干货 锂离子电池化成原理及注意事项
来源：锂电前沿
电池制造后，通过一定的充放电方式将其内部正负极物质激活，改善电池的充放电性能及自放电、储存等综合性能的过程称为化成。
什么是化成？
锂电芯的化成是电池的初使化,使电芯的活性物质激活，即是一个能量转换的过程。锂电芯的化成是一个非常复杂的过程，同时也是影响电池性能很重要的一道工序，因为在Li+第一次充电时，Li+第一次插入到石墨中，会在电池内发生电化学反应, 在电池首次充电过程中不可避免地要在碳负极与电解液的相界面上、形成覆盖在碳电极表面的钝化薄层，人们称之为固体电解质相界面或称SEI膜(SOLID ELECTROLYTE INTERFACE）。 SEI膜的形成一方面消耗了电池中有限的锂离子，这就需要使用更多的含锂正极极料来补偿初次充电过程中的锂消耗; 另一方面也增加了电极/电解液界面的电阻造成一定的电压滞后。
化成原理
SEI膜形成机制
⑴ 在一定的负极电位下，电极/电解液相界面的锂离子与电解液中的溶剂分子等发生不可逆反应；
⑵ 不可逆反应主要发生在电池首次充电过程中；
⑶ 电极表面完全被SEI膜覆盖后，不可逆反应即停止；
⑷ 一旦形成稳定的SEI膜，充放电过程可多次循环进行
SEI膜组成成分
正极确实也有层膜形成,只是现阶段认为其对电池的影响要远远小于负极表面的SEI膜,因此本文着重讨论负极表面的SEI膜（以下所出现SEI膜未加说明则均指在负极形成的）。 负极材料石墨与电解液界面上通过界面反应能生成SEI膜 ,多种分析方法也证明SEI 膜确实存在,厚度约为100～120nm ,其组成主要有各种无机成分如Li2CO3 、LiF、Li2O、LiOH 等和各种有机成分如ROCO2Li 、ROLi 、(ROCO2Li) 2 等。烷基碳酸锂和Li2CO3均为3.5V前形成SEI膜的主要成分，烷基碳酸锂和烷氧基锂为3.5V后形成SEI膜的主要成分。
化成气体产生与电压关系
化成过程中其产气总量于电压3.0V处最大,而当化成电压大于3.5V后,则产生的气体就迅速减少.化成电压小于2.5V时,产生的气体主要为H2和CO2等;随着化成电压的升高,在3.0V~3.8V的范围内,气体的组成主要是C2H4,超出3.8V以后,C2H4含量显著下降,此时产生的气体成分主要为C2H6和CH4.其中,3.0V~3.5V之间为SEI层的主要形成电压区间.而在这一电压区间,产生的气体组分主要为C2H4.因此可以认为,这时SEI层的形成机理主要是电解液溶剂中EC的还原分解。
化成产生气体分类
化成产生气体成分比较
化成产生气体的原因及机理
当电池电解液采用1mol/L LiPF6-EC~DMC~EMC(三者体积比1：1：1)化成电压小于2.5V下,产生的气体主要为H2和CO2等;化成电压为2.5V时,电解液中的EC开始分解,电压3.0~3.5V的范围内,由于EC的还原分解,产生的气体主要为C2H4;而当电压大于3.0V时,由于电解液中DMC和EMC的分解,除了产生C2H4气外,CH4,C2H6等烷烃类气体也开始出现;电压高于3.8V后,DMC和EMC的还原分解成为主反应.此外,当化成电压处3.0~3.5V之间,化成过程中产生的气体量最大;电压大于3.5V后,由于电池负极表面的SEI层已基本形成,因此,电解液溶剂的还原分解反应受抑制,产生的气体的数量也随之迅速下降。
电解液中主要的有机溶剂结构
EC为碳酸乙烯酯；PC为碳酸丙烯酯；DEC为二乙基碳酸酯；DMC为二甲基碳酸酯；DME为二甲氧基乙烷；DOL为二氧戊烷； MEC为甲基乙基碳酸酯
化成过程中的主要化学反应
正极反应： LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe- 负极反应： 6C+xLi++xe-=LixC6电池总反应： LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6电压低于2.5V时 H2O+e→OH-+1/2H2 (g)
OH-+ Li+→ Li OH (s)
LiOH+Li++e→LiO(s)+1/2H2(g)
LiPF6→LiF+PF5
PF5+H2O→2HF+PF3O
LiCO3+2HF→LiF+H2CO3
H2CO3→H2O+CO2(g )
SEI层形成过程中的主要反应：
EC+ e →EC·(EC自由基 ）
2EC·+2Li+→CH2=CH2 (g)+(CH2OCO2Li)2 (s)
