Nel processo di produzione delle batterie agli ioni di litio, la formazione è una procedura critica. Questo articolo discute l'impatto delle condizioni di formazione (ad esempio, corrente di formazione, tensione di formazione, temperatura di formazione e pressione esterna) sulle prestazioni della batteria, tra cui resistenza interna, capacità e durata del ciclo.TOB Nuova energiafornisceMacchina di formazione della batteriadi varie specifiche per soddisfare le esigenze di produzione della ricerca in laboratorio di batterie elinee di produzione della batteria.
La formazione si riferisce al processo di ricarica iniziale dopo l'iniezione di elettroliti e il riposo, durante il quale si forma lo strato di interfase elettrolita solido (SEI). Le variazioni nei protocolli di formazione comportano strati SEI leggermente diversi. La morfologia dello strato SEI influenza direttamente le prestazioni cellulari, come la capacità di velocità, la stabilità ad alta tensione e in particolare la vita del ciclo.
Di seguito è riportata un'analisi dettagliata di come le condizioni di formazione influenzano le prestazioni delle cellule:
1. Corrente di formazione
Gli studi dimostrano che una densità di corrente inferiore facilitano la formazione di uno strato SEI robusto. La formazione SEI coinvolge due fasi: nucleazione e crescita. Le densità ad alta corrente accelerano la nucleazione, portando a una struttura SEI porosa con scarsa adesione alla superficie dell'anodo. Al contrario, le densità a bassa corrente lenta la nucleazione, producendo uno strato SEI più denso. Tuttavia, un SEI poroso può infiltrarsi meglio l'elettrolita, con conseguente maggiore conduttività ionica rispetto al SEI formata a bassa densità di corrente.
I metodi di pre-caricamento tradizionali a bassa corrente aiutano a formare una SEI stabile e densa, ma la ricarica a bassa corrente prolungata aumenta l'impedenza SEI, influenzando negativamente la capacità del tasso e la durata del ciclo. Inoltre, la formazione a bassa corrente prolunga i tempi di produzione, riducendo l'efficienza di produzione. Per risolvere questo problema, è stato proposto un protocollo di formazione di corrente graduale durante la fase costante-corrente (CC). Questo approccio riduce la polarizzazione, migliora la capacità di carica, riduce il tempo di formazione e migliora l'efficienza.
Figura 1 (a) Formazione SEI sulle superfici della grafite durante la formazione e (b) l'effetto della densità di corrente di formazione sulla struttura SEI.
2. Tensione di formazione
Diverse tensioni di formazione influenzano significativamente le condizioni della superficie degli elettrodi, la resistenza interna e le prestazioni del ciclo. Ad esempio, uno studio che ha confrontato le tensioni di taglio di 3,5 V e 4,2 V ha rilevato che un cutoff di 4,2 V ha prodotto una maggiore capacità di carica ma un'efficienza di scarica di carica inferiore del 4,1% rispetto a 3,5 V. Batterie formate a 4,2 V hanno mostrato una resistenza elettrodo più elevata e una degradazione del ciclo più rapida.
3. Stato di carica (SOC)
SOC è un parametro critico nell'ottimizzazione della formazione. Abbinato alla tensione di carica/scarica, i diversi livelli di SoC durante l'invecchiamento inducono diversi gradi di reattività, alterando le proprietà SEI e, in definitiva, le prestazioni della batteria. I risultati sperimentali indicano che il 25% SOC porta a una maggiore impedenza e una minore conservazione della capacità prima e dopo l'invecchiamento. Il protocollo ottimale prevede la carica al 100% di SOC, scaricando al 25% SOC (cioè, mantenendo il 75% di SoC), invecchiando a temperatura ambiente. Questo metodo raggiunge la massima capacità di scarica iniziale e conservazione della capacità.
4. Temperatura di formazione
Per le batterie agli ioni di litio polimerico, la formazione ad alta temperatura promuove una formazione SEI più completa e migliora la bagnabilità del separatore, riducendo la generazione di gas. Tuttavia, la formazione a bassa temperatura favorisce una riduzione del sale al litio più lente, consentendo una deposizione SEI ordinata e densa, che estende la vita del ciclo. Mentre gli strati SEI ad alta temperatura presentano una maggiore conducibilità ionica, la loro instabilità dovuta alla dissoluzione accelerata e alla co-intercalazione del solvente peggiora le prestazioni del ciclo. La maggior parte dei produttori adotta invecchiamento ad alta temperatura (30-60 gradi) per migliorare le prestazioni del ciclo e dello stoccaggio.
5. Pressione esterna
La generazione di gas durante la formazione aumenta la distanza tra elettrodi, allungando i percorsi di trasporto degli ioni di litio e aumentando l'impedenza, riducendo così la capacità. L'applicazione di una pressione moderata elimina il gas, garantisce un contatto con elettrodo stretto, minimizza la deformazione e migliora la capacità di formazione, la capacità di frequenza e la durata del ciclo. L'analisi post mortem rivela che una pressione insufficiente provoca la placcatura al litio sull'anodo, mentre la pressione ottimale impedisce tali difetti.
Riepilogo:
Il processo di formazione svolge un ruolo decisivo nelle prestazioni della batteria agli ioni di litio. Ottimizzazione della corrente di formazione, della tensione, della temperatura e della pressione esterna è cruciale per migliorare le proprietà della batteria. Tuttavia, le rettifiche dei singoli parametri producono miglioramenti limitati. Una strategia di ottimizzazione olistica è essenziale per massimizzare le prestazioni della batteria.
