汽車(chē)應(yīng)急啟動(dòng)電源的鋰電池制造中如何設(shè)置一個(gè)完善的化成
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作者：昂佳科技
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次發(fā)表時(shí)間：2019-01-16 17:01:34
汽車(chē)應(yīng)急啟動(dòng)電源內(nèi)的鋰電池通過(guò)一定的充放電方式將其內(nèi)部正負(fù)極物質(zhì)激活，改善電池綜合性能的過(guò)程，叫做化成。化成是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，同時(shí)也是影響電池性能重要的一道工序，因?yàn)樵陔姵厥状纬潆娺^(guò)程中，不可避免地要在碳負(fù)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(zhì)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(shè)置過(guò)于簡(jiǎn)單。其實(shí)化成工藝不僅僅是為了“活化”，一個(gè)完善的設(shè)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(shí)，除了設(shè)置合理的充電電流外，也應(yīng)該重視化成工步中的細(xì)節(jié)設(shè)置。
一、要有合理的充電時(shí)間限制
企業(yè)設(shè)置化成電流，往往更注重電流值的大小，從而忽略時(shí)間限制。潛意識(shí)認(rèn)為某一步限制跳轉(zhuǎn)的條件是終止電流或上限電壓，從而把充電時(shí)間設(shè)置很長(zhǎng)。如圖一的第二步，恒流恒壓充電時(shí)間350min，而在使用相近容量、相同倍率模擬充電后，發(fā)現(xiàn)實(shí)際第二步充電時(shí)間在270min左右。那么問(wèn)題就來(lái)了，假如某個(gè)電池有異常造成恒流或恒壓時(shí)間很長(zhǎng)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)其他電池都結(jié)束了而在“等”著這個(gè)異常電池結(jié)束的情況，這樣既費(fèi)電，又造成生產(chǎn)效率下降。
圖三 某18650型號(hào)正常電池與內(nèi)短路電池化成曲線
圖三是在實(shí)際生產(chǎn)中遇到的一個(gè)內(nèi)短路的電池與同批次正常電池的化成曲線對(duì)比。如圖中紅色曲線為內(nèi)短路電池，隨著時(shí)間的上升此電池電壓與正常電池越拉越大，同時(shí)充電到4.2V，此電池較正常電池的充電時(shí)間長(zhǎng)了1h左右，而這無(wú)形中拖延著整個(gè)化成柜的時(shí)間。且隨著充電時(shí)間的增加，短路點(diǎn)可能越來(lái)越大，電池溫度越來(lái)越高，隨著溫度的不斷升高，電池內(nèi)部可能因正極、負(fù)極和電解液之間發(fā)生各種反應(yīng)而失控。那能不能提前把這些有問(wèn)題的電池識(shí)別出來(lái)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(shè)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(guò)的數(shù)家化成工藝中發(fā)現(xiàn)，企業(yè)往往只設(shè)置上限電壓，忽略了下限電壓的設(shè)置，并且每一步的上限電壓均設(shè)置為充電最高電壓，問(wèn)題往往就出在這里。
先說(shuō)上限電壓，回到圖一和圖二中，均設(shè)置了每一步的上限電壓。拿圖二36Ah的鋁殼電池來(lái)說(shuō)，三步充電的上限電壓均設(shè)置為3950mv，而該充電工步的前兩步充電結(jié)束，電壓均不可能達(dá)到3950mv的上限電壓。也許有人會(huì)說(shuō)該步驟均為時(shí)間限制跳轉(zhuǎn)，所以電壓設(shè)置高點(diǎn)也無(wú)所謂。對(duì)于正常電池確實(shí)是這樣。但是非正常電池呢？舉個(gè)例子，假如有電池注液量偏少，極片未被完全浸潤(rùn)，那么此電池充電過(guò)程中會(huì)因?yàn)闃O化更大而提前達(dá)到上限電壓。而此時(shí)設(shè)置的上限電壓越大，充電時(shí)間會(huì)越長(zhǎng)，可能電池析鋰會(huì)越嚴(yán)重，電池發(fā)熱量也越多，無(wú)形中增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。所以設(shè)置合理的上限電壓同樣有必要。
相對(duì)于上限電壓的設(shè)置，每一步的下限電壓設(shè)置其實(shí)更為重要。舉個(gè)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(shè)置合適的下限電壓，由于此電池第一步充電結(jié)束電壓小于正常電池，那么在跳轉(zhuǎn)第二步時(shí)假如低于設(shè)置的下限電壓，那么此電池就會(huì)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(shí)例
圖四為設(shè)置下限電壓時(shí)實(shí)際應(yīng)用中遇到的情況，此電池為NCM18650－2.5Ah，在設(shè)置化成工步后，在運(yùn)行中跳轉(zhuǎn)第二步，電池2由于電池電壓超出設(shè)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(fù)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(gè)內(nèi)短路的異常電芯實(shí)例，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，也可能會(huì)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(dòng)態(tài)電壓“虛高”，在跳轉(zhuǎn)時(shí)同樣會(huì)被識(shí)別出從而停止工步；根據(jù)電壓上下限的設(shè)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(shí)別，所以增加下限電壓的設(shè)置對(duì)電池一致性的篩選也有所幫助。
