Qu'est-ce que le vieillissement des piles au lithium et pourquoi se produit-il ?

1.Introduction

Assemblé batteries lithium-ion doivent subir des processus de formation et de vieillissement pour produire des batteries finies. La formation est le processus de charge de la batterie après l'injection d'électrolyte, qui comprend les étapes de préformation et de formation. La préformation implique une charge à faible courant après l'injection d'électrolyte, généralement accompagnée d'une production de gaz qui doit être évacuée pour les batteries carrées. La formation, quant à elle, consiste à charger la batterie à un courant relativement plus élevé après la préformation, avec une production minimale de gaz. Le vieillissement est le processus qui consiste à laisser la batterie reposer à une certaine température après la formation. La formation joue un rôle crucial dans le processus de post-assemblage de la batterie.

2. réaction de formation des piles au lithium

Les premières courbes de charge et de décharge du matériau d'électrode négative en graphite dans les batteries lithium-ion ne se chevauchent pas complètement, comme le montre la figure ci-dessous. La capacité de décharge, également appelée capacité réversible, est généralement inférieure à la capacité de charge. La différence entre la capacité de charge et la capacité de décharge est appelée capacité irréversible. La capacité irréversible est principalement liée à la formation de la réaction de la membrane de l'interphase de l'électrolyte solide (SEI) et à d'autres réactions secondaires. La formation de la membrane SEI correspond à un plateau irréversible autour de 0,8 V dans la courbe de charge. La membrane SEI est conductrice ionique mais isolante électroniquement, et son objectif principal pendant la formation est de former une membrane SEI complète sur la surface de l'électrode négative, fournissant ainsi à la batterie des performances de cyclage stables.

L'isolation électronique de la membrane SEI empêche les molécules de solvant de subir des réactions de réduction à la surface de l'électrode, empêchant la lithiation du solvant entre les couches de graphite et stabilisant la structure de la couche de carbone de l'électrode de graphite, fournissant ainsi à l'électrode de carbone des performances de cyclage stables. Parallèlement, la membrane SEI présente une bonne conductivité ionique, ce qui permet aux ions lithium d'entrer et de sortir librement de la membrane SEI. La structure du SEI affecte directement la durée de vie, la stabilité, l'autodécharge et les performances de sécurité de la batterie.

3. Processus de préformation de la batterie au lithium

L'objectif principal de la préformation est d'éliminer le gaz généré pendant la réaction de formation et d'empêcher le gonflement de la batterie après le scellement. Grâce à la préformation et à la formation d'une membrane SEI uniforme et stable, la batterie présente des performances de cyclage stables. Le processus de préformation affecte également la membrane SEI. Lorsque la densité de courant est élevée, le taux de nucléation est rapide, ce qui entraîne une structure lâche de la membrane SEI et une mauvaise adhérence à la surface des particules. Par conséquent, la préformation à l'aide d'une faible densité de courant est propice à la formation d'une membrane SEI dense et stable.

Les grands principes de sélection du système de préformation des batteries lithium-ion sont les suivants :

（1）Le courant doit être aussi faible que possible pour réduire la zone de formation du gaz, améliorer l'uniformité de la formation et réduire la perte d'électrolyte.
（2）La tension de coupure ne doit être ni trop faible ni trop élevée. Lorsque la tension est trop faible, le gaz ne peut pas déborder suffisamment, ce qui entraîne un gonflement de la batterie après le scellement. Lorsque la tension est trop élevée, le temps de préformation est prolongé et la batterie est susceptible d'absorber des impuretés telles que l'oxygène et l'eau de l'environnement, ce qui entraîne une dégradation des performances ou un gonflement après le scellement.
（3）Appliquer une certaine force de serrage à la cellule peut empêcher l'électrode d'être ouverte et séparée du séparateur pendant l'élimination des gaz, réduire la zone de formation des gaz et améliorer l'uniformité de la préformation de l'électrode.

4.Formation Processus de la batterie au lithium

L'objectif principal de la formation est de poursuivre la réaction de formation pour former une membrane SEI complète. En outre, pour les voies de gaz ou les zones de bulles qui ne sont pas suffisamment préformées, l'électrolyte continue de mouiller ces zones au cours du processus de formation ultérieur, ce qui permet à ces zones d'électrode de poursuivre la réaction de formation, rendant ainsi le degré de formation des différentes parties de l'électrode plus uniforme.

Le courant de formation peut être augmenté de manière appropriée car la réaction de génération de gaz pendant la formation s'est ralentie et le volume de génération de gaz a diminué de manière significative. L'augmentation du courant peut raccourcir le temps de formation et améliorer l'efficacité de l'équipement de formation.

Le système de formation typique des batteries lithium-ion est le suivant : le courant de préformation est généralement de 0,02C~0,05C, et la tension chargée jusqu'à la tension de coupure de 3,4V ou environ 20% de la capacité après injection. Le courant de formation est généralement de 0,1C, et la tension de coupure de la charge est supérieure à 3,9V. Le courant de formation et la tension de coupure spécifiques dépendent de facteurs tels que le modèle de batterie et les matières premières.

5.Processus de vieillissement de la batterie au lithium

Le vieillissement fait généralement référence au processus consistant à laisser la batterie reposer à une certaine température pendant un certain temps afin de stabiliser ses performances, également connu sous le nom d'assaisonnement. Au cours du vieillissement, la tension de la batterie à autodécharge diminue plus rapidement que celle de la batterie normale. Par conséquent, le vieillissement peut également être utilisé pour éliminer les batteries à autodécharge disqualifiées. Le vieillissement fonctionne principalement en achevant la réaction de formation en continu, en favorisant l'absorption de gaz et en uniformisant le degré de formation.

Le vieillissement est généralement divisé en deux catégories : le vieillissement à température ambiante et le vieillissement à haute température, en fonction de la température de vieillissement. Le vieillissement à température ambiante est le processus de vieillissement effectué à la température ambiante, sans contrôle de la température, et le processus est simple. Cependant, en raison de la fluctuation de la température ambiante, la cohérence des différents lots de piles ne peut pas être garantie.

Le vieillissement à haute température est le processus de vieillissement effectué à une température généralement supérieure à la température ambiante. L'avantage est que cette température est supérieure à la température ambiante, ce qui permet de contrôler la cohérence de la température de vieillissement et d'assurer la cohérence des différents lots de piles. En outre, une température élevée peut accélérer la vitesse de réaction du vieillissement, ce qui permet d'identifier plus rapidement les mauvaises piles potentielles. Cependant, le processus à haute température peut entraîner une diminution des performances de la batterie, de sorte que la température et la durée spécifiques requises pour le vieillissement à haute température doivent être déterminées par des expériences spécifiques. Les fabricants de batteries lithium-ion utilisent généralement des températures de vieillissement à haute température comprises entre 45 et 50 degrés Celsius pendant 13 jours, et certains fabricants procèdent également à un vieillissement à température ambiante pendant 3 à 4 jours.

Au cours du processus de vieillissement, la tension de la batterie diminue progressivement et tend à se stabiliser. En outre, plus la température de vieillissement est élevée, plus la tension de la batterie diminue rapidement et plus le temps nécessaire pour atteindre la stabilité est court. Le taux de chute de tension de la batterie à autodécharge est plus rapide que celui de la batterie normale. Plus le temps de vieillissement est long, plus la différence de tension entre la batterie à autodécharge et la batterie normale est importante. Par conséquent, l'allongement du temps de vieillissement permet d'identifier les piles à autodécharge.