锂离子电池预充电：提升性能与延长寿命的关键步骤

锂离子电池预充电：提升性能与延长寿命的关键步骤

锂离子电池的制造是一个复杂的多步骤过程，每一个步骤都对最终产品的性能和寿命有着深远的影响。在这些步骤中，预充电和化成是两个至关重要的环节。本文将深入探讨什么是预充电，为什么将其添加到制造过程中，以及它如何帮助延长锂离子电池的寿命和防止电解质腐蚀。

1. 什么是预充电？

1.1 为什么需要预充电？

预充电是锂离子电池制造过程中，在电池电解质填充之后、化成之前进行的一个步骤。在这一阶段，电池已经完成了电极与电解质的填充和润湿，但还未形成实际的电荷。图 1 描绘了锂离子电池的充电状态 (SOC) 特性。通过锂离子电池的充电状态 (SOC, State of Charge) 用来衡量电池中存储能量的比例。当电池完全充电时，SOC为100%；当电池完全放电时，SOC则为0%。电池的电压会随着SOC的变化而改变。如图2，对于圆柱电池(18650LFP) 来说，SOC为100%时电压为4.2伏，SOC为0%时电压约为2.5伏。需要注意的是，SOC为0%并不意味着电池中完全没有能量，而是电池达到了可以安全操作的最低电压。如果电池被过度放电到低于这个电压，可能会引起不可逆的损坏，并且再次充电时存在安全风险。

图1 锂离子电池的充电状态 (SOC) 特性

图2 圆柱电池 (18650LFP) OCV与SOC电压关系曲线

锂离子电池在填充电解质之后变得具有电化学活性，但此时它们通常处于极低的电压水平。电池在没有任何充电的情况下保持过低电压，可能会导致电解质与电极之间发生不受控的化学反应，进而引发电极的腐蚀。通过预充电步骤，向电池施加少量电荷，使其电压从接近0伏或略低于0伏的状态升至2至3伏的安全电压。这一步骤的目的是防止电池在电压过低的状态下发生内部腐蚀。

2. 锂离子电池化成与预充电的区别

2.1 化成过程简介

化成是锂离子电池制造过程中的一个关键步骤。在化成过程中，电池首次充电，电流通过电池，促使其阳极表面形成固体电解质界面层(SEI层)。这个层是保护电池并确保其长期性能的关键因素。化成通常需要较长时间(通常为一天)，并且需要使用较高功率的设备。

2.2 预充电与化成的差异

虽然预充电和化成都涉及向电池施加电荷，但它们的目的和具体执行方式截然不同，预充电的目的是为电池提供初始的低电压，防止内部腐蚀。它通常只需要几分钟的时间，而且功率需求较低。化成则是为了形成SEI层，确保电池的长寿命和性能稳定。它需要较长时间和较大的电流。预充电是为了保证电池在安全电压下进入化成步骤，而化成则是电池充电性能优化和储能能力形成的过程。

3. 为什么要将预充电添加到锂离子电池制造过程中？

3.1 防止电池腐蚀

在填充电解质后，电池由于尚未充电，其电压可能非常低甚至接近零伏或负伏。此时，如果不采取措施，电解质中的化学成分可能会与电极发生反应，引发腐蚀。预充电通过将电池电压提高到安全范围内，防止了这一现象。

3.2 提高生产调度的灵活性

传统的电池生产流程要求在填充电解质之后立即进行化成，以避免内部腐蚀。这给生产调度带来了挑战，因为化成是一个耗时较长的过程，设备资源紧张。通过增加预充电步骤，电池在达到安全电压后可以暂时存储，不必立即进行化成。这为生产线提供了更多的调度灵活性，减少了设备的压力。

3.3 适应不同的电池化学性质

不同种类的锂离子电池具有不同的电化学性质，特别是在初始状态下的电压表现也有所不同。预充电的加入，能够为各类电池提供一个标准化的充电起点，减少了化成过程中可能出现的电压不一致问题。

4. 锂离子电池制造流程中的预充电与化成设备

4.1 预充电设备的特点

预充电设备与化成设备在设计上有所不同，尤其是在功率要求和电压范围上。预充电设备通常功率较小，主要用于将电池电压从接近0伏迅速提高到23伏的安全电压水平。以下是预充电设备的一些特点：

• 低功率：预充电过程只需要少量的电荷，因此设备的功率需求较低。
• 适应性强：预充电设备需要能够处理从0伏甚至负伏状态的电池电压，这是化成设备通常无法做到的。
• 经济高效：预充电步骤的时间较短，通常只需几分钟，因此预充电设备可以在较短时间内处理更多的电池，提高了生产效率。

4.2 化成设备的特点

相比之下，化成设备的设计是为了处理更高功率和更长时间的充电和放电循环。在化成过程中，电池会通过低电流充电数小时，逐步形成SEI层。化成设备的特点包括：

• 高功率：化成需要较高的功率，以便进行长时间的充放电过程。
• 电压范围较小：化成设备通常不需要处理过低电压的电池，而是从2伏或更高电压开始工作。
• 精细控制：化成过程中对电流、电压的精细控制对电池质量至关重要。

4.3 新威设备的适应性

新威充放电设备针对锂离子电池的预充电和化成过程进行了优化设计。各系列设备不仅能够处理从0伏甚至负电压状态的电池，还能够在短时间内为电池施加少量电荷，将电压提升至安全范围。并且化成时，这些通道可以并联连接，以获得所需的更高功率和电流。这为电池的后续步骤打下了良好的基础，减少了内部腐蚀的风险。图 3 为新威各系列充放电测试设备，有关更多详细参数信息，请访问以下官网内容：新威中文官网、新威英文官网。

图3 新威各系列充放电测试设备全家福

4.4 高效的生产调度

新威设备通过其多通道设计，可以同时处理大量电池，适用于大规模生产环境。在预充电过程中，设备可以根据不同电池类型和生产需求灵活调整，保证了设备利用率的最大化。此外，由于预充电时间较短，新威设备能够极大提升生产效率。

4.5 经济性与灵活性

新威设备的设计考虑了生产过程中的经济性，能够在较小的空间内提供更多的低功率通道，从而以较低成本实现大规模电池的预充电处理。相比于传统的化成设备，预充电设备成本更低，且占地空间小，能够为生产线提供更多的灵活性。

5. 总结

锂离子电池的预充电是现代电池制造过程中不可忽视的关键步骤。通过预充电，制造商能够有效防止电池内部腐蚀，延长电池寿命，并提高生产线的灵活性。相比传统的仅依赖化成的流程，预充电为电池制造过程提供了更高的安全性和效率。

新威充放电设备为电池制造商提供了一种高效且灵活的解决方案，可以确保在电池进入化成阶段前，迅速将电压提升至安全范围，为后续步骤打下坚实基础。随着锂离子电池在全球范围内的应用不断扩展，理解并应用预充电技术，将在未来的电池制造中发挥越来越重要的作用。