锂电池化成工艺：SEI膜构筑机制与产气、水分的协同控制

 

在锂离子电池的制造流程中，注液、化成与老化是决定最终电池性能的关键后工序。其中，化成直接关系到电池内部关键结构——固体电解质界面膜（SEI膜）的形成质量，进而深刻影响电池的循环寿命、安全性和稳定性。光子湾科技可为锂离子电池化成工艺提供从“微观膜层表征” 到 “宏观性能预测” 的全维度解决方案。本文将以光子湾科技的技术视角，重点阐述化成工艺，并系统解析工艺中的产气和水分控制。

 

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化成工艺原理

锂离子电池化成时SEI膜形成机制图

化成是对注液后的电池进行首次充电激活的过程，通常分为两个阶段：

预化成：注液后立即进行的小电流充电阶段。此阶段通常伴随显著的产气现象（尤其在方形电池中，需设计开口排气）。主要目的是初步激活电极材料并开始SEI膜形成的前驱反应。

化成：预化成后进行的、电流相对较大的充电阶段。产气量显著减少。主要目的是完成SEI膜的形成与稳定化。

化成反应的核心目标是在负极表面形成一层致密、稳定且具有离子导通性、电子绝缘性的固体电解质界面膜（SEI膜）。SEI膜的有效建立是电池获得长循环寿命和安全稳定性的基石。

 

 

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化成的反应机理

锂离子电池化成反应图

对化成反应的研究主要集中在石墨负极/电解液界面。典型锂离子电池电解液包含锂盐、碳酸酯类溶剂、添加剂以及微量的水和溶解氧。在首次充电（化成）过程中，负极表面发生的复杂还原反应包括：

溶剂的还原（如EC）
 

锂盐的还原（如LiPF6分解）

微量杂质（如H₂O, O₂）的还原

这些反应生成的固体产物（如烷基碳酸锂(ROCO₂Li)、烷氧基锂(ROLi)、碳酸锂(Li₂CO₃)、LiF、Li₂O、LiOH等）共同构成了SEI膜的主体。同时，反应还产生气体副产物。

 

 

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SEI膜的结构特性

 

SEI膜的功能特性

电子绝缘性：有效阻隔溶剂分子在负极表面的持续还原，防止溶剂化锂离子共嵌入石墨层导致结构破坏，是维持石墨负极结构稳定和长循环寿命的关键。

离子导通性：允许Li离子相对自由地进出SEI膜，嵌入/脱嵌石墨层，保证电池的基本充放电功能。

因此，形成均匀、致密且具有良好离子导通性和电子绝缘性的SEI膜是化成工艺的核心目标。

 

 

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气体产物及其管理

 

化成工艺的产气量变化

化成过程中的气体主要来源于SEI膜形成反应及其他副反应（如杂质还原）。气体产生的种类和数量与化成电压密切相关：

< 2.5V： 产气量较小，主要为H₂和CO₂。

3.0 - 3.5V： 产气高峰期（可占总产气量90%以上），对应SEI膜主要形成期，气体包括C₂H₄、CO、CH₄、H₂等。

> 3.8V： 产气量极少，以CH₄为主。

大量产气是方形铝壳/钢壳电池设计预化成（开口排气）步骤的直接原因。气体产生量受电极材料、电解液配方及化成工艺参数的显著影响。

 

 

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水分：关键杂质的影响

 

水分（H₂O）是化成过程中最需严格控制的杂质之一。进入电解液中的水分危害极大：
 

与LiPF6等锂盐反应生成腐蚀性HF，攻击并破坏已形成的SEI膜，导致性能劣化（如容量衰减、内阻增大）。

参与还原反应（如2H₂O + 2e⁻→ H₂+ 2OH⁻），显著增加化成过程的气体产量（尤其是H₂）。

因此，严格的水分控制贯穿于电池生产的全过程（包括注液前极片/环境干燥、电解液水分控制、注液环境控制等）。

 

 

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极片膨胀现象

注液后静置及化成过程中，电池极片和隔膜会发生膨胀，导致电池整体厚度增加。膨胀主要源于三个方面：

电极材料颗粒膨胀：由锂离子嵌入电极材料晶格以及表面SEI膜的形成引起。

黏结剂溶胀：黏结剂吸收电解液中的溶剂后发生溶胀，增大颗粒间隙。

应力松弛：电解液浸润后，极片内部活性物质颗粒、导电剂颗粒及其相互之间的内部应力得到释放，导致结构松弛膨胀。

深入理解锂电池化成工艺，对于提升锂离子电池能量密度、循环寿命、安全可靠性和生产效率至关重要。化成工艺的精准优化，离不开对“化学变化 - 物理表征 - 力学响应” 的多维度实时监测。光子湾科技依托在光学测量与材料力学评估领域的深厚积累，可为锂电池化成工艺提供系列创新技术。

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