Formazione e classificazione nella produzione di batterie agli ioni di litio

La formazione e la classificazione della capacità sono tra le fasi finali e più critiche in produzione di batterie agli ioni di litio Sebbene questi passaggi avvengano dopo la fabbricazione degli elettrodi e l'assemblaggio delle celle, influenzano fortemente la stabilità elettrochimica, le prestazioni di sicurezza, la coerenza e la durata del prodotto finale. Nell'industria linee di produzione di batterie Il processo di formazione attiva la batteria per la prima volta, mentre il processo di classificazione valuta e classifica le celle in base a parametri elettrici misurabili.

Dal punto di vista ingegneristico, queste operazioni non sono semplici procedure di carica e collaudo. Ogni fase – riempimento dell'elettrolita, invecchiamento, formazione, riempimento secondario, valutazione del valore K e classificazione della capacità – è progettata in base a meccanismi elettrochimici, comportamento del trasporto di massa, sviluppo di gas e requisiti di controllo qualità. Nelle moderne fabbriche di batterie, la progettazione di questi processi deve essere integrata con il layout complessivo della linea di produzione, la capacità delle apparecchiature e le specifiche di prestazione target. Per i produttori che costruiscono nuovi impianti, queste fasi sono in genere implementate come parte di un processo completo soluzione per la linea di produzione di batterie al litio , Dove sistemi di formazione , stanze per l'invecchiamento e macchine di classificazione vengono configurati in base ai requisiti di capacità e di composizione chimica.

Questo articolo fornisce una spiegazione ingegneristica dettagliata di ogni fase del processo di formazione e di classificazione della capacità, unitamente alle ragioni fisiche e chimiche alla base delle operazioni.

1. Primo riempimento dell'elettrolita dopo l'assemblaggio della cella

Durante il primo riempimento, la cella assemblata viene posizionata in una camera di riempimento sottovuoto. La camera viene evacuata per creare una pressione negativa all'interno della cella. Una volta che la pressione interna è sufficientemente bassa, la valvola dell'elettrolita viene aperta e l'elettrolita fluisce nella cella grazie alla differenza di pressione. Questo metodo garantisce che l'elettrolita penetri nei pori del separatore e nella struttura dell'elettrodo in modo più efficiente rispetto al semplice riempimento a pressione atmosferica.

Lo scopo del primo riempimento non è solo quello di introdurre l'elettrolita, ma anche di garantire una bagnatura uniforme degli elettrodi porosi. Una bagnatura insufficiente può portare a un'elevata resistenza interna, alla formazione non uniforme dello strato SEI e alla perdita di capacità nelle fasi successive.

2. Invecchiamento ad alta temperatura per la bagnatura degli elettroliti

Le celle vengono collocate in una camera di invecchiamento a temperatura controllata e ad alta temperatura per un periodo specificato, al fine di accelerare la diffusione dell'elettrolita nei pori dell'elettrodo. Una corretta bagnatura è essenziale per la formazione stabile dello strato SEI durante il successivo processo di formazione.

Durante la fase di invecchiamento, la cella non è ancora sigillata in modo permanente. Pertanto, è necessario utilizzare un perno di sigillatura temporaneo per chiudere l'orifizio di riempimento. Senza una sigillatura temporanea, le alte temperature possono causare l'evaporazione dell'elettrolita, con conseguenti variazioni di concentrazione, instabilità delle prestazioni e potenziali rischi per la sicurezza.

Tabella 1 — Scopo dell'invecchiamento ad alta temperatura

3. Processo di formazione e generazione del film SEI

Durante la prima carica, l'elettrolita si decompone sulla superficie della grafite, formando uno strato SEI sottile ma denso. Questo strato permette il passaggio degli ioni di litio impedendo al contempo un'ulteriore decomposizione dell'elettrolita. La qualità del film SEI determina direttamente la durata del ciclo di vita, la resistenza interna e la sicurezza.

Per ottenere una pellicola SEI di alta qualità, la formazione viene solitamente effettuata utilizzando un profilo di corrente a più fasi.

