。另外，鋰離子電池的制作以及使用過(guò)程沒(méi)有有害物質(zhì)，所以使用鋰離子電池對(duì)環(huán)境無(wú)污染，可以說(shuō)是當(dāng)下名副其實(shí)的“綠色能源”。

化成和分容是高質(zhì)量鋰離子電池生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的兩部分[4]，是生產(chǎn)的重要工序。它們?cè)阡囯x子電池的生產(chǎn)中起著不同的作用?；晒ば虻淖饔每煞譃閮深?lèi)，其一，可以生成鈍化膜，這種鈍化膜是在電極表面生成的。其二，化成工序在形成鈍化膜的同時(shí)，可以使鋰離子轉(zhuǎn)化成為正常離子，這時(shí)的離子就是具有電化學(xué)作用的離子?；芍缶褪欠秩莨ば颍斯ば虻淖饔檬菍?duì)電池進(jìn)行充放電的操作，這項(xiàng)操作對(duì)充電和放電的電壓、電流的要求是極其嚴(yán)格的，并且這種操作是循環(huán)測(cè)量的，測(cè)量的數(shù)據(jù)包括電池的各項(xiàng)具體參數(shù)，最后再根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)電池進(jìn)行配組。

鋰離子電池的發(fā)展不僅在工業(yè)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，在學(xué)術(shù)研究方面，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者也不斷探索，針對(duì)鋰離子電池制造工藝中的化成分容進(jìn)行進(jìn)一步研究，發(fā)表了各種研究成果，對(duì)鋰電發(fā)展具有高度參考和指導(dǎo)作用。韓陽(yáng)[4]基于鋰離子電池化成分容提出了一種優(yōu)化的額鋰離子多功能系統(tǒng)，可對(duì)鋰離子電池的生產(chǎn)與研究進(jìn)行有效跟進(jìn)，該系統(tǒng)使用環(huán)形三級(jí)分布式的方案，應(yīng)用在化成分容工序上，有效提高了系統(tǒng)的效率與實(shí)施性。張賢凱等人[5]也針對(duì)鋰離子電池化成分容工序提出了一種優(yōu)化的系統(tǒng)，該系統(tǒng)是為了預(yù)防火災(zāi)而設(shè)計(jì)的自動(dòng)滅火系統(tǒng)，基于N-1230氣體，可以快速響應(yīng)、控制火災(zāi)的火勢(shì)擴(kuò)大。李永富等人[6]以團(tuán)隊(duì)的形式針對(duì)化成成分系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出了一種變頻技術(shù)，該技術(shù)基于雙向的交流和直流電流，并在其所在的公司生產(chǎn)上驗(yàn)證了化成分容工序設(shè)備的使用效率得到提高，生產(chǎn)的電池可以輕松達(dá)到70%以上的電能使用效率。Abdul Majid等人[7]通過(guò)密度泛函理論計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬，探討了B4C3單層作為陽(yáng)極材料的電化學(xué)可行性。根據(jù)B4C3的結(jié)構(gòu)、電子、擴(kuò)散、儲(chǔ)存行為和鋰化研究，得出了其最佳陽(yáng)極性質(zhì)，并且對(duì)鋰原子的吸附位點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的探索。

本文提出了一種設(shè)備提升方案，該方案基于化成分容工藝分析基礎(chǔ)之上，并且使用該方案的設(shè)備可兼容多種鋰離子電池設(shè)備，主要由電源柜，結(jié)構(gòu)柜，高溫箱，通信網(wǎng)絡(luò)，電腦上位機(jī)及軟件，二維碼追溯等組成?？蓾M足目前市場(chǎng)上存在的化成分容設(shè)備的兼容性，以及可以有效解決設(shè)備控制精度低，且成本較高、設(shè)備單一，無(wú)法滿足多種鋰離子研發(fā)試制需求的難題。

1 鋰離子電池制作

鋰離子電池在實(shí)際生產(chǎn)中是一個(gè)復(fù)雜且精細(xì)的過(guò)程[8]，涉及鋰離子電池的各種組成成分、制作過(guò)程、使用設(shè)備等。其中有些步驟及其關(guān)鍵，影響著電池生產(chǎn)的質(zhì)量，比如注液、化成、老化等等。