電壓上下限的設(shè)置范圍會(huì)因材料、環(huán)境溫度、設(shè)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(shè)置的范圍太窄會(huì)造成篩選誤判，那么針對(duì)這種情況我們可以設(shè)置一些其他限制條件來(lái)輔助異常電池的篩選。
三、工步跳轉(zhuǎn)限制條件優(yōu)先順序篩選
這個(gè)篩選條件是什么意思呢？打個(gè)比方：化成第一步設(shè)置充電60min，上限電壓3500mv，我們要求是時(shí)間到60min跳轉(zhuǎn)下一步，而某些電池電壓到3500mv而充電時(shí)間未達(dá)到60min，那么此類電池挑出；同理，要求電壓或者電流到設(shè)置參數(shù)跳轉(zhuǎn)下一步但是時(shí)間先到也可以挑出。假如有些電池跳轉(zhuǎn)至下一步后，電壓范圍在我們?cè)O(shè)置的范圍內(nèi)，但是此電池又有某種異常，可以通過(guò)此限制條件篩選。下圖為廣東某設(shè)備廠家軟件設(shè)置流程頁(yè)面：
圖六 流程設(shè)置頁(yè)面中的限制條件
紅圈中的Time over項(xiàng)即為跳轉(zhuǎn)條件篩選項(xiàng)，其分為兩個(gè)挑選條件TYPEA和TYPEB，在恒流充電中，TYPEA表示達(dá)到充電時(shí)間但未到達(dá)設(shè)置電壓；TYPEB表示未到充電時(shí)間但達(dá)到設(shè)置電壓；恒流恒壓充電中，TYPEA表示設(shè)置時(shí)間到但終止電流未到，TYPEB表示設(shè)置時(shí)間未到但終止電流到。我們可以根據(jù)不同的工步設(shè)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(gè)電池都在我們?cè)O(shè)置的條件范圍內(nèi)，但是恒流充電時(shí)間短，恒壓時(shí)間長(zhǎng)，那可不可以篩出來(lái)呢？
四、恒流或恒壓充電時(shí)間限制篩選
回到圖六（此項(xiàng)僅適用于化成需要充滿電的流程），最右兩列即為CCT時(shí)間挑選。CCT的意思為恒流充電時(shí)間，當(dāng)某些電池極化偏大或容量偏低，提前達(dá)到上限電壓，我們可以通過(guò)設(shè)置時(shí)間區(qū)間挑選出充電時(shí)間異常的電池，從而提高電池一致性。
圖七 CCT上下限時(shí)間篩選異常電池示例
上圖為在實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)CCT時(shí)間設(shè)置挑選出的一個(gè)異常電池與正常電池充電曲線，其中異常電池先達(dá)到上限電壓而且恒壓時(shí)間較長(zhǎng)。后續(xù)將異常電池拆解，發(fā)現(xiàn)負(fù)極表面存在不明污漬。
圖八 CCT時(shí)間挑選出異常電池拆解圖
五、充電△ V 設(shè)置
有些朋友可能注意到圖六中還有一個(gè)設(shè)置項(xiàng)△ V ，意思是充電過(guò)程中允許電壓下降的最大值，具體設(shè)置值可根據(jù)設(shè)備精度及各企業(yè)可接受異常范圍設(shè)置。此項(xiàng)也是重點(diǎn)哦，當(dāng)一些內(nèi)短路電池在充電過(guò)程中出現(xiàn)短路點(diǎn)變大的情況，可能會(huì)出現(xiàn)充電過(guò)程中電壓下降，及時(shí)停止工步對(duì)阻止安全問(wèn)題的發(fā)生同樣有效。
一個(gè)流程設(shè)置這樣就差不多了，這些參數(shù)的設(shè)置跟企業(yè)使用的柜子精度關(guān)系較大，或者有些企業(yè)使用的軟件沒(méi)有Timeover和CCT時(shí)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(shí)際情況確定自己的參數(shù)。此外，介紹的這些功能對(duì)分容流程的設(shè)置也同樣適用。還有些細(xì)節(jié)比如數(shù)據(jù)采集時(shí)間和過(guò)容量報(bào)警，采集時(shí)間這個(gè)肯定是要求越短越好，時(shí)間短采集數(shù)據(jù)就多，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常就更及時(shí)，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(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)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(shè)置。
最后再補(bǔ)充一點(diǎn)，按以上流程設(shè)置完挑選出來(lái)的電池，是否都需要報(bào)廢？當(dāng)然任性的公司全部報(bào)廢也未嘗不可，寧可錯(cuò)殺一千不能放過(guò)一個(gè)，產(chǎn)品質(zhì)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(jí)，甚至有些因柜點(diǎn)問(wèn)題等是可以重新化成當(dāng)A品的。那如何區(qū)分異常種類呢？有些軟件有個(gè)特別的功能——顏色區(qū)分（如圖九）。
圖九 異常報(bào)警色設(shè)置
我們可以將不同的異常分別設(shè)置不同的顏色，企業(yè)可根據(jù)軟件篩選出來(lái)的電池，對(duì)應(yīng)查看分別下屬于哪種異常，分類處理。像接觸不良和電流異常，一般情況下均為柜點(diǎn)異常造成，可以單獨(dú)識(shí)別出并重新化成，這樣就能減少“誤殺”了。
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