Vorming en sortering in de lithium-ionbatterijproductie

Vorm- en capaciteitsclassificatie behoren tot de laatste en meest cruciale fasen in productie van lithium-ionbatterijen Hoewel deze stappen plaatsvinden na de fabricage van de elektroden en de assemblage van de cel, hebben ze een sterke invloed op de elektrochemische stabiliteit, de veiligheidsprestaties, de consistentie en de levensduur van het eindproduct. In de industrie batterijproductielijnen Het vormingsproces activeert de batterij voor de eerste keer, terwijl het sorteerproces de cellen evalueert en classificeert op basis van meetbare elektrische parameters.

Vanuit een technisch oogpunt zijn deze processen geen simpele laad- en testprocedures. Elke stap – elektrolytvulling, veroudering, vorming, secundaire vulling, K-waardebepaling en capaciteitsclassificatie – is ontworpen op basis van elektrochemische mechanismen, massatransportgedrag, gasontwikkeling en kwaliteitscontrole-eisen. In moderne batterijfabrieken moet het ontwerp van deze processen geïntegreerd worden met de algehele lay-out van de productielijn, de capaciteit van de apparatuur en de beoogde prestatiespecificaties. Voor fabrikanten die nieuwe faciliteiten bouwen, worden deze stappen doorgaans geïmplementeerd als onderdeel van een compleet plan. oplossing voor de productielijn van lithiumbatterijen , waar vormingssystemen , verouderingskamers, en sorteermachines worden geconfigureerd op basis van capaciteits- en chemische vereisten.

Dit artikel geeft een gedetailleerde technische uitleg van elke stap in het vormings- en capaciteitsclassificatieproces, samen met de fysische en chemische redenen achter de processen.

1. Eerste elektrolytvulling na celassemblage

Tijdens de eerste vulling wordt de geassembleerde cel in een vacuümvulkamer geplaatst. De kamer wordt geëvacueerd om een onderdruk in de cel te creëren. Zodra de interne druk voldoende laag is, wordt de elektrolytklep geopend en stroomt de elektrolyt door het drukverschil de cel in. Deze methode zorgt ervoor dat de elektrolyt efficiënter in de poriën van de separator en de elektrodestructuur doordringt dan bij eenvoudige vulling onder atmosferische druk.

Het doel van de eerste vulling is niet alleen het inbrengen van elektrolyt, maar ook het zorgen voor een gelijkmatige bevochtiging van de poreuze elektroden. Een slechte bevochtiging kan leiden tot een hoge interne weerstand, een ongelijkmatige SEI-vorming en capaciteitsverlies in latere stadia.

2. Veroudering bij hoge temperatuur voor bevochtiging van het elektrolyt

De cellen worden gedurende een bepaalde periode in een gecontroleerde, hogetemperatuur-verouderingsruimte geplaatst om de diffusie van elektrolyt in de elektrodeporiën te versnellen. Een goede bevochtiging is essentieel voor een stabiele SEI-vorming tijdens het daaropvolgende vormingsproces.

Tijdens het verouderingsproces is de cel nog niet permanent afgesloten. Daarom moet een tijdelijke afdichtingspen worden gebruikt om de vulopening af te sluiten. Zonder tijdelijke afdichting kan de hoge temperatuur leiden tot verdamping van de elektrolyt, met als gevolg concentratieveranderingen, instabiliteit van de prestaties en mogelijke veiligheidsrisico's.

Tabel 1 — Doel van veroudering bij hoge temperatuur

3. Vormingsproces en SEI-filmvorming

Tijdens de eerste lading ontleedt het elektrolyt aan het grafietoppervlak, waardoor een dunne maar dichte SEI-laag ontstaat. Deze laag laat lithiumionen door, terwijl verdere ontleding van het elektrolyt wordt voorkomen. De kwaliteit van de SEI-laag bepaalt direct de levensduur, de interne weerstand en de veiligheid.

Om een hoogwaardige SEI-film te verkrijgen, wordt de vorming ervan doorgaans uitgevoerd met behulp van een stroomprofiel in meerdere stappen.