研究制造、提高鋰離子電池的生產(chǎn)，首先要分析鋰離子電池的主要組成成分以及這些成分的作用。鋰離子電池的組成結(jié)構(gòu)通?？梢钥偨Y(jié)為四大類(lèi)，分別是正極、負(fù)極、電解質(zhì)和隔膜。第一，正極材料通常采用混合物，使用鋰鹽、導(dǎo)電劑和相應(yīng)添加劑混合而成。負(fù)極材料一般會(huì)選擇碳基材料。鋰離子電池的正極和負(fù)極是鋰離子電池至關(guān)重要的兩個(gè)組成部分，它們扮演著不同的角色，負(fù)責(zé)各自的任務(wù)，正極主要起著儲(chǔ)存作用以及可以釋放能量，所以，通常也將鋰離子電池的正極稱為電池的儲(chǔ)能部分。負(fù)極則主要起著電池的輸出作用，故而也將負(fù)極稱為鋰離子電池的輸出部分。第二，鋰離子電池的電解質(zhì)目前通常使用高氯酸鋰、六氟磷酸鋰等。其在鋰離子電池中負(fù)責(zé)離子之間的傳輸。第三，鋰離子電池的隔膜材料主要有聚烯烴類(lèi)隔膜、聚酯類(lèi)隔膜、無(wú)紡布隔膜和陶瓷隔膜等。隔膜用于隔離正極和負(fù)極，隔離的目的是防止正負(fù)極的短路，同時(shí)還允許鋰離子在正極和負(fù)極間自由穿梭移動(dòng)，進(jìn)而保證了電池的正常充電和放電。

鋰離子電池的制作過(guò)程可分為兩大階段[9]，首先是試制階段，需要經(jīng)過(guò)注液、化成和老化三個(gè)工序，這三個(gè)工序后可試制出初步電池成品。然后，再經(jīng)過(guò)密封、分容和檢測(cè)工序，檢測(cè)又包括了檢測(cè)OCV值、K值和厚度等等。最后，進(jìn)行分選分檔，才能進(jìn)行包裝出貨。主要步驟如下圖1所示。

2 化成分容工藝分析

化成和分容的工序是整個(gè)鋰離子電池制作過(guò)程中的兩個(gè)重要步驟，其對(duì)鋰離子電池成品的質(zhì)量也起著非常重要的作用[10]。所以，分析化成分容工藝，提高響相應(yīng)的設(shè)備性能，可以更好地提升鋰離子電池的制造質(zhì)量，滿足各行業(yè)的生產(chǎn)兼容需求。

化成工序是在注液工序之后，可分為兩個(gè)階段，分別是預(yù)化成和化成。其中，預(yù)化成主要是對(duì)注液后的電池的充電，這個(gè)充電過(guò)程里的電流是小電流，并且會(huì)伴隨著氣體產(chǎn)生。預(yù)化成步驟后，就是化成步驟，相對(duì)于預(yù)化成的小電流的充電，這個(gè)過(guò)程所使用的電流則是大電流的充電，但產(chǎn)生的氣體會(huì)很少。預(yù)化成和化成步驟結(jié)束，也就代表著化成工序的結(jié)束，隨之繼續(xù)的就是老化工序、密封工序等等一系列后續(xù)工序。

在實(shí)際的生產(chǎn)研究中，可知鋰離子電池負(fù)極材料（石墨）首次的充電和放電過(guò)程都會(huì)得到相應(yīng)的充放電曲線，并且這兩條曲線是不完全重合的。這里，就產(chǎn)生了可逆容量和不可逆容量，其中，放電過(guò)程的放電容量就是可逆容量，并且這個(gè)放電容量往往會(huì)小于充電過(guò)程的充電容量。顯然，充電容量和放電容量就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)差值容量，那么，這個(gè)差值就成為不可逆容量，此不可逆容量與SEI膜反應(yīng)以及其他副反應(yīng)的形成息息相關(guān)，比如，在充電曲線中0.8V左右的不可逆平臺(tái)就是與SEI膜形成對(duì)應(yīng)。SEI膜是一種固體電解質(zhì)膜，它對(duì)離子和電子的導(dǎo)電性能不一樣，對(duì)離子可導(dǎo)，然而對(duì)電子不可導(dǎo)，鋰離子電池的制作，需要使鋰離子負(fù)極表面形成一個(gè)完整的SEI膜，這樣電池才會(huì)具有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的循環(huán)能力，而化成工序就是能使鋰離子負(fù)極表面形成這樣的SEI膜，達(dá)到預(yù)期目的。

分容是對(duì)電池的一個(gè)分類(lèi)過(guò)程，分類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)是容量，需要對(duì)密封后的電池進(jìn)行檢測(cè)，該檢測(cè)主要就是對(duì)電池的充電和放電的檢測(cè)，然后進(jìn)行后工序分檔。后工序分檔的檢測(cè)則是針對(duì)電池的各種性能以及產(chǎn)品的不同指標(biāo)進(jìn)行的，比如容量、內(nèi)阻、厚度、電壓、K值、外觀等等，以此可以將電池以不同的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)。一般可概括為容量分選、性能篩選和質(zhì)量評(píng)估三步。

