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简述锂离子电池化成过程的步骤

钜大LARGE  |  点击量:4255次  |  2018年09月30日  

锂离子电池化成过程中SEI膜的形成过程,具体而言包括如下四个步骤:

步骤①:电子由集流体-导电剂-石墨颗粒内部传递到待形成SEI膜的A点;

步骤②:溶剂化的锂离子在溶剂的包裹下,从正极扩散至正在生成的SEI膜表层的B点;

步骤③:A点的电子通过电子隧道效应扩散至B点;

步骤④:跃迁至B点的电子与锂盐、溶剂化锂离子、成膜剂等反应,在原有SEI膜表层继续生成SEI膜,从而使得石墨颗粒表层SEI膜厚度不断增加,最终形成完整的SEI膜。

由此可见,SEI形成的整体反应过程,可具体分解为上述四个分步反应来描述,四个分步反应过程,即决定了整个SEI膜的成膜过程。

步骤①:电子由集流体-导电剂-石墨颗粒内部传递到待形成SEI膜的A点。

到达A点的电子数量,将由化成时使用的电流、电流在正负极之间分布均匀性共同决定:化成电流越大,通过电极片a点的电流越大;当正负极电极片之间不平整时,相距近的点(a),电流更大;电极a点电流增大时,通过a点处活性物质颗粒的电流将更大,即单位时间内到达A点的电子数将增多,因此将使得A点处发生的成膜反应发生变化(如上篇文章所述:即大量的电子聚集于石墨颗粒表面,更容易与成膜剂、锂离子发生双电子反应过程)。

步骤②:溶剂化的锂离子在溶剂的包裹下,从正极扩散至正在生成的SEI膜表层的B点:在电解液成分不变的情况下,升高温度,电解液粘度将降低,成膜剂、溶剂化锂离子在电解液中传输阻力将降低;同时温度升高时,电解液的电导率将提高(如下图所示,为某款电解液在不同温度下的粘度及导电率),以上过程都将使得单位时间内,有更多的成膜剂及溶剂化锂离子到达活性物质颗粒表面的B点,从而影响B点的成膜反应过程(如上篇文章所述:即相对更少的电子(因为此时成膜剂、溶剂化锂离子更多)聚集于石墨颗粒表面,更容易与成膜剂、锂离子发生单电子反应过程)。

步骤③:A点的电子通过电子隧道效应扩散至B点;此过程的速度,必定与已经形成的SEI膜的结构及组成有关:SEI膜越致密、有机组份比例越高,阻隔电子的效应越强,电子穿过相同距离的阻力越大。此时形成的SEI膜厚度会更小,不可逆反应的总量越低,电池的首次效率越高。

步骤④:跃迁至B点的电子与锂盐、溶剂化锂离子、成膜剂等反应,在原有SEI膜表层继续生成SEI膜,从而使得石墨颗粒表层SEI膜厚度不断增加,最终形成完整的SEI膜。次过程即自由碰撞、结合反应过程,温度越高,分子运动越快,发生碰撞的概率越高,反应速度越高,该步骤的阻力越小。

以上分析,详细阐述了各工艺参数对化成过程、SEI膜成膜的具体影响:

1.化成电流大小及电流在电极片上分布的均匀性,将对SEI膜具体成分产生影响;

2.化成温度将对SEI膜的结构及组成产生影响。

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