汽車應急啟動電源的鋰電池制造中如何設置一個完善的化成

來源：未知作者：昂佳科技點擊：次發(fā)表時間：2019-01-16 17:01:34

汽車應急啟動電源內(nèi)的鋰電池通過一定的充放電方式將其內(nèi)部正負極物質激活，改善電池綜合性能的過程，叫做化成。化成是一個非常復雜的過程，同時也是影響電池性能重要的一道工序，因為在電池首次充電過程中，不可避免地要在碳負極與電解液的相界面上形成覆蓋在碳電極表面的鈍化薄層，稱之為固體電解質界面膜或稱SEI膜（SOLID ELECTROLYTE INTERFACE）。為了形成良好的SEI膜及高的生產(chǎn)效率，一般化成工藝均為采用由小到大階梯式電流的方式：

圖一　18650－2．75Ah化成工藝

圖二　2714891－36Ah鋁殼電池化成工藝

但是，以上化成工藝的參數(shù)設置過于簡單。其實化成工藝不僅僅是為了“活化”，一個完善的設置流程可以節(jié)約生產(chǎn)成本、提高化成效率、減少事故發(fā)生率、提高產(chǎn)品一致性等。企業(yè)在確定化成工藝時，除了設置合理的充電電流外，也應該重視化成工步中的細節(jié)設置。

一、要有合理的充電時間限制

企業(yè)設置化成電流，往往更注重電流值的大小，從而忽略時間限制。潛意識認為某一步限制跳轉的條件是終止電流或上限電壓，從而把充電時間設置很長。如圖一的第二步，恒流恒壓充電時間350min，而在使用相近容量、相同倍率模擬充電后，發(fā)現(xiàn)實際第二步充電時間在270min左右。那么問題就來了，假如某個電池有異常造成恒流或恒壓時間很長，在實際生產(chǎn)過程中就會出現(xiàn)其他電池都結束了而在“等”著這個異常電池結束的情況，這樣既費電，又造成生產(chǎn)效率下降。

圖三　某18650型號正常電池與內(nèi)短路電池化成曲線

圖三是在實際生產(chǎn)中遇到的一個內(nèi)短路的電池與同批次正常電池的化成曲線對比。如圖中紅色曲線為內(nèi)短路電池，隨著時間的上升此電池電壓與正常電池越拉越大，同時充電到4.2V，此電池較正常電池的充電時間長了1h左右，而這無形中拖延著整個化成柜的時間。且隨著充電時間的增加，短路點可能越來越大，電池溫度越來越高，隨著溫度的不斷升高，電池內(nèi)部可能因正極、負極和電解液之間發(fā)生各種反應而失控。那能不能提前把這些有問題的電池識別出來呢？

二、要有合理的上下限電壓限制

在每一步充放電步驟中，合理的設置上下限電壓，不僅可以提高生產(chǎn)效率，而且可以篩選圖三中的異常電池。我們從看過的數(shù)家化成工藝中發(fā)現(xiàn)，企業(yè)往往只設置上限電壓，忽略了下限電壓的設置，并且每一步的上限電壓均設置為充電最高電壓，問題往往就出在這里。

先說上限電壓，回到圖一和圖二中，均設置了每一步的上限電壓。拿圖二36Ah的鋁殼電池來說，三步充電的上限電壓均設置為3950mv，而該充電工步的前兩步充電結束，電壓均不可能達到3950mv的上限電壓。也許有人會說該步驟均為時間限制跳轉，所以電壓設置高點也無所謂。對于正常電池確實是這樣。但是非正常電池呢？舉個例子，假如有電池注液量偏少，極片未被完全浸潤，那么此電池充電過程中會因為極化更大而提前達到上限電壓。而此時設置的上限電壓越大，充電時間會越長，可能電池析鋰會越嚴重，電池發(fā)熱量也越多，無形中增加了安全風險。所以設置合理的上限電壓同樣有必要。

相對于上限電壓的設置，每一步的下限電壓設置其實更為重要。舉個例子，還是上圖三中內(nèi)短路的電池，假如使用圖二中階梯電流充電，在第二步中設置合適的下限電壓，由于此電池第一步充電結束電壓小于正常電池，那么在跳轉第二步時假如低于設置的下限電壓，那么此電池就會停止充電，從而降低了安全事故發(fā)生的概率。

圖四下限電壓停止異常電池工步實例

圖四為設置下限電壓時實際應用中遇到的情況，此電池為NCM18650－2.5Ah，在設置化成工步后，在運行中跳轉第二步，電池2由于電池電壓超出設置范圍3050－3650mv而停止。后續(xù)將此電池拆解，發(fā)現(xiàn)此電池卷芯最外圈被不明物刺破從而正負極短路。