第一，容量分選是通過(guò)分析電池的容量大小、內(nèi)阻等數(shù)據(jù)來(lái)區(qū)分電池的質(zhì)量等級(jí)。電池的容量大小、內(nèi)阻等數(shù)據(jù)是在鋰離子電池分容的過(guò)程中產(chǎn)生，并且由計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)設(shè)備獲取的各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。容量分選的過(guò)程不僅可以將電池按照容量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)，還可以按此對(duì)電池進(jìn)行排序。第二，性能篩選是對(duì)生產(chǎn)出的電池容量在必要條件下進(jìn)行計(jì)算，從而判別電池是否合格的過(guò)程。生產(chǎn)出來(lái)的電池雖然經(jīng)過(guò)的步驟一樣，外表也相同，但每個(gè)電池的實(shí)際容量可能不一樣，不是所有電池的容量都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，這時(shí)，就需要利用相應(yīng)設(shè)備根據(jù)規(guī)定的測(cè)試條件對(duì)生產(chǎn)出的電池的容量進(jìn)行檢測(cè)，先對(duì)電池進(jìn)行充電，再按照要求的電流進(jìn)行放電，然后將放電的電流乘以放電所使用的時(shí)間，得到的結(jié)果就是該電池的容量，只有測(cè)試容量大于等于設(shè)計(jì)容量時(shí)，才判定該電池為合格產(chǎn)品，否則歸入不合格產(chǎn)品，不能進(jìn)行下一步的檢測(cè)。第三，質(zhì)量評(píng)估，這也是評(píng)估電池質(zhì)量水平的一個(gè)不可或缺的步驟。鋰離子電池在完成首次分容操后，不會(huì)立馬進(jìn)入下一步的操作，按照要求，需要將這些電池靜止不少于15天的時(shí)間，在這個(gè)靜止時(shí)間里，一些電池之前不會(huì)顯現(xiàn)的問(wèn)題可能會(huì)在這期間才顯現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)而可以對(duì)電池的質(zhì)量進(jìn)一步區(qū)分和判別。

從上面的分析可以看出，鋰離子電池化成是一個(gè)對(duì)鋰離子充放電的過(guò)程，分容則可以看成是一個(gè)對(duì)生產(chǎn)出的電池的一個(gè)評(píng)估是否合格，以及對(duì)電池進(jìn)行等級(jí)分類(lèi)的過(guò)程。

3 設(shè)備能力提升過(guò)程

從化成分容工藝分析可以看出，在整個(gè)化成分容工序中，會(huì)涉及各種相應(yīng)的機(jī)器設(shè)備，化成分容工序?qū)︿囯x子電池的生產(chǎn)至關(guān)重要，那么所使用的設(shè)備亦是如此，對(duì)生產(chǎn)以及產(chǎn)品的檢測(cè)也不容忽視。本研究在化成分容工藝分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)針對(duì)第一代高溫負(fù)壓化成設(shè)備的不足提升至第二代高溫負(fù)壓化成設(shè)備，進(jìn)而提高鋰離子電池生產(chǎn)質(zhì)量，以及兼容多種鋰離子電池生產(chǎn)需求。

第一代高溫負(fù)壓化成設(shè)備主要由電源柜、結(jié)構(gòu)柜、上位機(jī)及軟件、通信網(wǎng)絡(luò)、校準(zhǔn)工裝、外部環(huán)境控制系統(tǒng)（溫度，濕度）等組成。其工作原理如下圖2所示。

相關(guān)電池工藝單由多部門(mén)會(huì)簽后，發(fā)至現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)人員，然后將電池放入結(jié)構(gòu)柜內(nèi)，進(jìn)行正負(fù)極極柱及點(diǎn)位確認(rèn)，進(jìn)而建立工步并確認(rèn)下發(fā)工步。電源柜內(nèi)部驅(qū)動(dòng)箱接收指令，對(duì)電池進(jìn)行充電。在整個(gè)過(guò)程中，通過(guò)相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件可實(shí)時(shí)看到電池?cái)?shù)據(jù)動(dòng)態(tài)曲線。

第一代化成設(shè)備結(jié)構(gòu)柜由上下兩個(gè)腔構(gòu)成，每個(gè)腔體有32個(gè)點(diǎn)位，通過(guò)腔體氣缸壓合，使電池與電壓、電流及溫度采集充分接觸。第一代化成設(shè)備如下圖3所示，結(jié)構(gòu)柜如下圖4所示。

然而，在鋰離子電池生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)這種設(shè)備只針對(duì)于一種尺寸的電池適用，無(wú)法兼容其他尺寸的電池，且在設(shè)備維護(hù)方面，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)及空間受限，探針組件損壞不容易更換，損壞的點(diǎn)位需將整個(gè)腔體內(nèi)部點(diǎn)位全部拆卸，再進(jìn)行對(duì)損壞點(diǎn)位更換，耗時(shí)耗力，影響生產(chǎn)效率，增加設(shè)備維護(hù)時(shí)常。腔體點(diǎn)位探針與電池接觸效果無(wú)法保證，容易在化成過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)曲線異常、電池發(fā)燙、設(shè)備故障報(bào)警等問(wèn)題。從而導(dǎo)致電池化成數(shù)據(jù)曲線異常，甚至存在失效，嚴(yán)重的情況下會(huì)存在著火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，所以，為了保證鋰離子電池產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，以及生產(chǎn)安全，提高第一代化成設(shè)備結(jié)構(gòu)柜具有重大意義。

