Tại sao pin cần phải lão hóa?

Sau khi sản xuất cell pin lithium,  quá trình lão hóa (Aging)  là một bước quan trọng trong quá trình sản xuất. Lão hóa cho phép các trạng thái hóa học và vật lý bên trong cell ổn định thông qua việc nghỉ ngơi trong các điều kiện môi trường cụ thể (như nhiệt độ và thời gian), đảm bảo hiệu suất, an toàn và tính nhất quán. Dưới đây là các lý do và chức năng chính của quá trình lão hóa cell:

Mục tiêu cốt lõi của lão hóa:

1 ） Ổn định màng SEI (Giai đoạn điện phân rắn)
Sau quá trình nạp-xả ban đầu (hình thành), màng SEI hình thành trên bề mặt điện cực âm, nhưng cấu trúc của nó ban đầu không ổn định. Trong quá trình lão hóa, màng SEI dần trưởng thành và thụ động hóa, giảm các phản ứng phụ (như phân hủy chất điện phân) trong các chu kỳ tiếp theo, do đó tăng tuổi thọ chu kỳ.

2 ） Giải phóng ứng suất bên trong
Sau khi quấn/xếp chồng và nạp chất điện phân, các vật liệu bên trong (như điện cực và bộ tách) có thể bị biến dạng cơ học hoặc thẩm thấu chất điện phân không đều, dẫn đến ứng suất. Quá trình lão hóa cho phép ứng suất phân tán chậm thông qua quá trình nghỉ, ngăn ngừa nếp nhăn bộ tách hoặc vi mạch trong điện cực.

3 ） Thoát khí
Trong quá trình hình thành và nạp chất điện phân, một lượng nhỏ khí (ví dụ, CO₂, H₂) có thể được tạo ra. Quá trình lão hóa đẩy nhanh quá trình thoát khí qua môi trường nghỉ ngơi hoặc nhiệt độ cao, ngăn ngừa tình trạng tế bào phồng lên hoặc tiếp xúc giao diện kém.

4 ） Kiểm tra các tế bào lỗi
Trong quá trình lão hóa, việc theo dõi điện áp tế bào, điện trở bên trong và tốc độ tự phóng điện giúp xác định các tế bào bất thường (ví dụ, đoản mạch, rò rỉ chất điện phân), ngăn ngừa các sản phẩm lỗi xâm nhập vào các quy trình tiếp theo.

5 ） Cân bằng phân phối chất điện phân
Sau khi nạp chất điện phân, cần có đủ thời gian để chất điện phân thấm hoàn toàn vào các lỗ chân lông của điện cực và bộ tách. Quá trình lão hóa cung cấp thời gian để phân phối chất điện phân đồng đều, giảm các điểm khô cục bộ và cải thiện hiệu quả vận chuyển ion.

Các hình thức cụ thể của quá trình lão hóa

Lưu ý: Quá trình lão hóa xảy ra sau khi hình thành. Trước và sau khi lão hóa, OCV (Điện áp mạch hở) và ACIR (Điện trở bên trong dòng điện xoay chiều) của pin được kiểm tra để tính giá trị K của pin.

1. Lão hóa ở nhiệt độ phòng (Nghỉ ở nhiệt độ phòng)
   Điều kiện: Nghỉ ở nhiệt độ 25~30°C trong 24~72 giờ.
   Mục đích: Ổn định sơ bộ màng SEI, giải phóng ứng suất cơ học và thoát khí.
2. Lão hóa ở nhiệt độ cao (Lão hóa tăng tốc)
   Điều kiện: Nghỉ ngơi ở nhiệt độ 45~60°C trong 12~48 giờ.
   Mục đích: Tăng tốc độ ổn định màng SEI và thoát khí, rút ​​ngắn chu kỳ sản xuất và thường được sử dụng cho các cell có mật độ năng lượng cao hoặc điện cực dày.
3. Điều kiện lão hóa chu kỳ sạc-xả
   : Thực hiện 1~3 chu kỳ sạc-xả dòng điện thấp trên cell.
   Mục đích: Kích hoạt thêm vật liệu điện cực, tối ưu hóa tiếp xúc giao diện và kiểm tra tính nhất quán của dung lượng

Tác động của lão hóa lên hiệu suất tế bào

1. Tăng cường tuổi thọ chu kỳ
   Một lớp màng SEI ổn định giúp giảm thiểu tình trạng mất lithium hoạt động và phân hủy chất điện phân liên tục, làm chậm quá trình suy giảm dung lượng.
2. Giảm tỷ lệ tự xả
   Quá trình lão hóa sẽ loại bỏ các cell có hiện tượng tự xả quá mức (ví dụ: sụt điện áp > 5mV/ngày), ngăn ngừa hiện tượng mất kiểm soát nhiệt do sự không đồng nhất của các cell trong bộ pin.
3. Cải thiện tính an toàn
   Việc thoát khí và giải phóng ứng suất làm giảm hiện tượng phồng pin và nguy cơ đoản mạch bên trong, giảm khả năng mất kiểm soát nhiệt.
4. Tăng cường tính nhất quán
   Sau khi lão hóa, điện áp cell và phân phối điện trở bên trong trở nên tập trung hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp ráp và quản lý cân bằng pin.

Rủi ro của lão hóa không đủ

Việc bỏ qua hoặc rút ngắn thời gian lão hóa có thể dẫn đến:

1. Phim SEI không ổn định : Tiêu thụ chất điện phân liên tục trong các chu kỳ, dẫn đến giảm dung lượng.
2. Giữ khí : Tế bào phồng lên, gây nguy hiểm cho an toàn (ví dụ, rò rỉ tế bào túi).
3. Mạch ngắn siêu nhỏ không phát hiện được : Nhiệt cục bộ sau khi lắp ráp, đẩy nhanh quá trình lão hóa hoặc thậm chí gây ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt.
4. Phân phối chất điện phân không đều : Tăng độ phân cực, giảm hiệu suất tốc độ.

Hướng dẫn tối ưu hóa cho lão hóa

1. Giám sát lão hóa động
   Sử dụng hệ thống giám sát trực tuyến (ví dụ: cảm biến điện áp, nhiệt độ, áp suất) để theo dõi quá trình lão hóa theo thời gian thực.
2. Kiểm soát
   nhiệt độ theo từng giai đoạn (ví dụ, nhiệt độ cao để thoát khí, sau đó là nhiệt độ phòng để ổn định màng SEI).
3. Cải tiến vật liệu và quy trình
   Tối ưu hóa công thức điện phân (ví dụ, thêm phụ gia tạo màng) hoặc quy trình tiền liti hóa để rút ngắn thời gian lão hóa.

Phần kết luận

Quá trình lão hóa tế bào là một bước quan trọng trong việc cân bằng hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm. Bằng cách kiểm soát thời gian, nhiệt độ và điều kiện môi trường, độ tin cậy, an toàn và tuổi thọ của pin lithium có thể được cải thiện đáng kể. Các hệ thống khác nhau (ví dụ: LFP so với NMC) và các yếu tố hình thức (hình trụ/hình lăng trụ/hình túi) yêu cầu các quy trình lão hóa được thiết kế riêng để đạt được hiệu suất tối ưu.

Theo EXLIPORC