鋰離子電池的化成（Formation）是電池制造中至關(guān)重要的激活步驟，其本質(zhì)是通過首次充放電在電極表面建立穩(wěn)定的電化學(xué)界面，并完成電池內(nèi)部材料的初始化。這一過程不僅決定了電池的首次效率、循環(huán)壽命，還直接影響安全性和能量密度。

#Photonixbay.01

化成反應(yīng)機(jī)理：電化學(xué)激活與界面重構(gòu)

化成反應(yīng)的核心是鋰離子從正極脫嵌并嵌入負(fù)極的過程，伴隨電解液的分解與界面重構(gòu)?；煞磻?yīng)過程中在負(fù)極表面形成的固體產(chǎn)物主要包括烷基碳酸鋰（ROCO2Li）、烷氧基鋰（ROLi）、碳酸鋰（Li2CO3）、LiF、Li2O、LiOH等，這些固體產(chǎn)物形成了SEI膜。氣體產(chǎn)物包括C2H4等烴類氣體和CO2、H2等無機(jī)氣體。液體產(chǎn)物生成后溶解在了電解液中。

斑紋狀多層SEI膜的結(jié)構(gòu)模型

A—Li2O；B—LiF；C—Li2CO3；D—聚烯烴；E—烷基碳酸鋰

#Photonixbay.02

SEI膜的形成機(jī)制與功能實(shí)現(xiàn)

◇ SEI膜的形成與結(jié)構(gòu)
SEI膜是鋰離子電池首次充放電時(shí)在負(fù)極形成的核心界面層。當(dāng)石墨電勢(shì)降至0.8V（vs. Li/Li+），電解液溶劑（如EC）發(fā)生還原分解：近電極側(cè)生成無機(jī)層（LiF、Li2CO3），其高離子電導(dǎo)率（10-11S/cm）保障鋰傳輸；電解液側(cè)形成有機(jī)層（烷基碳酸鋰及聚合物），抑制電子滲透（電導(dǎo)率<10-15?S/cm）。低電流下形成致密管狀結(jié)構(gòu)（覆蓋率>75%），而高電流導(dǎo)致疏松柱狀沉積（覆蓋率<35%），加劇副反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。

石墨負(fù)極表面SEI膜的分布和組成

◇ 功能挑戰(zhàn)與工業(yè)優(yōu)化

SEI膜需平衡鋰傳輸與界面穩(wěn)定，但循環(huán)中破裂再生導(dǎo)致每圈損失0.1-0.3%活性鋰。工業(yè)上添加VC促進(jìn)Li2CO3結(jié)晶降低阻抗，F(xiàn)EC富集LiF提升機(jī)械強(qiáng)度（硅基負(fù)極膨脹率從300%降至120%）。結(jié)合預(yù)鋰化補(bǔ)償鋰損耗、多孔集流體緩沖應(yīng)力，可改善SEI穩(wěn)定性，為高壽命電池設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵支撐。

#Photonixbay.03

產(chǎn)氣行為與水分控制的協(xié)同管理

電極界面氣體生成與積累機(jī)制

化成階段的氣體逸出主要源于電解液分解與殘留水分反應(yīng)。CO2（占比60-80%）由EC的兩電子還原生成，C2H4（20-30%）則來自EC二聚化過程。當(dāng)電解液含水量超過20ppm時(shí)，LiPF6水解產(chǎn)生的HF會(huì)腐蝕電極并破壞SEI完整性，使H2產(chǎn)氣比例激增。工業(yè)線通過真空干燥（85℃/-90kPa/12h）與分子篩吸附聯(lián)用，將電解液含水量嚴(yán)格控制在15ppm以下，這對(duì)維持界面穩(wěn)定性至關(guān)重要。

#Photonixbay.04

極片膨脹的應(yīng)力溯源與結(jié)構(gòu)調(diào)控

石墨嵌鋰過程的晶胞結(jié)構(gòu)圖

鋰離子嵌入導(dǎo)致石墨層間距從0.335nm擴(kuò)展至0.372nm，引發(fā)10%的體積膨脹。硅基負(fù)極的相變膨脹更為劇烈（300%），在極片內(nèi)部產(chǎn)生超過200MPa的應(yīng)力。采用三維多孔銅箔（孔隙率>40%）作為集流體，其空腔結(jié)構(gòu)可吸收60%的膨脹應(yīng)變，激光刻蝕的微通道（5-10μm）則能疏導(dǎo)產(chǎn)氣壓力。預(yù)鋰化技術(shù)通過補(bǔ)償SEI形成的鋰損耗，將首效從85%提升至94%，展現(xiàn)出顯著的工程價(jià)值。

#Photonixbay.05

從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)線的化成技術(shù)革新

美能光子灣與行業(yè)同仁共同致力于鋰離子電池技術(shù)的革新，始終以"更安全、更高效"為核心目標(biāo)，推動(dòng)清潔能源時(shí)代的加速到來。作為精密測(cè)量技術(shù)的探索者，我們深知電池"心臟"的持久活力源于對(duì)基礎(chǔ)機(jī)理的深度解析。未來，我們將持續(xù)深耕原位表征技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SEI動(dòng)態(tài)演化與產(chǎn)氣行為，為高比能電池的規(guī)?；瘧?yīng)用構(gòu)建全生命周期質(zhì)控體系。讓每一次技術(shù)迭代，都成為人類向可持續(xù)未來邁進(jìn)的有力心跳。

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原文出處：《鋰離子電池制造工藝原理與應(yīng)用》

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