4 提升結(jié)果

針對(duì)第一代高溫負(fù)壓化成設(shè)備在生產(chǎn)使用中存在的不足，在鋰離子電池化成分容工藝分析的基礎(chǔ)上，以及結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的需求，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，提升至第二代高溫負(fù)壓化成設(shè)備。

第二代高溫負(fù)壓化成設(shè)備由電源柜、結(jié)構(gòu)柜、上位機(jī)及軟件、通信網(wǎng)絡(luò)、校準(zhǔn)工裝、外部環(huán)境控制系統(tǒng)（溫度，濕度）等組成。圖5展示了第二代高溫負(fù)壓化成設(shè)備整體結(jié)構(gòu)，圖6展示了電源柜及結(jié)構(gòu)柜，圖7展示了探針組件的細(xì)節(jié)。

第二代化成設(shè)備相比于第一代化成設(shè)備，不僅具有第一代設(shè)備所擁有的性能功效，還具有許多第一代設(shè)備沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)。首先，第二代化成設(shè)備在使用方面更加便捷，單庫(kù)位有32個(gè)點(diǎn)位，雙庫(kù)位共計(jì)64個(gè)點(diǎn)位，與第一代化成設(shè)備相比，點(diǎn)位數(shù)一致。以方殼電池為例，可通過(guò)調(diào)整探針組件，來(lái)達(dá)到整條正負(fù)極探針位置和氣缸高度，實(shí)際操作為左右調(diào)節(jié)正負(fù)極探針位置，上下調(diào)整氣缸高度。這種操作靈活方便，達(dá)到了提高設(shè)備能力的目的。其次，第二代化成設(shè)備在電池兼容性方面有較大提升，可兼容數(shù)十款不同尺寸電池，設(shè)備能力提升主要目的是兼容多種不同尺寸電池尺寸，這就滿足了相關(guān)研發(fā)需求。這種結(jié)構(gòu)兼容不同尺寸同側(cè)極耳結(jié)構(gòu)電池，也兼容異不同尺寸異側(cè)極耳結(jié)構(gòu)電池。如：28148115，53148115，32256106等電池。再次，在設(shè)備維護(hù)方面，探針組件方便更換，正負(fù)極探針結(jié)構(gòu)不再受空間結(jié)構(gòu)限制，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)位更換，提高了生產(chǎn)效率并減少設(shè)備維護(hù)時(shí)常。最后，在安全方面，由于整體設(shè)備空間結(jié)構(gòu)的改變，遇到緊急問(wèn)題可以快捷處理。

鋰離子電池的高質(zhì)量生產(chǎn)跟設(shè)備參數(shù)息息相關(guān)，經(jīng)過(guò)不斷地研究與測(cè)試，總結(jié)出第二代化成設(shè)備的相關(guān)最優(yōu)參數(shù)值，具體使用參數(shù)如下表1所示。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鋰離子電池制造過(guò)程的研究，在化成分容工藝分析的基礎(chǔ)之上，針對(duì)目前市場(chǎng)上的化成分容設(shè)備存在的不足，比如控制精度低，且成本較高、設(shè)備單一，無(wú)法滿足多種鋰離子研發(fā)試制需求，以及第一代化成設(shè)備維護(hù)困難、安全度不高等短板，提出了第二代化成設(shè)備優(yōu)化方案，解決了以上鋰離子電池生產(chǎn)難題。并且，經(jīng)過(guò)研究與測(cè)試，對(duì)電源規(guī)格、化成環(huán)境溫度、電流控制精度等參數(shù)，總結(jié)出了最優(yōu)使用參數(shù)值，并投入使用，證明了該優(yōu)化方案的有效性。

但此優(yōu)化方案也存在不足。首先，目前第二代化成設(shè)備使用的柜子規(guī)格為5V200A，雖然可以實(shí)現(xiàn)中小容量電芯的各種充電需求，但不滿足大容量電芯的快充要求。其次，經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)使用的情況來(lái)看，電壓電流采集線以及溫感探頭的損壞率較高，這使得設(shè)備零件的使用成本有所增加。在后續(xù)的研究中，將針對(duì)以上不足繼續(xù)優(yōu)化第二代化成設(shè)備，形成一個(gè)更優(yōu)良的生產(chǎn)設(shè)備環(huán)境。

基金項(xiàng)目：安徽省高校優(yōu)秀科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2023AH010064）。

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