Gasvorming treedt op tijdens de vorming doordat de ontleding van het elektrolyt gassen zoals CO₂ en koolwaterstoffen produceert. Om gasophoping bij het elektrode-grensvlak te voorkomen, wordt in de industriële productie vaak gebruikgemaakt van vorming onder negatieve druk, waarbij het gas tijdens het proces wordt afgevoerd.

Gas dat tussen de elektrodelagen is opgesloten, kan de transportroutes van lithiumionen blokkeren, wat leidt tot een ongelijkmatige vorming van de SEI-laag en prestatieverschillen tussen cellen.

In moderne fabrieken worden vormingssystemen samen met de
Batterijvormings- en sorteerapparatuur, die nauwkeurige stroomregeling, temperatuurstabiliteit en gasbeheer garandeert.

4. Secundaire elektrolytvulling

Deze stap is om twee belangrijke redenen noodzakelijk:

Hierdoor daalt de hoeveelheid elektrolyt in de cel tot onder de ontworpen waarde. Secundaire vulling compenseert dit. e-verlies en zorgt voor een correct elektrolytenvolume.

De procedure is vergelijkbaar met de eerste vulling, maar de vulhoeveelheid is kleiner. Na de tweede vulling wordt de vulopening dichtgelast om de cel permanent af te dichten.

Tabel 2 — Vergelijking van de eerste en tweede vulling

5. OCV-meting en K-waardetest bij hoge temperaturen

Het doel is om de K-waarde bij hoge temperaturen te berekenen, die de zelfontladingssnelheid van de batterij beschrijft.

De formule is:

K = (OCV1−OCV2) / (T2−T1)

Eenheid: mV/h

De cel wordt tussen de twee metingen op een verhoogde temperatuur bewaard. Een hoge K-waarde duidt op een abnormale spanningsval, die kan worden veroorzaakt door interne lekstroom, verontreiniging of microkortsluitingen.

Cellen met een te hoge K-waarde moeten vóór de beoordeling worden verwijderd.

Tabel 3 — Interpretatie van de K-waarde bij hoge temperaturen

6. Capaciteitsclassificatie (formatieproefcycli)

In de industriële productie wordt sorteren doorgaans uitgevoerd bij een relatief hoge stroomsterkte (0,5C–1C) om de werkelijke bedrijfsomstandigheden te simuleren.

De cellen worden vervolgens gesorteerd in verschillende kwaliteitsklassen op basis van hun gemeten capaciteit.

Voorbeeldclassificatie:

Sorteermachines moeten nauwkeurige stroomregeling, temperatuurbeheer en een hoge kanaalconsistentie bieden, en daarom worden ze doorgaans in een systeem geïntegreerd.
Batterijoplossing voor pilotlijnen of productielijnen, in plaats van als losstaande apparatuur.

7. K-waardetest bij kamertemperatuur na depolarisatie

Direct na het laden en ontladen daalt de spanning snel als gevolg van de relaxatie van de elektrodepotentiaal. Als de open-circuitspanning (OCV) onmiddellijk wordt gemeten, zal de berekende K-waarde kunstmatig hoog uitvallen.

Daarom worden de cellen gedurende een bepaalde periode opgeslagen totdat de spanning stabiel is, waarna een tweede K-waardetest bij kamertemperatuur wordt uitgevoerd.

Deze test verwijdert bovendien defecte cellen vóór verzending.

8. Definitieve vrijgave van gekwalificeerde cellen

- Eerste vulling

- Veroudering

- Vorming

- Tweede vulling

- K-test bij hoge temperaturen

- Capaciteitsclassificatie

- K-test bij kamertemperatuur

De cellen kunnen rechtstreeks vanuit de fabriek worden vrijgegeven.

Hoewel deze stappen aan het einde van het proces plaatsvinden, bepalen ze of de batterij aan de ontwerpspecificaties voldoet. Onvolledige vorming, slechte bevochtiging, onvoldoende elektrolyt of onnauwkeurige sortering zullen de levensduur en consistentie van de batterij direct verminderen.

Om deze reden is de sectie voor vorming en sortering vaak het meest energieverslindende, tijdrovende en materieelintensieve onderdeel van een batterijfabriek en moet hier al in een vroeg stadium van het fabrieksontwerp rekening mee worden gehouden.

Over TOB NEW ENERGY

Ontdek meer over totaaloplossingen: TOB NEW ENERGY Batterijproductieoplossingen