Durante la fase di formazione si verifica la generazione di gas a causa della decomposizione dell'elettrolita, che produce gas come CO₂ e idrocarburi. Per evitare l'accumulo di gas all'interfaccia degli elettrodi, la produzione industriale utilizza spesso la formazione a pressione negativa, in cui il gas viene rimosso durante il processo.

Il gas intrappolato tra gli strati degli elettrodi può bloccare i percorsi di trasporto degli ioni di litio, portando a una formazione non uniforme dello strato SEI e a variazioni di prestazioni tra le celle.

Nelle fabbriche moderne, i sistemi di formazione sono progettati insieme al
Apparecchiature per la formazione e la classificazione delle batterie, che garantiscono un controllo preciso della corrente, la stabilità della temperatura e la gestione dei gas.

4. Riempimento secondario degli elettroliti

Due ragioni principali rendono necessario questo passaggio:

Di conseguenza, la quantità di elettrolita all'interno della cella diventa inferiore al valore previsto. Il riempimento secondario compensa questa perdita. e perdita e garantisce il corretto volume degli elettroliti.

L'operazione è simile al primo riempimento, ma la quantità di liquido è inferiore. Dopo il secondo riempimento, l'orifizio di riempimento viene saldato per sigillare permanentemente la cella.

Tabella 2 — Confronto tra la prima e la seconda otturazione

5. Misurazione della tensione a circuito aperto (OCV) e test del valore K ad alta temperatura

Lo scopo è calcolare il valore K ad alta temperatura, che descrive il tasso di autoscarica della batteria.

La formula è:

K = (OCV1−OCV2) / (T2−T1)

Unità: mV/h

La cella viene conservata a temperatura elevata tra le due misurazioni. Un valore K elevato indica una caduta di tensione anomala, che può essere causata da perdite interne, contaminazione o micro-cortocircuiti.

Le cellule con un valore K eccessivo devono essere rimosse prima della valutazione.

Tabella 3 — Interpretazione del valore K ad alta temperatura

6. Gradazione di capacità (Ciclo di prova di formazione)

Nella produzione industriale, la classificazione viene solitamente eseguita a correnti relativamente elevate (0,5C–1C) per simulare le effettive condizioni operative.

Le cellule vengono quindi suddivise in diverse categorie in base alla capacità misurata.

Esempio di classificazione:

Le macchine di livellamento devono fornire un controllo accurato della corrente, una gestione della temperatura e un'elevata uniformità del canale, motivo per cui sono normalmente integrate in un
Soluzione per linea pilota o linea di produzione di batterie, anziché utilizzarle come apparecchiature autonome.

7. Test del valore K a temperatura ambiente dopo la depolarizzazione

Subito dopo la carica e la scarica, la tensione diminuisce rapidamente a causa del rilassamento del potenziale dell'elettrodo. Se la tensione a circuito aperto (OCV) viene misurata immediatamente, il valore di K calcolato risulterà artificialmente elevato.

Pertanto, le celle vengono conservate per un certo periodo fino a quando la tensione non si stabilizza, dopodiché viene eseguito un secondo test del valore K a temperatura ambiente.

Questo test elimina ulteriormente le celle difettose prima della spedizione.

8. Rilascio finale delle cellule qualificate

- Prima otturazione

- Invecchiamento

- Formazione

- Seconda otturazione

- Test K ad alta temperatura

- Classificazione della capacità

- Test K a temperatura ambiente

Le cellule possono essere rilasciate dalla fabbrica.

Sebbene queste fasi avvengano alla fine del processo, sono determinanti per stabilire se la batteria soddisferà le specifiche di progettazione. Una formazione incompleta, una scarsa bagnatura, una quantità insufficiente di elettrolita o una classificazione imprecisa ridurranno direttamente la durata del ciclo di vita e la sua uniformità.

Per questo motivo, la sezione di formazione e classificazione è spesso la parte di un impianto di produzione di batterie che richiede maggiore energia, tempo e attrezzature, e deve essere considerata fin dalle prime fasi della progettazione dell'impianto.

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