EC+2e→CH2=CH2 (g)+CO32-
CO32- + 2Li+→Li2CO3
EC+2Li++2e→CH3OLi (s) + CO (g)
DMC + e+ Li+→CH3OCO2Li (s)+CH3·
DMC+ e+ Li+→CH3OLi (s)+CH3OCO2
CH3OCO2+CH3·→CH3OCO2CH3
EMC+ e+ Li+→CH3OCO2Li (s)+C2H5·
CH3·+1/2H2→CH4
C2H5·+1/2H2→C2H6
CH3·+CH3·→C2H6
C2H5·+CH3·→C3H8
DMC+2Li++2e→CH3OLi (s) + CO (g)
SEI膜形成中的主要化学现象
在电池化成的过程中不仅仅是电能与化学能的转换，同时也伴随着热能的转化；在化成中的化学反应产生的气体包括H2，CO，CO2，C2H4，CH4，C2H6· · · ，所以在化成时电芯都有一个气囊，目的就是排出化成中产生的气体。 SEI膜形成的质量、稳定性、界面的优化是决定电池寿命不可忽视的重要因素。
化成设备
ATL用于生产的主要的化成设备为杭州可靠性仪器厂生产的锂离子电池化成系统分为2A/2.5A/3A等几种类型，按project又分成气压针床式/装架式/插老化板几种
LIP—3AHB01（512高温）
LIP—3AB01（512常温）
LIP—3AHF04（576高温）
LIP—3AF04（768常温）
LIP—3AP02（3A装架机）
LIP—2AP02（2A装架机）
LIP—3AHB01W（恒功率）
LIP—0.5AHB01（0.5A高温）
LIP—0.2AHB01（0.2A高温）
化成设备的工作原理
化成设备工作状态
使电池在四种工作状态下切换，记录在每一种状态下测试的数据，
对电池性能分析提供了详细的数据源。
- -(休眠）
CC（恒流充电）
CV（恒压充电）
DC（恒流放电）容量测试才有恒流放电，化成没有放电流程。
CPD（恒功率放电）恒功率机器专有。
化成设备电路原理
化成机器工作原理
校准原理：
采用继电器及稳压管串联,分别给每个工位根据校准流程参数进行充放电,及恒压充电,在这过程中用6.5位的高精度表进行监控。记录每个工位的实际参数。同时机器上的控制板也返回每个对应的回检参数。每个工位根据不同的参数大小需要测试15次以上。上位机的校准软件根据这两个参数算出K值和B值。从K.B值中求出其工位的线性参数。根据其工位的线性参数来判断其工位的电路元件误差值。把每个工位的线性参数集合在一起通过校准软件写入AT28C256的芯片里。每个工位经过校准后，根据其线性参数来执行其工位相对当前的流程值补上差值。使实际电流电压参数和回检值一致。
化成设备日常监控及维护
通道精度检查
现在ATL-SSL化成设备的精度除开装架机器外，所有的化成机精度电压都在 ±2mV，电流都在±2mA之内。
化成机器通讯线连接是否良好高温化成应检查温度表 测试机器高温送风马达运转时声音是否正常老化板检查
1.夹子
夹子松劲度及弹性是否良好，是否破损，是否掉胶垫
2.金手指
金手指完好无损，光洁度要好，干净清洁，铜箔粘贴要牢固
3.金手指外缘是否平整
金手指外缘的PCB板要平整，不能凹凸不平。
4.老化板是否变形，松动，少螺丝
化成测试流程
第一步休眠第二步恒流充电
以0.02C恒流充电270min，小电流充电目的使形成的SEI膜质量、界面更好,但形成的SEI膜不稳定，易与前面的分解产物发生反应，需进一步充电使SEI膜趋于稳定。
第三步休眠
目的是使两次充电有一个转换过程,并达到消除极化的作用;
第四步恒流充电
以0.1C充电到3.95V，在SEI膜基本形成后以稍大一点电流充，不但节约更多时间；且形成的SEI膜致密，热稳定性更好，此时的SEI膜将电解液与石墨完全隔开，只许离子通过到达石墨层。但此时电压不能充得太高易造成析锂。
名词解释:
休眠:在化成测试中表现为不做充电或放电,起到不同倍率充电流程间的转换作用;CC: constant current charge(即恒流充电),0.1C:其中0.1是倍率,C代表其容量值,如一电芯的容量是500mAh,则充电电流0.1*500则为50mA
化成测试时应留意的几点
