在新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的背景下，鋰電池能量密度與循環(huán)壽命的提升成為行業(yè)核心訴求，而化成工序作為電芯性能定型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其工藝精度直接決定電池最終品質(zhì)。在鋰電池生產(chǎn)工藝中，化成是后段工序的核心環(huán)節(jié)，處于注液與老化分容之間，通過首次充放電過程實(shí)現(xiàn)電芯從物理組裝到電化學(xué)活性的質(zhì)變，其工藝參數(shù)波動(dòng)對(duì)電池性能的影響可達(dá)30% 以上。下文美能鋰電將系統(tǒng)解析鋰電池生產(chǎn)的化成工序。

化成工藝的定義與目的

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鋰電池化成工序示意圖

化成是對(duì)注液封裝后的電池進(jìn)行首次充放電的過程，核心目標(biāo)有兩個(gè)：

激活電極材料：石墨負(fù)極需通過鋰離子嵌入完成從天然石墨到鋰碳層間化合物的相變，此過程伴隨10% 的體積膨脹，需通過階梯式充放電緩解結(jié)構(gòu)應(yīng)力。三元正極（如 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2）則在充放電中完成 Ni2?→Ni3?→Ni??的氧化還原循環(huán)，形成穩(wěn)定的三維鋰離子擴(kuò)散通道，其活化程度直接影響電池可逆容量。

形成SEI 膜：在負(fù)極表面生成固體電解質(zhì)界面膜（Solid Electrolyte Interface, SEI）。SEI 膜允許鋰離子通過但阻止電子和溶劑分子穿透，從而保護(hù)負(fù)極不被持續(xù)腐蝕，同時(shí)減少活性鋰的損耗。

化成工藝的步驟與參數(shù)控制

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鋰電池化成工藝的過程

開口充電（預(yù)充/ 排氣）

采用小電流（如0.05C-0.15C）階梯式充電，促進(jìn)電解液中添加劑反應(yīng)生成氣體排出，避免后續(xù)鼓包或短路。此階段形成的SEI 膜較致密。

閉口充電

逐步增大電流（如0.5C-1C），使SEI 膜從致密過渡到疏松，平衡離子傳導(dǎo)與穩(wěn)定性。需嚴(yán)格控制截止電壓（如3.65V-4.0V），防止過充導(dǎo)致鋰枝晶生長(zhǎng)或正極分解。

閉口老化

充電后靜置，使SEI 膜成分與結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。高溫老化（如60℃-80℃）可加速反應(yīng)，但需避免SEI 膜熱分解。

閉口放電

以接近充電電流的速率放電，完成電池活化。放電深度需控制在安全范圍內(nèi)（如不低于1.5V），防止過放損壞極片。

化成工藝對(duì)電池性能的影響

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鋰電池化成過程SEI 膜的形成

SEI 膜質(zhì)量

電流密度與SEI 膜阻抗呈正相關(guān)，電流密度過高會(huì)導(dǎo)致SEI 膜疏松、阻抗增加；低溫（-20℃）形成的 SEI 膜更致密但耗時(shí)較長(zhǎng)。合適的工藝參數(shù)可使首效（首次放電容量 / 充電容量）達(dá)到 85%-88%。

產(chǎn)氣與安全性

電解液分解反應(yīng)（如EC→Li?CO?+CO?）產(chǎn)生的氣體量與充電深度呈線性關(guān)系，化成過程中電解液分解會(huì)產(chǎn)生H?、CO?、C?H?等氣體，需通過負(fù)壓或開口設(shè)計(jì)及時(shí)排出，否則可能導(dǎo)致隔膜變形或內(nèi)部短路

一致性與壽命

化成參數(shù)（如溫度、壓力）的波動(dòng)會(huì)影響電池容量、內(nèi)阻和循環(huán)壽命。例如，充電截止電壓從3.65V 提升至 4.0V 雖可增加容量，但循環(huán)后期衰減更快。

化成工藝的技術(shù)趨勢(shì)

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預(yù)鋰化技術(shù)：

通過外部鋰源（如鋰箔、鋰粉）補(bǔ)償SEI 形成消耗的鋰離子，可將首效提升至 90% 以上，減少正極活性鋰損失。

工藝優(yōu)化：

研究嘗試通過機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)分容容量，以簡(jiǎn)化流程；同時(shí)，聚類分析等方法可更精準(zhǔn)地對(duì)電池進(jìn)行分檔，提升成組一致性。

化成工序通過調(diào)控SEI 膜的形成動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)平衡，成為鋰電池性能調(diào)控的核心樞紐。美能鋰電將持續(xù)深化化成機(jī)理研究，通過材料- 工藝 - 設(shè)備的協(xié)同創(chuàng)新，推動(dòng)鋰電池向高安全、長(zhǎng)壽命方向發(fā)展，為新能源產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

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