形成は、リチウムイオン電池の生産および製造プロセスにおける重要なプロセスです。形成の目的は、負極表面にSEIを生成し、電子を隔離し、イオンを伝導することです1-2。セイ 膜形成の品質は、その後の電池のサイクル率性能に直接影響します。したがって、適切な成形条件（成形温度、充填速度、加える圧力など）を制御することは非常に重要な製造工程です。SEI膜の形成プロセスに伴い、電池体積が増加します。これは、一方では皮膜形成反応のガス生成物によるものであり、他方ではリチウムイオンが正極から抽出されて負極に挿入された後の負極構造の膨張によるものです。電極。

この論文では、その場ガス発生量モニターアナライザー (GVM) を使用して、さまざまな形成温度で NCM523/グラファイトセル (理論容量 2400mAh) のその場形成量をテストし、形成温度の影響を分析します。

図1. 黒鉛およびリチウム金属表面のSEIの研究経過と開発期間

1. 実験装置及び試験方法

1.1 実験装置: モデル GVM2200(IEST)、テスト温度範囲は 20°C ～ 85°C で、デュアルチャンネル (バッテリー 2 個) の同時テストをサポートします。装置の外観を図2に示します。

図2. GVM2200装置の外観

1.2 テスト情報: NCM523/グラファイト システム バッテリー セル、0.5C CC ～ 4.2V、理論容量 2400mAh

図 3. テストセル

1.3 試験方法: 最初にセルの重量を測定します。₀、テストするセルをデバイスの対応するチャネルに置き、ミスグ ソフトウェアを開き、各チャネルに対応するセル番号とサンプリング周波数パラメータを設定します。ソフトウェアは自動的に体積変化を読み取​​り、温度、電流、電圧、容量やその他のデータ。

2.細胞のその場体積膨張解析

図 4(a) に示すプロセスに従い、25℃、45℃、55℃、65℃、85℃の条件で 5 つの並列セルを形成し、図 4(b) に示す体積を形成しました。 (c) 膨潤曲線と微分容量曲線が得られました。形成温度が上昇するにつれて、対応するガス生成も徐々に増加し、バッテリーが約 3.7 V まで充電されると、バッテリーの体積曲線は比較的安定した最大値に達し、定電圧段階で体積がわずかに縮小します。拡大された体積膨張曲線と微分容量曲線から、形成温度の上昇により体積膨張が早く発生し、各相転移のピーク位置が左にシフトし、電池の分極が連続的に進行していることがわかります。減少し、&注意;

形成プロセス中に、グラファイト電極の表面は固体電解質界面 (セイ) を形成し、溶媒の共インターカレーションを防ぎます。界面の物理的および化学的特性は、リチウムイオン電池の分極電位と寿命に大きな影響を与える可能性があります。理想的な セイ 層には、リチウムイオンの迅速な輸送と電子の封止と隔離による副作用を確実にするために、高いイオン伝導性、良好な電子絶縁性、良好な熱的および電気化学的安定性が必要です。SEIの主なグループには、電解質塩やLiF、Li2CO3、RCO2Li、炭酸塩などが含まれます。安定したSEIの形成に成功した場合にのみ、リチウムイオンをグラファイトに安定に挿入および放出することができます。リチウムイオン電池の容量保持と保存寿命も、セイ の安定性に直接依存します。

セイ の形成には、セイ の成長の増加と セイ の溶解の減少という 2 つの逆のプロセスがあります。研究により、セイ の成長は電解溶媒の電気化学的に誘発された還元プロセスに関連しており、温度の影響を受けにくいことが示されています。逆に、温度の上昇により、最初に形成された セイ の電解質への溶解が大幅に加速されました。したがって、異なる温度で形成された セイ 界面は異なる特性を持ちます。高温では、溶媒分子と電極の両方が比較的活性化し、電極/電解質界面の電気化学的性能がより複雑になります。セイ の有機成分は無機成分よりも有機電解液に溶解しやすいため、セイ 膜の崩壊につながります。したがって、高温では無機成分が セイ 膜の主成分となり、体積変形に耐える電極の能力が大幅に低下します。高温でも重大な副反応が発生し、より多くのガスが発生します。さらに、高温ではリチウムイオンの伝達速度が速くなり、界面の電気化学的ストレスが大きくなり、界面の不安定化にもつながります。

低温では、形成された セイ の密度が高くなり、イオン伝導度が低くなり、李 の迅速な輸送が制限されます。また、分極が高いために温度が低すぎると、金属リチウムの直接析出にもつながります。したがって、適切な温度範囲でのみ、形成された界面膜は最高のイオン伝導性と安定性を備えます。いずれにせよ、形成温度は電解質の粘度や導電率、電極材料のイオン拡散速度を変化させ、それによって形成効果に影響を与えます。一般に、形成温度が高くなるほど、電解液の粘度は低くなり、電解液の導電率は高くなり、電極材料のイオン拡散速度は速くなりますので、温度が高くなると、バッテリーの分極が小さいほど、形成効果が高くなります。ただし、形成温度が高すぎると形成される セイ 膜の構造が破壊され、副反応が増加したり、電解液中の低沸点成分の揮発が促進され、形成効果 2 が得られません。業界の温度は45〜70℃です。

図 4. セル形成プロセス、体積膨張および微分容量曲線

3. まとめ

この論文では、温度制御可能なデュアルチャネルその場ガス生成量モニターを使用して、さまざまな地層温度下でその場体積膨潤試験を実施します。温度が高いほど、細胞体積の膨張が早く、より大きくなることがわかります。セル体積の定量的特性評価は、バッテリー開発者が最適な形成条件を決定するのに役立ちます。