鉅大LARGE | 點擊量：2049次 | 2021年04月08日
怎么樣才可提高鋰離子電池電解液均勻浸潤效果
我們從鋰離子電池的整個生產(chǎn)工藝來看，首先是勻漿過程，勻漿的目的是將活性物質(zhì)、導電劑和粘結劑等成分均勻（劃重點）的混合在一起；隨后是涂布過程，關鍵在于保證涂布量的均勻，防止涂布量波動導致的產(chǎn)品一致性差等問題；然后是注液過程，也要保證電解液在電芯內(nèi)部均勻的浸潤，以保證電池性能和循環(huán)壽命；在電池模組的生產(chǎn)過程中最為重要的是單體電池的一致性，也就是均勻性，以保證電池組的性能充分發(fā)揮。
如何保證電解液在鋰離子電池電芯內(nèi)充分、均勻浸潤是一個困擾鋰電生產(chǎn)多年的難題，無數(shù)的鋰電工程師為之付出了大量的心血。
德國博世公司的工程師W.J.Weydanz等人【1】利用中子衍射技術成功的觀測到了電解液在軟包鋰離子電池內(nèi)部的浸潤過程（如下圖所示，a，b，c真空注液，d、e、f常壓注液），可以看到注液2min后大部分電解液還停留在電芯的外部，在47min后真空注液的電池基本上完成了浸潤。
但是常壓注液的鋰離子電池仍然有相當部分的中間位置電芯沒有浸潤，電芯外部殘留了大量的電解液。W.J.Weydanz的研究表明真空注液能夠?qū)囯x子電池的注液時間縮短50%，并提高10%的注液量，這關于提高注液質(zhì)量和效率具有重要的意義。
一般我們認為重力關于鋰離子電池的浸潤性會有一定的影響，因此為了保證浸潤效果，要按時為注液后的鋰離子電池進行翻身，但是W.J.Weydanz通過分析上、下兩個方向上的浸潤速度，發(fā)現(xiàn)重力關于電解液的浸潤過程影響微乎其微，基本上可以忽略重力關于鋰離子電池浸潤的影響。
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-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
真空注液能夠改善鋰離子電池的浸潤性和提高注液量，目前已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的共識，但是什么樣的真空注液制度才能將真空注液的效果發(fā)揮到最大呢？為此，慕尼黑工業(yè)大學的ThomasKnoche等人【2】對真空制度對注液效果的影響進行了分析，下面的兩種真空工藝的重要差別在于注液時的真空度和封口的時機不同。
ThomasKnoche通過分析浸潤面積占據(jù)的比例得到了浸潤率數(shù)據(jù)，下圖a為兩種真空制度下電池注液后浸潤情況與時間的關系曲線，從圖a中能夠看到注液后抽真空次數(shù)多的B制度，在850s時的平均浸潤率為78.73%，而注液后抽真空次數(shù)較少的A制度850s的平均浸潤率為73.18%，這表明注液后多抽幾次真空有利于提升電解液的浸潤效果。
下圖b為不同真空度下注液后電芯浸潤率與時間的關系，電芯分別在50mbar、400mbar和900mbar注液后的最終浸潤率分別為82.3%、77.9%和70.1%，這表明注液真空度關于浸潤效果有著顯著的影響，注液時真空度越高則最終電解液對電芯的浸潤效果越好。
除了注液工藝的改善，隔膜的選擇也對改善電解液浸潤效果有著顯著的影響，常見的鋰離子電池隔膜多為PE、PP單層或者多層復合結構的隔膜，這種隔膜具有非常好的穩(wěn)定性，因此得到了廣泛的應用，但是這種非極性的聚合物隔膜與極性的環(huán)狀碳酸酯類溶劑（如EC、PC）不相容，導致電解液與隔膜之間的浸潤性很差，也直接影響了電解液關于電芯浸潤效果。
為了改善隔膜與電解液的浸潤效果，美國加州大學的EthanRao等人【3】通過在普通的聚合物隔膜表面涂布一層全氟苯基疊氮化合物PFPA的方式，從而大幅提高了電解液與隔膜之間的浸潤性。下圖為經(jīng)過處理后的隔膜與普通隔膜，在不同的電解液中的浸潤情況比較，從圖中我們能夠看到普通的單層PE隔膜在電解液中的浸潤性非常差，特別是在極性較強的后幾種電解液配方中，電解液與PE隔膜之間幾乎不浸潤，但是經(jīng)過PFPA處理后，PE隔膜在所有的電解液配方中都能夠完全的浸潤，效果非常明顯。
PP/PE/PP三層復合隔膜也呈現(xiàn)出類似的規(guī)律，表面處理后大幅提高了電解液的浸潤效果。下表展示了普通隔膜和處理后的隔膜的電解液爬升高度數(shù)據(jù)，可以看到經(jīng)過表面處理后的隔膜在電解液爬升高度上具有非常明顯的優(yōu)勢，這再次說明了隔膜表面改性處理關于提升電解液浸潤性具有非常明顯的效果。
隔膜良好的浸潤性能夠顯著的提升鋰離子電池的性能，首先就體現(xiàn)在降低內(nèi)阻上，從下圖A可以看到，相比于沒有經(jīng)過表面處理的PE隔膜，經(jīng)過處理后的PE和PP/PE/PP隔膜的電池內(nèi)阻都有明顯的降低。從圖B中的倍率性能也能夠看到，表面處理后的PE隔膜相比于沒有處理過的PE隔膜在倍率性能上有著明顯的優(yōu)勢，即便是PP/PE/PP三層復合隔膜經(jīng)過PFPA表面處理后倍率性能也有顯著的提升，甚至在一些倍率下超過了沒有處理的PE單層隔膜。
如何提高電解液對電芯的浸潤效果是影響鋰離子電池倍率、循環(huán)等性能的關鍵因素，W.J.Weydanz研究表明真空注液能夠顯著的縮短注液時間，提高注液質(zhì)量，而ThomasKnoche則進一步分析了真空制度關于注液效果的影響，表明注液真空度越高、封口前抽真空次數(shù)越多，則最終電芯的浸潤效果越好。
EthanRao則通隔膜表面改性處理極大的提高了普通的聚合物隔膜的浸潤性，顯著降低了鋰離子電池的內(nèi)阻，提升了電池的倍率性能。而所有的這些工作的目的只有一個：保證電解液能夠均勻的浸潤電芯，提升鋰離子電池的性能。