夹电池前应检查backing时间及静置时间夹电池时应先检查老化板金手指及夹子有无异常，有问题的板送修 夹好的电池入HK机时应按扫描的通道插入老化板，不要入错通道入炉后应检查电池barcode与DTS该通道电池barcode是否一致。建化成名时应规范操作，不能输入过长的化成名，否则不能传数据发流程时先根据MI要求导出相应的流程名，检查流程每一步的设置与MI的要求是否相符，若有出入请联系PE工程师确认，确认无误方可发流程。流程发送后应迅速检查电池电压及电流大小，若有异常电芯（及时取出，避免电芯燃烧）
化成过程中的异常现象的处理
1、发流程时无电流
电芯在刚发流程休眠结束后，立即检查每个电芯的电流和电压，对电压异常偏低或0电压，电流为0或电流远低于设定值，检查是否没夹好，夹子断线，夹子虚焊，没夹好的重新夹好，夹子断线或虚焊的应立即休眠该电芯将其取出，并在软件中删除其电芯编号。对电压和电流异常偏高，如电压为4499，电流为2499（1.5A的机器为1499），应立即休眠将该电芯取出，并在软件中删除其电芯编号。如果是老化板有问题，挑出送维修房维修，如果是通道有问题，应做好记录，等待工程师维修。
2、发流程后电压充不上
如果电芯在化成过成中出现电压和电流异常波动，跳跃，或者电流正常，电压一 直充不上去，应立即休眠该电芯，以免引起燃烧。
如果在充电过程中，电压不升反降，应立即休眠。
３、对异常停电处理：
打开机器相应的化成名（必须是断电时机器化成名）断电保护 自动搜寻历史数据搜寻完毕后对话框自动关闭，查看机器有否采集到实时数据依次进行其它机器操作。
４、 过充
过度充电和过度放电，将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏，从分子层面看，可以直观的理解，过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。
来源：锂电前沿
锂电 什么是化成？化成中锂离子电池发生了怎样的变化？
一.什么是化成？
化成是一个工艺步骤，是对注液后的电池进行小电流充电的过程，其中包括预化成和主化成两个阶段。
化成的目的就是为了让锂离子电池完成从“一堆材料”转变为稳定 的“电化学系统”。化成中的所有流程都是为了实现稳定有效地转变。
二.那么，在化成过程中锂离子电池内部发生了哪些变化？
在化成过程中，锂离子电池内部会有如下的反应：
1.活性材料会被激活 。正极材料开始脱出锂离子，与此同时，负极材料做好了锂离子嵌入的准备。
2.锂离子开始在体系中移动 。在正极表面溶剂化，通过隔膜，抵达负极表面。
3.溶剂化的锂离子与负极材料直接接触 。在锂离子嵌入表层的负极材料后，提高了负极材料的费米能级，使得表层的负极材料的费米能级高于电解液的最低未占据分子轨道（LUMO）。于是，电解液在负极材料的表面发生还原分解，生成固体电解质界面膜（SEI）和副产物气体。
关于SEI膜更加具体地解释请看文章：锂电-锂离子电池中为什么会生成SEI膜？SEI膜生成的具体步骤是什么？SEI膜是什么样的结构？
副产物气体有哪些请看文章：锂电--为什么锂离子电池在使用过程中会产气？产生了哪些气体？
4.气体的逸出在极片上产生气路 。
第一阶段：产生的气体首先以微小气泡形式附着在负极颗粒表面；
第二阶段：随着化成的进行产生气体量逐渐增多，微小气泡不断长大，开始互相接触和合并长大；
第三阶段：随着气体量进一步增大，气泡持续长大，较大的气泡依靠内部压力冲开隔膜与极片的间隙，逐渐在二者间隙处聚集，并向压力较低的极片边缘扩展；当气泡扩展至边缘与大气连通，便形成了稳定的气体溢出通道（气路），此后气体沿着这些通道不断溢出至壳体外。
5.极片膨胀
极片和隔膜在注液后的静置和化成过程中会发生膨胀现象，会导致电池的厚度增加。极片的膨胀包括电极材料颗粒的膨胀、粘结剂的溶胀和极片中颗粒间应力松弛等三个方面。
电极材料颗粒的膨胀：是由锂的嵌入和表面SEI膜形成引起的。随着嵌锂量增大，石墨碳层距逐渐增大，晶胞体积也逐渐增大。
粘结剂的溶胀：极片中粘结剂吸收电解液中的溶剂后会自身发生溶胀，使得颗粒间隙增大，导致极片厚度增加。
极片中颗粒间应力松弛：颗粒间的应力松弛膨胀是经过电解液浸泡后，极片内部活性物质颗粒之间、导电剂颗粒之间以及活性物质颗粒之间内部应力释放，使得极片结构松弛，导致极片厚度进一步增大的过程。
三.那么结合化成过程中锂离子电池的变化，我们为了实现将“一堆材料”转变为稳定的“电化学系统”，能够做出哪些努力？
1.使得正负极材料被全部激活：
正负极材料作为锂离子容器，要使得其全部激活，就要满足以下两点：