圖五下限電壓篩選出的異常電池拆解示例

此為一個內(nèi)短路的異常電芯實例，在實際生產(chǎn)過程中，也可能會出現(xiàn)極耳虛焊、注液量少等異常，此類異常往往由于電池內(nèi)部極化大而造成電池動態(tài)電壓“虛高”，在跳轉時同樣會被識別出從而停止工步；根據(jù)電壓上下限的設置范圍，甚至一些電芯水分大或者其他原因造成電池電壓異常的情況也可以被識別，所以增加下限電壓的設置對電池一致性的篩選也有所幫助。

電壓上下限的設置范圍會因材料、環(huán)境溫度、設備等原因的不同而不同（使用上下限范圍為某工步電壓均值±4．5σ），所以設置的范圍太窄會造成篩選誤判，那么針對這種情況我們可以設置一些其他限制條件來輔助異常電池的篩選。

三、工步跳轉限制條件優(yōu)先順序篩選

這個篩選條件是什么意思呢？打個比方：化成第一步設置充電60min，上限電壓3500mv，我們要求是時間到60min跳轉下一步，而某些電池電壓到3500mv而充電時間未達到60min，那么此類電池挑出；同理，要求電壓或者電流到設置參數(shù)跳轉下一步但是時間先到也可以挑出。假如有些電池跳轉至下一步后，電壓范圍在我們設置的范圍內(nèi)，但是此電池又有某種異常，可以通過此限制條件篩選。下圖為廣東某設備廠家軟件設置流程頁面：

圖六流程設置頁面中的限制條件

紅圈中的Time over項即為跳轉條件篩選項，其分為兩個挑選條件TYPEA和TYPEB，在恒流充電中，TYPEA表示達到充電時間但未到達設置電壓；TYPEB表示未到充電時間但達到設置電壓；恒流恒壓充電中，TYPEA表示設置時間到但終止電流未到，TYPEB表示設置時間未到但終止電流到。我們可以根據(jù)不同的工步設置不同的篩選條件，挑出不符合要求的電池。

那要是遇到某個電池都在我們設置的條件范圍內(nèi)，但是恒流充電時間短，恒壓時間長，那可不可以篩出來呢？

四、恒流或恒壓充電時間限制篩選

回到圖六（此項僅適用于化成需要充滿電的流程），最右兩列即為CCT時間挑選。CCT的意思為恒流充電時間，當某些電池極化偏大或容量偏低，提前達到上限電壓，我們可以通過設置時間區(qū)間挑選出充電時間異常的電池，從而提高電池一致性。

圖七 CCT上下限時間篩選異常電池示例

上圖為在實際生產(chǎn)中通過CCT時間設置挑選出的一個異常電池與正常電池充電曲線，其中異常電池先達到上限電壓而且恒壓時間較長。后續(xù)將異常電池拆解，發(fā)現(xiàn)負極表面存在不明污漬。

圖八 CCT時間挑選出異常電池拆解圖

五、充電△ V 設置

有些朋友可能注意到圖六中還有一個設置項△ V ，意思是充電過程中允許電壓下降的最大值，具體設置值可根據(jù)設備精度及各企業(yè)可接受異常范圍設置。此項也是重點哦，當一些內(nèi)短路電池在充電過程中出現(xiàn)短路點變大的情況，可能會出現(xiàn)充電過程中電壓下降，及時停止工步對阻止安全問題的發(fā)生同樣有效。

一個流程設置這樣就差不多了，這些參數(shù)的設置跟企業(yè)使用的柜子精度關系較大，或者有些企業(yè)使用的軟件沒有Timeover和CCT時間篩選功能，但是充放電上下限電壓肯定是有的，企業(yè)可根據(jù)自身的實際情況確定自己的參數(shù)。此外，介紹的這些功能對分容流程的設置也同樣適用。還有些細節(jié)比如數(shù)據(jù)采集時間和過容量報警，采集時間這個肯定是要求越短越好，時間短采集數(shù)據(jù)就多，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常就更及時，但數(shù)據(jù)采集量大就需要柜子連接的電腦有高的配置，還有上位機數(shù)據(jù)庫有較大的內(nèi)存，企業(yè)同樣需要根據(jù)自身的情況合理設置。

最后再補充一點，按以上流程設置完挑選出來的電池，是否都需要報廢？當然任性的公司全部報廢也未嘗不可，寧可錯殺一千不能放過一個，產(chǎn)品質量肯定棒。但是也可以根據(jù)不同的異常現(xiàn)象將異常電池降為不同的等級，甚至有些因柜點問題等是可以重新化成當A品的。那如何區(qū)分異常種類呢？有些軟件有個特別的功能——顏色區(qū)分（如圖九）。