第一，材料本身能够正常脱嵌锂离子。即材料结构未破坏。
第二，材料能够接入电化学系统。即电解液能够浸润每一个颗粒，使得锂离子有运输的通道。
2.生成致密的SEI膜：
为了得到性能优异的SEI膜层，将化成分为了预化成和主化成两个阶段。
在预化成阶段中，首先通过小电流生成较为致密的SEI膜。避免电流过大，导致一方面形核速度快，使SEI膜结构疏松，与颗粒表面附着不牢；另一方面溶剂化锂离子在负极材料界面来不及发生成膜反应，而锂离子与溶剂共同嵌入负极材料中，破坏材料结构，同时造成更多的电解液损失。
预化成阶段主要是为了成膜，所以充入的电量较少，电压也只是达到了目标成膜电位即可。为了使得锂离子电池中活性材料完成脱-嵌-脱的循环，便开始主化成。
在主化成阶段中，采用比预化成电流更大的电流进行充放电循环。在活性材料的表面生成SEI膜之后，使用较大的电流使得电池内部的运转适应实际的工况，同时对SEI存在缺陷的地方进行重组修补。
预化与主化的目的有所不同。预化主要是为了成膜，主化主要是为了使活性材料完成脱嵌的完整过程，所以在预化过程中，产生的气体更多一些。
3.气体的排出
第一，在预化成中，当产生的气体停留在极片与隔膜之间时，由于气体为绝缘体，会使得极片气路通道上的预化成反应停止，导致极片化成不均匀。
第二，预化成的气体逸出还会造成电解液损失。在预化成过程中，产生的气泡会占据电解液的部分空间，使电解液体积膨胀溢出，造成电解液损失。
所以为了减少气体在极组中的停留，使得其能够快速逸出，需要使用负压化成的工艺。
注：不同壳体的锂离子电池给与级组的夹紧力不一样，在预化成中会有不同的均匀程度。软包装、铝壳、钢壳电池壳体的夹紧力依次增大，气路面积依次降低，预化成均匀程度依次增大。
以上内容为电池人阅读文献后的总结，为此感谢前辈们的研究，为我们后来者的学习提供了便利！
“我相信科学技术的难关都将被一步步攻克，因为我们站在巨人的肩膀上，也奋力在成为巨人。”
相关问答
锂电池化成 以及分容的具体过程或者步骤是怎么样的?化成就是小电流充电激活材料活性,化成的工艺是关键工艺,而且每一家厂商都不一样的,所以没办法告诉你化成工艺。分容的话,因为国内厂商电池的一致性差所以需...
锂离子 电池化成 分容系统是什么_作业帮[最佳回答]化成就是将注液后的电池激活,使其具有存储电的能力.分容就是将化成好的电池按照1C放电容量进行分类,以适合不同的容量需求.简单来说就是这个样子,化...
电池化成 和定容有什么区别?化成:一般指对初次充电的电池实施一系列工艺措施使之性能趋于稳定,包括,小电流充放,静置,60℃以下的恒温静置等,也有专门指首次充电使电池完成电极活化的充...
锂电池化成 后电压过高是什么原因?怀疑保护板损坏了。锂电池电瓶再充电和使用中都受到保护,都有充电终止电压和放电终止电压,防止出现损伤和安全问题。充电终止电压大约是3.72v的1.1倍,4.2v。...
锂电池化成 过程中电流降到0的原因?主要是因为电极材料与锂离子的反应已经完成,即电极上可嵌入或可脱出锂离子的空隙已全部填满或释放完毕,电流也因此随之降至零。此时,锂离子已完成从电极材料(...
a股锂电板块龙头股是哪支?-股票知识问答-我爱卡[回答]龙头股如下:1、先导智能(300450):无锡先导智能装备股份有限公司成立于2002年,是国家火炬计划重点高新技术企业、国家两化融合示范企业。201...2015...
18650 锂电池 重复 化成 怎么办?1、将你的电池全部用完后取下来,用温度处理,电池在温度不稳定的情况下会大大的缩短使用时间,因为电池是没有电的并且相当一部分锂离子已经带有记忆电了用这样...
锂电池化成 过程中，容量超过设置上限了，什么原因?-盖德问答...是只有一个电池这样,还是这一批都这样呢?是全电池还是半电池?容量是放电容量还是充电容量?扣电还是软包?建议把问题说清楚再提问一批电池,全电池,...
三元材料的 锂电池 热压 化成 温度为多少合适?不过一般低于0℃后锂电池性能就会下降,放电能力就会相应降低,所以锂电池性能完全的工作温度,常见是0~40℃。一些特殊环境...1912年锂金属电池最早由GilbertN...
锂电池 分容的工艺流程?化成:一般指对初次充电的电池实施一系列工艺措施使之性能趋于稳定,包括,小电流充放,静置,60℃以下的恒温静置等,也有专门指首次充电使电池完成电极活化的充...
